CN106681415A - 一种低频双路交流恒流源装置 - Google Patents

一种低频双路交流恒流源装置 Download PDF

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Abstract

一种低频双路交流恒流源装置，包括供电单元、上位机控制单元、单片机控制单元、执行电路单元、电源输出单元、采样反馈单元。供电单元分别连接上位机控制单元、单片机控制单元、执行电路单元。上位机控制单元连接单片机控制单元，单片机控制单元连接执行电路单元，执行电路单元连接电源输出单元。电源输出单元通过采样反馈单元连接单片机控制单元。本发明一种低频双路交流恒流源装置，用于产生低频正交磁场的大功率、高精度、相位差可调的低频双路交流恒流源。该装置能够实现幅值、频率、相位多个参数同时调节，并能够实现高精度、大功率的两路正交电流的恒流源的同时输出。

Description

一种低频双路交流恒流源装置
技术领域
本发明涉及计量领域，具体说是涉及一种用于产生低频正交磁场的大功率、高精度、相位差可调的低频双路交流恒流源装置。
背景技术
目前恒流源已经广泛的应用于计量、光电、医疗、通讯等领域。恒流源的实质是利用器件对电流进行反馈，动态调节设备的供电状态，从而使得电流趋于恒定，只要能够得到电流，就可以有效形成反馈，从而建立恒流源。
就目前而言，现有技术中恒流源主要分直流恒流源和交流恒流源两大类：现有的直流恒流产生技术非常成熟，已经具有商业化产品，且电流输出相对精度可达100ppm，但是不满足交流磁场产生的要求；就交流横流源而言，虽然相关产品能够用于产生交流磁场，但具有如下问题：一是由于带宽限制，现有所有产品输出电流的频率往往在20Hz以上；二是现有交流信号源往往为单路输出，即使使用两台信号源联合使用的方式，也无法对信号源的频率、相位差与两路输出电流大小三个参数同时进行调节，部分交流横流源可以实现双路输出，但是没有相位调整功能；三是部分产品满足前面两个条件，但是其输出最大电流只有100mA，无法产生大电流输出信号。
基于低频正交恒弱磁场标准装置的需求，结合目前尚无满足需求的产品，即尚无同时满足如下条件：①、两路电流输出，输出电流范围为0.1mA-1A，每一路电流的输出最小分辨率为0.1mA；②、两路输出电流的频率范围为1 Hz -100Hz，每一路电流的频率调节分辨率为0.1Hz；③、两路输出相位调节范围0°-360°，相位的调节分辨率为0.1°。
发明内容
有鉴于此，针对传统的恒流源不能满足计量领域于产生低频正交磁场的大功率、高精度要求的问题，和不能实现三个参数可调或者调节精度低、范围小的问题、输出通道单一、电源适用范围小的问题。本发明提供一种低频双路交流恒流源装置，用于产生低频正交磁场的大功率、高精度、相位差可调的低频双路交流恒流源。该装置能够实现幅值、频率、相位多个参数同时调节，并能够实现高精度、大功率的两路正交电流的恒流源的同时输出。
本发明采取的技术方案为；
一种低频双路交流恒流源装置，包括供电单元、上位机控制单元、单片机控制单元、执行电路单元、电源输出单元、采样反馈单元。供电单元分别连接上位机控制单元、单片机控制单元、执行电路单元。上位机控制单元连接单片机控制单元，单片机控制单元连接执行电路单元，执行电路单元连接电源输出单元。电源输出单元通过采样反馈单元连接单片机控制单元。
所述供电单元包括市电交流供电输入端口，接入工频交流电，经开关电源给上位机控制单元、执行电路单元提供电源并供电。
所述上位机控制单元，包括工控机模块，工控机模块外接USB端口，用于对输出参数进行设置；工控机模块外接显示输出端口，用于提供可视化的控制平台并将反馈的跟踪信号动态显示。
所述单片机控制单元，用于控制DDS合成所需频率的两路正交正弦函数信号，调节输出电流的增益，并且对反馈的信号进行处理及控制。
所述执行电路单元包括滤波电路模块、功率放大器模块、继电器切换开关模块；
滤波电路模块，用于将输出的信号进行滤波处理；
功率放大器模块，用于将输入信号放大到设定值所述的电源功率电流；
继电器切换开关模块，用于切换大电流输出和小电流输出的两种模式。
所述电源输出单元，包括两路正交的交流电源的外接电源端口，第一路为正弦外部电源端口，第二路为余弦外部电源端口，电源输出单元同步输出两路正交的恒定电流，两路输出接感性线圈的负载。
所述采样反馈单元，包括两组取样电，针对大电流和小电流的两种模式串接不同阻值的取样电阻，将输出的电源信号的特征信息采集，将采集的参数反馈给单片机控制单元A003进行输出调节。
本发明一种低频双路交流恒流源装置，技术效果如下：
1、两路电流输出，输出电流范围为0.1mA-1A，每一路电流的输出最小分辨率达到0.1mA。
2、两路输出电流的频率范围为1 Hz -100Hz，每一路电流的频率调节分辨率达到0.1Hz。
3、两路输出相位调节范围为0°-360°，相位的调节分辨率达到0.1°。
4、两路输出电流的调节速度快，在1s-5s的响应时间的平稳调节最终达到锁定状态，在锁定状态下稳定的输出两路恒流源。
附图说明
图1为本发明正交交流恒流源模块方框图。
图2为本发明正交交流恒流源模块电路框图。
