CN104767374A - 一种基于dds的大功率信号发射控制方法 - Google Patents

一种基于dds的大功率信号发射控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于DDS的大功率信号发射控制方法，采用DDS合成技术，程序控制发射信号的合成，数字技术D类高频放大模块，信号失真度低；设计PFC矫正技术，提高了大功率发射信号的功率因数和发射效率；阶梯波发生模块设计，发射控制智能模式，正弦波、阶梯波切换效率高，大功率阶梯方波信号的上升沿和下降时间软件智能延迟有效地抑制脉冲尖峰干扰，具有极低频、大功率发射功能，频率相位稳定；大功率阶梯方波信号在感性负载上的尖峰脉冲干扰小，智能大功率发射效率高等特点。

Description

一种基于DDS的大功率信号发射控制方法
技术领域
本发明涉及石油测井领域，具体涉及一种基于DDS的大功率信号发射控制方法。
背景技术
套后地层电阻率测井是油田开发过程中用于确定储层剩余油饱和度的测井方法，监测油气藏动态运移情况，确定储层剩余油含油饱和度，优化油井开采方案。测井仪器的发射电流大小直接关系到测量精度和储集层电阻率测量的动态范围，影响确定地层含油饱和度的准确性，提高发射电流信号的频率和幅度的大小和精度，主要面临的困难有：由于钢套管趋肤效应的影响，发射信号频率范围必须为0.1-10Hz，而针对这些特殊的低频正弦信号，在发射过程中频率稳定度差；套后生产测井使用七芯电缆，单芯电阻为200Ω左右，即使在采用幻象供电4芯并用，发射9A电流情况下，在地面也需提供4000W以上的大功率信号，如此大的功率发射效率很难提高；发射中的大功率阶梯波在感性负载中的尖峰冲击脉冲信号干扰大，影响仪器的稳定性和可靠性，目前国内外没有任何一种产品或设计方案完全解决这些难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于DDS的大功率信号发射控制方法，解决在油田开发测井中，大功率信号发射中阶梯波在感性负载中的尖峰冲击脉冲信号干扰大，影响仪器稳定性和可靠性的问题。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于DDS的大功率信号发射控制方法，包括以下步骤：
(1)、输入交流电压经EMC电磁干扰抑制后，送入PFC功率因素校正模块进行功率因素校正，矫正完成后经直流隔离供电电路进行整流、滤波、振荡、隔离、再整流、滤波形成直流开关电源输出，为D类高频放大模块、DSP中央控制单元和方波换向模块供电；
(2)、在DSP中央控制单元的控制下，正弦反馈和方波反馈双路闭环反馈控制环节，分别产生用于刻度和测井发射的低频大功率信号；
在DSP中央控制单元的控制下，DDS信号合成模块产生DDS信号源,然后通过D类高频放大模块、低通滤波输出驱动模块形成大功率输出至第一双刀双掷继电器，低通滤波输出驱动模块通过正弦反馈调整环节与DSP中央控制单元连接；
与此同时，在DSP中央控制单元的控制下，方波换向模块输出大小可调的直流电源，电流经方波隔离输出驱动模块分时正负双向切换输出与第二双刀双掷继电器连接，以提供井下电机和直流发射下的大功率电流，方波隔离输出驱动模块还通过方波反馈调整环节与DSP中央控制单元连接；
(3)、在DSP中央控制单元的控制下，继电器控制驱动模块驱动第一双刀双掷继电器、第二双刀双掷继电器分别完成幻象供电，提供井下液压直流电机的驱动供电及实现井下仪器的刻度发射和测井发射。
作为本发明的进一步优选方案，所述步骤(3)继电器控制驱动模块驱动第一双刀双掷继电器和第二双刀双掷继电器工作，第一双刀双掷继电器的K1、K2常闭触头连通正弦大功率输出分别至模式变压器二次侧抽头4、6的中心抽头5和二次侧抽头7、9的中心抽头8，完成井下仪器刻度发射功能；第二双刀双掷继电器的K3、K4常开触头连接方波大功率输出到井下交流供电电源变压器二次侧抽头3、5的中心抽头4和缆芯10的外皮，实现幻象供电，提供井下液压直流电机的驱动供电；第二双刀双掷继电器的K3、K4常闭触头用于关断井下电机。
