CN109167517A - 基于磁通电抗器的稳流发射装置 - Google Patents

基于磁通电抗器的稳流发射装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于磁通电抗器的稳流发射装置，包括：H桥电路、磁通可控电抗器、负载天线电路、滤波电路、电压采样电路、电流采样电路、信号采样电路、DSP控制电路、时钟信号产生电路；所述H桥电路的输出端连接滤波电路的输入端，滤波电路的输出端与由负载天线电路与磁通可控电抗器相互串联构成的负载电路连接，H桥电路的输出端还同时与电压采样电路与电流采样电路的输入端连接，电压采样电路和电流采样电路的输出端与所述信号采样电路的输入端连接，所述信号采样电路与所述DSP控制电路的输入端连接，所述DSP控制电路的输出端与所述负载电路中的磁通可控电抗器连接形成反馈环路，达到了保证线圈发射信号的稳定的技术效果。

Description

基于磁通电抗器的稳流发射装置
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，尤其是涉及一种基于磁通电抗器的稳流发射装置。
背景技术
在以往的浅地表探测中，钻孔挖掘等传统机械方式应用广泛，但是这种方式不但需要大量人力，成本较高，同时目的性不强，很容易导致地表破坏，资源浪费等。现在，电磁探测方法基本已经取代传统的机械方式，此种方法通过接收处理由发射系统产生并经浅地表采集到的接收信号，来测量目标体的电磁参数以探测其构造和组成。目前主要的电磁探测方法有以下三种：
1、探地雷达，它的探测频率高，遇到地表凸起部分容易产生偏差，且在低阻区探测深度较浅；
2、时间域电磁法，它利用激励源在目标体中产生涡流，不同目标介质涡流大小不同，衰减曲线不同，但是发射与接收采集信号容易重叠，前期一次场信号干扰明显；
3、频率域电磁法，它的探测频率范围宽，探测系统可以扫频操作，其中发射系统向地下发射不同频率的连续的电磁波，通过解析接收天线的响应，来探测地下异常体。
目前，浅地表频率域电磁探测系统由发射系统、信号调理系统和数字系统组成，其中发射系统是整个系统能够正常运行的先决条件。在频率域电磁探测中，为了更好的对地下结构进行分析，通常需要发射频率范围达到300Hz-96kHz，根据公式分析可知，当发射频率不同，电压一定的情况下，电流的变化范围很大，这将导致高频探测的发射矩不足和低频探测的发射电流过大。前一种情况将导致探测效果严重降低，而后一种情况甚至导致天线烧毁。
针对上述问题，传统稳流技术是通过改变前端发射系统电源结构，通常加入Buck和全桥电路一起，利用PID方式调节Buck电路的占空比，进而改变电压，然而使用这种方法发射的信号稳定性较差。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于磁通电抗器的稳流发射装置，以缓解现有技术中存在的发射信号稳定性较差的技术问题。
第一方面，本发明实施例提供了一种基于磁通电抗器的稳流发射装置，包括：H桥电路、磁通可控电抗器、负载天线电路、滤波电路、电压采样电路、电流采样电路、信号采样电路和DSP控制电路；
所述H桥电路的输出端连接所述滤波电路的输入端，所述滤波电路的输出端与由所述负载天线电路与所述磁通可控电抗器相互串联构成的负载电路连接，所述H桥电路的输出端分别与所述电压采样电路的输入端以及所述电流采样电路的输入端连接，所述电压采样电路和所述电流采样电路的输出端与所述信号采样电路的输入端连接，所述信号采样电路与所述DSP控制电路的输入端连接，所述DSP控制电路的输出端与所述负载电路中的磁通可控电抗器连接形成反馈环路。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述稳流发射装置还包括：桥路驱动电路；
所述桥路驱动电路的输入端与所述DSP控制电路的输出端连接，所述桥路驱动电路的输出端分别与所述信号采样电路和所述H桥电路的输入端连接。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述稳流发射装置还包括：信号驱动电路；
所述DSP控制电路经过所述信号驱动电路与所述磁通可控电抗器连接。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述稳流发射装置还包括：时钟信号产生电路；
所述时钟信号产生电路的输出端与所述DSP控制电路的输入端连接，用于调整所述DSP控制电路的输入时钟。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，所述H桥电路包括：第一三极管、第二三极管、第三三极管和第四三极管；