具体实施方式
如图1所示，一种低频双路交流恒流源装置，包括供电单元A001、上位机控制单元A002、单片机控制单元A003、执行电路单元A004、电源输出单元A005、采样反馈单元A006。
供电单元A001分别连接上位机控制单元A002、单片机控制单元A003、执行电路单元A004。
上位机控制单元A002连接单片机控制单元A003，单片机控制单元A003连接执行电路单元A004，执行电路单元A004连接电源输出单元A005。电源输出单元A005通过采样反馈单元A006连接单片机控制单元A003。
所述供电单元A001包括市电交流供电输入端口，接入工频交流电，经开关电源给上位机控制单元A002、执行电路单元A004提供电源并供电。
所述上位机控制单元A002，包括工控机模块，工控机模块外接USB端口，用于对输出参数进行设置；工控机模块外接显示输出端口，用于提供可视化的控制平台并将反馈的跟踪信号动态显示。
所述单片机控制单元A003，用于控制DDS合成所需频率的两路正交正弦函数信号，调节输出电流的增益，并且对反馈的信号进行处理及控制。
所述执行电路单元A004包括滤波电路模块、功率放大器模块、继电器切换开关模块；
滤波电路模块，用于将输出的信号进行滤波处理；
功率放大器模块，用于将输入信号放大到设定值所述的电源功率电流；
继电器切换开关模块，用于切换大电流输出和小电流输出的两种模式。
所述电源输出单元A005，包括两路正交的交流电源的外接电源端口，第一路为正弦外部电源端口，第二路为余弦外部电源端口，电源输出单元A005同步输出两路正交的恒定电流，两路输出接感性线圈的负载。
所述采样反馈单元A006，包括两组取样电，针对大电流和小电流的两种模式串接不同阻值的取样电阻，将输出的电源信号的特征信息采集，将采集的参数反馈给单片机控制单元A003进行输出调节。
一种低频双路交流恒流源调节输出方法，包括以下步骤：
第一步，由上位机控制单元A002对电源的频率，幅值，相位参数进行设置。
第二步，由单片机控制单元A003采用DDS技术合成设定的频率和相位的设定值，并通过DAC控制电流输出的增益控制输出的电流幅值，最终实现了电源装置的三个参数可调。
第三步，由执行电路单元A004的功率放大器对单片机控制单元A003的信号进行放大处理，然后对放大的电流信号进行滤波处理，最后经继电器切换开关模块，根据输出的电流的大小切换响相应的输出电路。
第四步，由电源输出单元A005将两路正交恒定电流经第一路、第二路输出到感性负载。
第五步，由感性负载产生所需的正交的磁场，并用于下一步计量工作。
第六步，由采样反馈单元A006的采样电阻采集输出端的电源特征信号，反馈给单片机控制单元A003进行准确的控制，直到输出达到设定精度以内并成功锁定。
第七步，由上位机控制单元A002的外接的显示器，将调节的动态过程直观的显示，并最终显示锁定状态。
具体实施步骤如图2所示：
（1）、在上位机控制单元A002将参数完成设定并将参数传给单片机控制单元A003。
（2）、用STM32F207单片机B001的32位定时器T2，利用DDS芯片B002产生两路指定频率的正交信号，可实现分辨率0.1hz高精度可调。通过调整DDS的起始点，可以调节相位到预期值。
（3）、由DDS芯片B002输出的两路信号，通过24位高精度DAC模块B008控制VGA模块B0003（电压控制增益），通过调节功率放大器输入电压的来间接调节输出端的增益，从而实现输出功率调节，最大输出电流为1.5A，调节电流分辨率可达0.1mA。
（4）放大的电流经过滤波处理器B004，滤波处理器B004滤除电路噪声，进一步的优化了输出恒流源的电流质量。
（5）选择开关部分：能根据设置电流的大小选择对应的输出电路，所述的选择开关部分由通断不同继电器组的方式选择输出电路。
（6）由输出电路B005接入两路交流电流经过感性线圈即产生一组磁场。通过反馈调节将频率、幅值、相位调节一致，最终输出一组正交交流恒流源，经过感性线圈B006就得到了弱磁计量所需要的正交的磁场。
（7）采样反馈环节通过反馈调节使输出参数达到要求的精度，所述的采集部分由高精度取样电阻串入回路，获取电流特征信号，放大后用24位高精度AD模块B009采集，反馈到单片机控制单元A003。取样电阻B007是不同阻值的电阻构成的两组取样电阻，当大电流输出时串联10欧的取样电阻，小电流的时候输出串联1欧的取样电阻。选择不同的电阻由继电器组的通断来实现，此处的继电器和（5）中的继电器同步动作。
（8）调节过程：采取的控制方式是PID的调节方式，可以很快的达到调节预期值，输出电流的幅值调节，由控制器直接给定一个接近设定值的初始值，然后再反复运算和比较逼近到设定值，当满足精度要求时锁定，可以大大提高了调节响应速度；相位偏差调节，将该偏差信号送入单片机进行脉宽测量，由控制器直接给定一个接近设定值的初始值，然后再根据测量结果反复比较和反复运算逼近到设定值，当满足精度要求时锁定。
（9）在装置进行以上工作的同时，将调节的动态信息传送到显示器直观显示。
（10）经过反馈环节精确的控制，直到输出达到设定精度以内并成功锁定。在锁定状态下稳定的输出两路恒流源。