作为本发明的进一步优选方案，所述数字拟合正弦波由DSP控制处理单元数字正弦驱动信号合成模块来完成，数字正弦波驱动信号拟合完成后，经电路处理产生用于驱动D类高频放大模块的高频信号。
作为本发明的进一步优选方案，所述D类高频放大模块输出为400V左右的高压正弦调制脉冲，采用LC低通滤波器输出驱动，滤出所需的低频正弦信号。
作为本发明的进一步优选方案，所述步骤(1)输入交流180V～250V电压经EMC电磁干扰抑制后，送入PFC功率因素校正模块进行功率因素校正，发射信号峰值功率为4000W，功率因数PFC矫正模块矫正完成后功率因数＞95％；之后经4000W直流隔离供电电路，通过整流、滤波、振荡、隔离、再整流、滤波形成电压为400V，额定电流为9A的直流开关电源输出。
作为本发明的进一步优选方案，所述DDS信号合成模块产生DDS信号源，其正弦波形失真度≤3％，低频率信号频率范围在0.1-10Hz，通过D类高频放大模块、低通滤波输出驱动模块和正弦反馈调整环节，形成基准频率稳定度为±30ppm的大功率输出。
作为本发明的进一步优选方案，所述大功率阶梯方波信号的上升沿和下降沿的时间满足在5ms至20ms之间，方波反馈调整环节满足输出电源的稳定度≤1％。
作为本发明的进一步优选方案，所述D类高频放大模块采用数字合成的高频驱动脉冲，基准频率100MHz，载波频率为20kHz～5031kHz；在输出正弦信号频率发生变化时，数字拟合的正弦波的点数固定不变，1Hz正弦波时采用20kHz为载波，10Hz正弦波时采用50kHz为载波，拟合形成的正弦波失真度在3％以下。
本发明相比现有技术具有以下优点：
1、大功率发射信号采用DDS合成技术，信号的频率、幅度稳定，提高发射信号的精度。
2、PFC矫正技术，提高了大功率信号的功率因数，数字技术D类高频放大模块，信号失真度低。
3、方波发生模块设计，发射智能控制上升沿和下降沿的时间，有效地抑制尖峰干扰。
附图说明
附图1是基于DDS的大功率信号发射控制方法示意图。
附图2是DDS高精度信号合成硬件结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。
附图1是基于大功率发射控制方法示意图，控制方法的流程从上到下依次由PFC功率因素校正模块1、4000W直流隔离供电电路2、DDS信号合成模块3、DSP中央控制单元4、时钟及232接口5、方波换向模块6、D类高频放大模块7、正弦反馈调整环节8、方波反馈调整环节9、方波隔离输出驱动模块10、低通滤波输出驱动模块11、继电器控制驱动模块12、第一双刀双掷继电器13、第二双刀双掷继电器14、模式变压器15、井下供电电源变压器16等所组成。
本发明大功率发射控制方法采用DDS合成技术，程序控制发射信号的合成，基准信号频率稳定度达到±30ppm。数字技术D类高频放大模块，信号失真度低；设计PFC矫正技术，提高了大功率发射信号的功率因数和发射效率；阶梯波发生模块设计，发射控制智能模式，正弦波、阶梯波切换效率高，大功率阶梯方波信号的上升沿和下降时间软件智能延迟有效地抑制脉冲尖峰干扰。该发明具有独立的技术方案和技术路线，有效地解决了以上问题。
控制方法的流程从上到下依次由PFC功率因素校正模块、4000W直流隔离供电电路、DDS信号合成模块、DSP中央控制单元、时钟及232接口、方波换向模块、D类高频放大模块、正弦反馈调整环节、方波反馈调整环节、方波隔离输出驱动模块、低通滤波输出驱动模块、继电器控制驱动模块、双刀双掷继电器、模式变压器、井下供电电源变压器等所组成。
输入交流180V～250V电压经EMC电磁干扰抑制后，送入PFC功率因素校正模块1进行功率因素校正，功率因数PFC矫正电路，矫正完成后功率因数＞95％；之后经4000W直流隔离供电电路2，通过整流、滤波、振荡、隔离、再整流、滤波形成电压为400V，额定电流为9A的直流开关电源输出，提供方波和正弦波的大功率供电。在DSP中央控制单元4的控制下，双路闭环反馈控制环节，分别产生用于刻度和测井发射的低频大功率信号输出。