工作时，位于对角的所述第一三极管和第三三极管同时导通，位于对角的第二三极管和第四三极管同时导通，第一三极管和第三三极管同时导通时电流方向与第二三极管和第四三极管同时导通时电流的方向相反。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，所述负载天线电路中包含两个发射线圈，两个所述发射线圈并联连接。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，所述磁通可控电抗器包括：初级线圈、次级线圈以及铁芯；
通过调整次级线圈的输入电流调整所述磁通可控电抗器的阻抗。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，所述滤波电路包括：LC无源带通滤波器。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中，所述LC无源滤波器包括级联的低通滤波器和高通滤波器。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第九种可能的实施方式，其中，所述高通滤波器采用T型滤波器，所述低通滤波器采用π型滤波器。
本发明实施例带来了以下有益效果：本发明实施例能够通过改变磁通可控电抗器二次侧输入电流的大小，来控制整个电抗器的阻抗大小，进而实现对电路整体进行电流调整；在磁通可控电抗器二次侧输入电流稳定在固定值时，可以使控制电流稳定在一个固定值，进而保证线圈发射信号的稳定，避免由电压改变引起的过激电流或者电流不足等现象。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一种稳流发射系统连接框图；
图2是本发明中滤波器的电路设计图；
图3是本发明中H桥电路原理图；
图4是本发明中磁通可控电抗器的原理图；
图5是本发明中负载天线电路的原理图；
图6是本发明中电压采样电路原理图；
图7是本发明中电流采样电路原理图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
传统稳流技术是通过改变前端发射系统电源结构，通常加入Buck和全桥电路一起，利用PID方式调节Buck电路的占空比，进而改变电压，然而使用这种方法发射的信号稳定性较差，基于此，本发明实施例提供的一种基于磁通电抗器的稳流发射装置，可以通过改变磁通可控电抗器二次侧输入电流的大小，来控制整个电抗器的阻抗大小，进而实现对电路整体进行电流调整；在磁通可控电抗器二次侧输入电流稳定在固定值时，可以使控制电流稳定在一个固定值，进而保证线圈发射信号的稳定，避免由电压改变引起的过激电流或者电流不足等现象。
为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种基于磁通电抗器的稳流发射装置进行详细介绍，如图1所示，所述基于磁通电抗器的稳流发射装置包括：H桥电路11、磁通可控电抗器12、负载天线电路13、滤波电路14、电压采样电路15、电流采样电路16、信号采样电路17和DSP控制电路18；
所述H桥电路11的输出端连接所述滤波电路14的输入端，所述滤波电路14的输出端与由所述负载天线电路13与所述磁通可控电抗器12相互串联构成的负载电路连接，所述H桥电路11的输出端分别与所述电压采样电路15的输入端以及所述电流采样电路16的输入端连接，所述电压采样电路15和所述电流采样电路16的输出端与所述信号采样电路17的输入端连接，所述信号采样电路17与所述DSP控制电路18的输入端连接，所述DSP控制电路18的输出端与所述负载电路中的磁通可控电抗器12连接形成反馈环路。
所述的负载电路为负载天线电路13和可控电抗器的串联电路，其中磁通可控电抗器12可稳流，当频率切换时，系统阻抗发生变化，为了使探测发射出的电磁波稳定，保持电流不变，磁通可控电抗器阻抗也进行调整，这样可以增强系统的稳定性，提升发射效果。
在本发明实施例中，如图5所示，所述负载天线电路13中包含两个发射线圈L4和L5，L4与R1串联，L5与R2串联，两个发射线圈所在的串联支路、电阻R及电容C并联连接，电阻R的两端为所述负载天线电路13的输入端。根据线圈发射效率公式：
其中Rr为辐射电阻，RL为损耗电阻，由公式可知我们在增加辐射电阻并减小损耗电阻的同时，可以有效提高线圈的发射效率。故发射线圈采用两线圈并联方式，在增加其发射面积的同时又减少了电感值，降低了发射的损耗。
所述的磁通可控电抗器12的电抗值采用DSP双参数电流和电压值共同控制。如图4所示，磁通可控电抗器12主要由初级线圈(图4中主绕组)、次级线圈(图4中控制绕组)以及铁芯(图4中主绕组和控制绕组所缠绕的矩形框)共同组成。与变压器类似，都是利用电磁感应原理，当初级线圈输入交变电流时，铁芯中就产生相应的交变磁通，进而次级线圈中产生感应电动势。从输入端看去，在不忽略自感和互感的情况下，推导出电抗器的阻抗公式：