Claims (9)

1.一种低频双路交流恒流源装置，包括供电单元（A001）、上位机控制单元（A002）、单片机控制单元（A003）、执行电路单元（A004）、电源输出单元（A005）、采样反馈单元（A006）；其特征在于：供电单元（A001）分别连接上位机控制单元（A002）、单片机控制单元（A003）、执行电路单元（A004）；上位机控制单元（A002）连接单片机控制单元（A003），单片机控制单元（A003）连接执行电路单元（A004），执行电路单元（A004）连接电源输出单元（A005）；电源输出单元（A005）通过采样反馈单元（A006）连接单片机控制单元（A003）。
2.根据权利要求1所述一种低频双路交流恒流源装置，其特征在于：所述供电单元（A001）包括市电交流供电输入端口，接入工频交流电，经开关电源给上位机控制单元（A002）、执行电路单元（A004）提供电源并供电。
3.根据权利要求1所述一种低频双路交流恒流源装置，其特征在于：所述上位机控制单元（A002），包括工控机模块，工控机模块外接USB端口，用于对输出参数进行设置；工控机模块外接显示输出端口，用于提供可视化的控制平台并将反馈的跟踪信号动态显示。
4.根据权利要求1所述一种低频双路交流恒流源装置，其特征在于：所述单片机控制单元（A003），用于控制DDS合成所需频率的两路正交正弦函数信号，调节输出电流的增益，并且对反馈的信号进行处理及控制。
5.根据权利要求1所述一种低频双路交流恒流源装置，其特征在于：所述执行电路单元（A004）包括滤波电路模块、功率放大器模块、继电器切换开关模块；滤波电路模块，用于将输出的信号进行滤波处理；功率放大器模块，用于将输入信号放大到设定值所述的电源功率电流；
继电器切换开关模块，用于切换大电流输出和小电流输出的两种模式。
6.根据权利要求1所述一种低频双路交流恒流源装置，其特征在于：所述电源输出单元（A005），包括两路正交的交流电源的外接电源端口，第一路为正弦外部电源端口，第二路为余弦外部电源端口，电源输出单元（A005）同步输出两路正交的恒定电流，两路输出接感性线圈的负载。
7.根据权利要求1所述一种低频双路交流恒流源装置，其特征在于：所述采样反馈单元（A006），包括两组取样电，针对大电流和小电流的两种模式串接不同阻值的取样电阻，将输出的电源信号的特征信息采集，将采集的参数反馈给单片机控制单元（A003）进行输出调节。
8.一种低频双路交流恒流源调节输出方法，其特征在于包括以下步骤：
第一步，由上位机控制单元（A002）对电源的频率，幅值，相位参数进行设置；
第二步，由单片机控制单元（A003）采用DDS技术合成设定的频率和相位的设定值，并通过DAC控制电流输出的增益控制输出的电流幅值，最终实现了电源装置的三个参数可调；
第三步，由执行电路单元（A004）的功率放大器对单片机控制单元（A003）的信号进行放大处理，然后对放大的电流信号进行滤波处理，最后经继电器切换开关模块，根据输出的电流的大小切换响相应的输出电路；
第四步，由电源输出单元（A005）将两路正交恒定电流经第一路、第二路输出到感性负载；
第五步，由感性负载产生所需的正交的磁场，并用于下一步计量工作。
9.第六步，由采样反馈单元（A006）的采样电阻采集输出端的电源特征信号，反馈给单片机控制单元（A003）进行准确的控制，直到输出达到设定精度以内并成功锁定；
第七步，由上位机控制单元（A002）的外接的显示器，将调节的动态过程直观的显示，并最终显示锁定状态。
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