DDS信号合成模块3产生DDS信号源,其正弦波形失真度≤3％，低频率信号频率范围在0.1-10Hz，然后，通过D类高频放大模块7、低通滤波输出驱动模块11和正弦反馈调整环节8，形成基准频率稳定度为±30ppm的大功率输出；与此同时，在DSP中央控制单元4的控制下，方波换向模块6可输出大小可调的直流电源，以提供井下电机和直流发射下的大功率电流。
D类高频放大模块采用数字合成的高频驱动脉冲，基准频率100MHz，载波频率为20kHz～5031kHz。在输出正弦信号频率发生变化时，数字拟合的正弦波的点数固定不变，1Hz正弦波时采用20kHz为载波，10Hz时采用50kHz为载波，拟合形成的正弦波失真度在3％以下。数字拟合正弦波由DSP控制处理单元数字正弦驱动信号合成模块来完成，数字正弦波驱动信号拟合完成后，经电路处理产生用于驱动D类高频放大模块的高频信号。D类高频放大模块输出为400V左右的高压正弦调制脉冲。采用LC低通滤波器输出驱动，滤出所需的低频正弦信号。
DDS信号合成模块产生DDS信号源,其正弦波形失真度≤3％，低频率信号频率范围在0.1-10Hz，然后，通过D类高频放大模块、低通滤波输出驱动模块和正弦反馈调整环节，形成基准频率稳定度为±30ppm的大功率输出；与此同时，在DSP中央控制单元4的控制下，方波换向模块输出大小可调的直流电源，并可分时正负双向切换输出，以提供井下电机和直流发射下的大功率电流。通过DSP中央控制单元4的汇编软件数字延迟技术，设置大功率阶梯方波信号的上升沿和下降沿的时间满足在5ms至20ms之间，可以有效减少上升沿和下降沿的电缆感性负载脉冲尖峰的干扰。方波反馈调整环节9满足输出电源的稳定度≤1％，时钟及232接口5是DSP中央控制单元4正常工作必须的外部电路。继电器控制驱动模块12用于驱动第一双刀双掷继电器13和第二双刀双掷继电器14，第一双刀双掷继电器13的K1、K2常闭触头连通正弦大功率输出分别至模式变压器15的4、6中心抽头5和7、9中心抽头8，完成井下仪器刻度发射功能；当第一双刀双掷继电器13的K1、K2连接常开触头时，此时K1的1和2连通，接地面回路电极G，K2的1和2连接，将输出正极连接到4、6中心抽头5和7、9中心抽头8，实现四芯电缆芯2、芯6、芯3、芯5并联的双幻象供电，发射回路的电阻减小到原来的四分之一即50Ω，完成井下测井发射功能；第二双刀双掷继电器14的K3、K4常开触头连接方波大功率输出到井下交流供电电源变压器16的3、5中心抽头4和缆芯10外皮，实现幻象供电，提供井下液压直流电机的驱动供电。第二双刀双掷继电器14的K3、K4常闭触头用于关断井下电机。继电器控制驱动模块12是由DSP中央控制单元4控制完成设计的功能。
附图2是DDS高精度信号合成硬件结构示意图。
DDS信号合成模块3是由同步时钟信号17，相位累加器20，相位幅度转换器21，波形存储ROM 22，D/A转换器18，低通滤波器19,输出隔离缓冲器23，DSP控制信号24,频率控制字信号25等组成。在DSP控制信号24、频率控制字信号25和同步时钟信号17的协同作用下，提供相位累加器20同步信号、频率设置和串行数据，相位累加器20的输出经过相位幅度转换器21，提供不同相位的采样正弦离散信号，波形存储ROM 22存储转换后的离散信号，采样离散信号经过D/A转换器18后，把合成的正弦波离散数字量转换成模拟量，再经低通滤波器19,输出隔离缓冲器23，得到所需的DDS模拟输出信号。直接数字频率合成用一连串数据流经过数模转换器产生出一个预先设定的模拟信号。实现了信号的频率转换速度与频率准确度之间的统一。模拟输出信号具有相位变换连续、频率稳定等特点。

Claims (8)

1.一种基于DDS的大功率信号发射控制方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)、输入交流电压经EMC电磁干扰抑制后，送入PFC功率因素校正模块(1)进行功率因素校正，矫正完成后经直流隔离供电电路进行整流、滤波、振荡、隔离、再整流、滤波形成直流开关电源输出，为D类高频放大模块(7)、DSP中央控制单元(4)和方波换向模块(6)供电；