根据公式可以发现，电抗器阻抗的大小主要是由参数α决定，而Z1和Zm是固定值，其中α是由二次侧接入电流值的大小决定，因此可以通过改变二次侧输入电流的大小，来控制整个电抗器的阻抗大小。
在本发明实施例中，所述滤波电路14包括：LC无源带通滤波器，所述LC无源滤波器包括级联的低通滤波器和高通滤波器，所述高通滤波器采用T型滤波器，所述低通滤波器采用π型滤波器。
所述的滤波电路14采用LC无源滤波器，由于滤波条件决定，需要一个带通滤波器能够同时滤除高频和低频杂波信号，因此可以将LC滤波器分为两个部分低通滤波器和高通滤波器。将两种滤波器级联之后将得到我们所需的带通滤波器。其中高通滤波器采用T型滤波器，低通滤波器采用π型滤波器，二者级联图如附图2所示。图2中，电感L1、电感L2和电容C1组成T型滤波器，电感L3、电容C2和电容C3组成π型滤波器，L1与H桥电路的输出端连接，C3与负载天线电路的输入端连接，其中，L1和L2的电感值为L3的二分之一，C2和C3的电容量为C1的二分之一，根据公式：
ωc为截止频率，根据实际需要选取合适的高通截止频率ωc1以及低通截止频率ωc2，选取适当的LC值，代入上述公式中与实际需要的截止频率相吻合，便可以完成滤波器的设计。
在本发明实施例中，所述磁通可控电抗器12包括：初级线圈、次级线圈以及铁芯；通过调整次级线圈的输入电流调整所述磁通可控电抗器12的阻抗。
在本发明实施例中，如图3所示，所述H桥电路11包括：第一三极管Q1、第二三极管Q2、第三三极管Q3和第四三极管Q4；所述第一三极管Q1和第三三极管Q2作为H桥的上桥臂，所述第二三极管Q3和所述第四三极管Q4作为H桥的下桥臂。
工作时，位于对角的所述第一三极管Q1和第三三极管Q3同时导通，位于对角的第二三极管Q2和第四三极管Q4同时导通，第一三极管Q1和第三三极管Q3同时导通时电流方向与第二三极管Q2和第四三极管Q4同时导通时电流的方向相反。当以频率f分别交替导通Q1和Q3，以及，Q2和Q4时就会在H桥负载两端产生周期为1/f的交流电压。图3中Q1与Q3中间端口和Q2与Q4中间端口即为H桥电路的输出端。
在实际应用中，所述的反馈环路由电压采样电路15、电流采样电路16、信号采样电路17、DSP控制电路18以及磁通可控电抗器12顺次连接组成。示例性的，如图6所示，电压采样电路包括：由电阻R31、电阻R32和电阻R33组成的串联电阻R3以及与串联电阻R3串联的电阻R4，另外如图6所示，还包括两个级联的二极管，两个二极管之间的节点与R3和R4之间的节点连接，两个二极管之间的节点所连接的端子DSP_AD1为所述电压采样电路的输出端，电阻R31上方的连接端子V0为电压采样电路的输入端。
示例性的，如图7所示，电流采样电路包括：电流电压传感器LTS-25NP，主电路中的电流由电流电压传感器LTS-25NP的IN管脚进入，测量得到的电流值由OUT输出，经过运算放大器LM2904的放大后输送给电流采样电路的输出端DSP_AD2，通过调节电阻R5、R6、R7和R8的阻值，可以调节LM2904的放大倍数。
电压采样电路15和电流采样电路16会对主电路中电流值和电压值进行采样，信号采用电路会将传感器的采样值转化成数字量，并发送至DSP控制电路18中，进而DSP程序会进行阈值的判断，进而改变电抗器二次侧接入电流的大小，改变二次侧的磁势，电抗器的整体阻抗值也会发生变化，由于负载电压不变，根据电流电压与负载的公式，在负载电压和整体阻抗不变的情况下可以保证主电路中电流值基本不变，利用DSP双参数控制磁通可调电抗器，可以提高控制精度。
当本发明工作时，将72V电压源的正负极接到H桥电路11的输入端两侧，DSP控制H桥开关管的通断，当电压输入时，DSP输出使能信号将Q1、Q3导通，Q2、Q4关闭，这样电流自Q1流向Q3，进入到下一个周期后，DSP使能信号输入到Q2、Q4将其导通，Q1、Q3关闭，电流自Q2流向Q4。根据其使能信号信号转换的频率，得到相应频率f的方波信号。
H桥电路11输出交流电压发送至滤波电路14，电流先经过T型高通滤波器，将低于频率f1的信号滤除，电流进一步经过π型低通滤波器，将高于频率f2的信号滤除，进一步得到频率在f1～f2之间的有用电流信号。
当得到除去噪声的滤波信号后，将滤后电压发送至负载天线电路13中，环形电感型天线受到激励向空间辐射电磁场进行探测。
电压采样电路15与电流采样电路16检测H桥输出的电流值和电压值，将电流信号和电压信号转化成模拟信号。
模拟信号经过信号采样电路17并被转化成数字量，数字信号发送至DSP控制电路18中。在DSP中，通过阈值判断的方法，根据实际的模拟信号值，在DSP中预先进行设定的阈值表中进行参数调取。
DSP中计算应该进行匹配的电感值，电感值的选取利用预先储存在DSP中的阈值表里，一定范围的电流和电压值对应着一个相应的电感值，在电流和电压值的数字量通过反馈环路发送到DSP后，DSP通过表格选取对应的电感值，根据电感值计算出实际的二次层电流后，可调电抗器调整的二次侧电流值。
DSP输出控制信号通过信号驱动电路调整可调电抗器二次侧输入的电流值。
本发明实施例能够通过改变磁通可控电抗器12二次侧输入电流的大小，来控制整个电抗器的阻抗大小，进而实现对电路整体进行电流调整；在磁通可控电抗器12二次侧输入电流稳定在固定值时，可以使控制电流稳定在一个固定值，进而保证线圈发射信号的稳定，避免由电压改变引起的过激电流或者电流不足等现象。
如图1所示，在本发明的又一实施例中，所述稳流发射装置还包括：桥路驱动电路19，由于开关管在导通时需要瞬间提供大电流，并在沟道开通后维持合适的栅源电压，如果用普通的控制芯片直接驱动，输出电流远远不够，输出电压也维持不了相对的稳定，因此需要驱动电路来维持开关管的导通；
所述桥路驱动电路19的输入端与所述DSP控制电路18的输出端连接，所述桥路驱动电路的输出端分别与所述信号采样电路17和所述H桥电路11的输入端连接。
如图1所示，所述稳流发射装置还包括：信号驱动电路20，同理上述的桥路驱动电路，DSP输出电流和电压难以达到磁通可控电抗器的输入电流电压要求，为了保证磁通可控电抗器的正常工作，需要将DSP输出的信号进行放大，因此设计了信号驱动电路；
所述DSP控制电路18经过所述信号驱动电路20与所述磁通可控电抗器12连接。
如图1所示，所述稳流发射装置还包括：时钟信号产生电路21；
所述时钟信号产生电路21的输出端与所述DSP控制电路18的输入端连接，用于调整所述DSP控制电路18的输入时钟，所述的时钟信号电路与DSP控制电路18相连接,进而控制电路中的时序。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统和装置的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于磁通电抗器的稳流发射装置，其特征在于，包括：H桥电路、磁通可控电抗器、负载天线电路、滤波电路、电压采样电路、电流采样电路、信号采样电路和DSP控制电路；
所述H桥电路的输出端连接所述滤波电路的输入端，所述滤波电路的输出端与由所述负载天线电路与所述磁通可控电抗器相互串联构成的负载电路连接，所述H桥电路的输出端分别与所述电压采样电路的输入端以及所述电流采样电路的输入端连接，所述电压采样电路和所述电流采样电路的输出端与所述信号采样电路的输入端连接，所述信号采样电路与所述DSP控制电路的输入端连接，所述DSP控制电路的输出端与所述负载电路中的磁通可控电抗器连接形成反馈环路。
2.根据权利要求1所述的基于磁通电抗器的稳流发射装置，其特征在于，所述稳流发射装置还包括：桥路驱动电路；
所述桥路驱动电路的输入端与所述DSP控制电路的输出端连接，所述桥路驱动电路的输出端分别与所述信号采样电路和所述H桥电路的输入端连接。
3.根据权利要求1所述的基于磁通电抗器的稳流发射装置，其特征在于，所述稳流发射装置还包括：信号驱动电路；
所述DSP控制电路经过所述信号驱动电路与所述磁通可控电抗器连接。
4.根据权利要求1所述的基于磁通电抗器的稳流发射装置，其特征在于，所述稳流发射装置还包括：时钟信号产生电路；
所述时钟信号产生电路的输出端与所述DSP控制电路的输入端连接，用于调整所述DSP控制电路的输入时钟。
5.根据权利要求1所述的基于磁通电抗器的稳流发射装置，其特征在于，所述H桥电路包括：第一三极管、第二三极管、第三三极管和第四三极管；
工作时，位于对角的所述第一三极管和第三三极管同时导通，位于对角的第二三极管和第四三极管同时导通，第一三极管和第三三极管同时导通时电流方向与第二三极管和第四三极管同时导通时电流的方向相反。
6.根据权利要求1所述的基于磁通电抗器的稳流发射装置，其特征在于，所述负载天线电路中包含两个发射线圈，两个所述发射线圈并联连接。
7.根据权利要求1所述的基于磁通电抗器的稳流发射装置，其特征在于，所述磁通可控电抗器包括：初级线圈、次级线圈以及铁芯；
通过调整次级线圈的输入电流调整所述磁通可控电抗器的阻抗。
8.根据权利要求1所述的基于磁通电抗器的稳流发射装置，其特征在于，所述滤波电路包括：LC无源带通滤波器。
9.根据权利要求8所述的基于磁通电抗器的稳流发射装置，其特征在于，所述LC无源滤波器包括级联的低通滤波器和高通滤波器。
10.根据权利要求9所述的基于磁通电抗器的稳流发射装置，其特征在于，所述高通滤波器采用T型滤波器，所述低通滤波器采用π型滤波器。
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