(2)、在DSP中央控制单元(4)的控制下，正弦反馈和方波反馈双路闭环反馈控制环节，分别产生用于刻度和测井发射的低频大功率信号；
在DSP中央控制单元(4)的控制下，DDS信号合成模块(3)产生DDS信号源,然后通过D类高频放大模块(7)、低通滤波输出驱动模块(11)形成大功率输出至第一双刀双掷继电器(13)，低通滤波输出驱动模块(11)通过正弦反馈调整环节(8)与DSP中央控制单元(4)连接；
与此同时，在DSP中央控制单元(4)的控制下，方波换向模块(6)输出大小可调的直流电源，电流经方波隔离输出驱动模块(10)分时正负双向切换输出与第二双刀双掷继电器(14)连接，以提供井下电机和直流发射下的大功率电流，方波隔离输出驱动模块(10)还通过方波反馈调整环节(9)与DSP中央控制单元(4)连接；
(3)、在DSP中央控制单元(4)的控制下，继电器控制驱动模块(12)驱动第一双刀双掷继电器(13)、第二双刀双掷继电器(14)分别完成幻象供电，提供井下液压直流电机的驱动供电及实现井下仪器的刻度发射和测井发射。
2.根据权利要求1所述的基于DDS的大功率信号发射控制方法，其特征在于：所述步骤(3)继电器控制驱动模块(12)驱动第一双刀双掷继电器(13)和第二双刀双掷继电器(14)工作，第一双刀双掷继电器(13)的K1、K2常闭触头连通正弦大功率输出分别至模式变压器(15)二次侧抽头4、6的中心抽头5和二次侧抽头7、9的中心抽头8，完成井下仪器刻度发射功能；第二双刀双掷继电器(14)的K3、K4常开触头连接方波大功率输出到井下交流供电电源变压器(16)二次侧抽头3、5的中心抽头4和缆芯10的外皮，实现幻象供电，提供井下液压直流电机的驱动供电；第二双刀双掷继电器(14)的K3、K4常闭触头用于关断井下电机。
3.根据权利要求1所述的基于DDS的大功率信号发射控制方法，其特征在于：所述数字拟合正弦波由DSP控制处理单元数字正弦驱动信号合成模块来完成，数字正弦波驱动信号拟合完成后，经电路处理产生用于驱动D类高频放大模块(7)的高频信号。
4.根据权利要求1所述的基于DDS的大功率信号发射控制方法，其特征在于：所述D类高频放大模块(7)输出为400V左右的高压正弦调制脉冲，采用LC低通滤波器输出驱动，滤出所需的低频正弦信号。
5.根据权利要求1所述的基于DDS的大功率信号发射控制方法，其特征在于：所述步骤(1)输入交流180V～250V电压经EMC电磁干扰抑制后，送入PFC功率因素校正模块(1)进行功率因素校正，发射信号峰值功率为4000W，功率因数PFC矫正模块矫正完成后功率因数＞95％；之后经4000W直流隔离供电电路，通过整流、滤波、振荡、隔离、再整流、滤波形成电压为400V，额定电流为9A的直流开关电源输出。
6.根据权利要求1所述的基于DDS的大功率信号发射控制方法，其特征在于：所述DDS信号合成模块(3)产生DDS信号源，其正弦波形失真度≤3％，低频率信号频率范围在0.1-10Hz，通过D类高频放大模块(7)、低通滤波输出驱动模块和正弦反馈调整环节，形成基准频率稳定度为±30ppm的大功率输出。
7.根据权利要求1所述的基于DDS的大功率信号发射控制方法，其特征在于：所述大功率阶梯方波信号的上升沿和下降沿的时间满足在5ms至20ms之间，方波反馈调整环节满足输出电源的稳定度≤1％。
8.根据权利要求1所述的基于DDS的大功率信号发射控制方法，其特征在于：所述D类高频放大模块(7)采用数字合成的高频驱动脉冲，基准频率100MHz，载波频率为20kHz～5031kHz；在输出正弦信号频率发生变化时，数字拟合的正弦波的点数固定不变，1Hz正弦波时采用20kHz为载波，10Hz正弦波时采用50kHz为载波，拟合形成的正弦波失真度在3％以下。
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