CN111417859A - 负载阻抗测试器及测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种阻抗测量电路包括信号注入器，信号注入器具有电压输入和电压输出、可控开关以及在电压输入和电压输出之间与可控开关并联连接的电压降装置。电压输出被连接到负载。电压传感器被构造成测量负载两端的电压。电流传感器被构造成测量负载的引出电流。计算装置被构造成基于测得的电压和测得的电流确定负载在一频率处的阻抗。计算装置基于该频率控制开关。
Description
技术领域
本公开一般地涉及阻抗测试，并且更具体地涉及用于确定负载的阻抗的电路。
关于联邦赞助的研究或开发的声明
本发明是在NASA授予的NNC16CA21C合同号码下利用政府支持完成的。政府对本发明享有一定权利。
背景技术
某些电负载（例如等离子体推进器等）是至少部分地基于该负载的测得的阻抗来校准和控制的。对于等离子体推进器的例子，现有系统已经试图通过将电流从功率放大器注入到电负载中并测量负载特性的变化来确定阻抗。等离子体推进器和表现出类似特性的其它负载可产生包括大电流波动的引出电流（current draw）。大电流波动被称为呼吸模式电流（breathing mode current），并且通常以几kHz到几十kHz的速率发生。
当使用串联注入变压器执行电流注入时，需要对应的功率放大器来处理呼吸模式电流，该呼吸模式电流的幅度可能使功率放大器过载。此外，在一些示例中，注入变压器自身的漏电感可产生对于等离子体以稳定方式操作而言过多的阻抗，从而导致等离子体推进器的不良阻抗读数。
替代的示例已经尝试使用并联注入变压器来确定阻抗，其中，电流扰动通过电容器被注入。在这种构造中，呼吸模式电流减小，但是对应的电源的低阻抗吸收了来自放大器的注入的电流，从而导致不能准确测量等离子体推进器的阻抗。
发明内容
在一个示例性实施例中，一种阻抗测量电路包括信号注入器、电压传感器、电流传感器和计算装置，信号注入器具有电压输入和电压输出、可控开关以及在电压输入和电压输出之间与可控开关并联连接的电压降装置，电压输出被连接到负载，电压传感器被构造成测量负载两端的电压，电流传感器被构造成测量负载的引出电流，并且计算装置被构造成确定负载在一频率处的阻抗，其中，阻抗基于测得的电压和测得的电流，计算装置基于该频率控制开关。
在上述阻抗测量电路的另一个示例中，电压降装置包括二极管。
在上述阻抗测量电路中的任一个的另一示例中，信号注入器还包括至少一个电压降装置和开关，至少一个电压降装置将电压输入连接到电压输出，开关被并联连接到至少一个电压降装置，使得电压降装置在开关闭合时被短路。
上述阻抗测量电路中的任一个的另一示例还包括门驱动器，门驱动器被连接到开关的控制输入。
在上述阻抗测量电路中的任一个的另一示例中，至少一个电压降装置是多个电压降装置。
在上述阻抗测量电路中的任一个的另一示例中，多个电压降装置包括多个串联连接的二极管。
在上述阻抗测量电路中的任一个的另一示例中，多个串联连接的二极管近似相同。
在上述阻抗测量电路中的任一个的另一示例中，多个串联连接的二极管包括至少两组实质不同的二极管。
在上述阻抗测量电路中的任一个的另一示例中，至少一个电压降装置两端的电压降是电压输出处的预期电压的至多百分之三。
在上述阻抗测量电路中的任一个的另一示例中，至少一个电压降装置两端的电压降在电压输出处的预期电压的百分之一和百分之三之间。
在上述阻抗测量电路中的任一个的另一示例中，负载是等离子体推进器。
在上述阻抗测量电路中的任一个的另一示例中，电压输入被连接到恒压源（stiffvoltage source）。
一种用于确定负载的阻抗的示例性方法包括：从电压源向负载提供电压；将近似方波扰动注入到电压中；测量负载的引出电流和负载两端的电压；以及将测量结果提供给计算装置；使用计算装置分析负载两端的电压和负载的引出电流，并且由此确定负载的阻抗。
在上述用于确定负载的阻抗的示例性方法的另一示例中，分析负载两端的电压和负载的引出电流包括确定电压的基波分量除以引出电流的基波分量的比率。
在上述用于确定负载的阻抗的示例性方法中的任一个的另一示例中，计算装置使用傅里叶变换从所分析的电压提取电压的基波分量。
在上述用于确定负载的阻抗的示例性方法中的任一个的另一示例中，计算装置使用傅里叶变换从所分析的引出电流提取电流的基波分量。
在上述用于确定负载的阻抗的示例性方法中的任一个的另一示例中，将近似方波扰动注入到电压中包括在使电压通过电压降装置和绕过电压降装置之间交替，该交替以设定频率发生。
在上述用于确定负载的阻抗的示例性方法中的任一个的另一示例中，使电压通过电压降装置包括使电压通过多个串联连接的二极管。
在上述用于确定负载的阻抗的示例性方法中的任一个的另一示例中，在使电压通过电压降装置和绕过电压降装置之间交替包括使开关在打开状态和闭合状态之间交替，并且其中，开关在处于闭合状态时完成围绕电压降装置的短路路径。
从下面的说明和附图中可以最好地理解本发明的这些和其它特征，其后是简要说明。
附图说明
图1示出了包括负载和负载阻抗测试器的示例性电路。
图2示意性地示出了用于图1的示例中的示例性信号注入器。
图3示意性地示出了例如可以用作图2的信号注入器的详细的示例信号注入器。
图4示意性地示出了示例性阻抗分析器。
具体实施方式
图1示意性地示出了电路100，电路100包括负载110和用于确定负载110的阻抗的负载阻抗测试器120。被包括在阻抗测试器120内的是电压源130。电压源130向负载110提供操作电压。如对于某些类型的负载110（例如等离子体推进器）而言是必要的，电压源130是恒压源。如本文所使用的，恒压源指的是如下情况的电压源，其中，尽管从电压源引出的电流存在实质变化，输出电压仍然具有最小的电压波动。
被连接在电压源130和负载110之间的是信号注入器122。信号注入器122以近似方波的信号周期性地将电压源130提供的电压从第一电压电平切换到第二电压电平。如本文所使用的，近似方波指的是表现出与方波的实质相似性的任何信号。在一些示例中，这样的信号是比替代的标准波形更接近地类似于方波的周期性信号。电压传感器124定位成跨过负载110，并确定负载110两端的电压。电流传感器126被构造成测量负载110在负载110的输入处的引出电流。电流传感器126和电压传感器124二者可以是任何常规的电流传感器构造和电压传感器构造。
传感器124、126中的每一个将感测值提供给计算装置128，例如网络分析器。在所示的示例中，计算装置128包括连接到信号注入器122的控制输出132。控制输出132控制信号注入器122的高/低电压状态，从而产生近似方波信号注入。在替代示例中，替代的电压源140可以被连接到信号注入器122并且提供相同的功能。
可以通过在电压源（例如电压源130）的输出电压上注入周期性扰动并且测量所得到的电流扰动，来测量多种负载类型的阻抗。如上所述，现有系统通常采用注入变压器，其具有被连接在电压源130和负载110之间的次级绕组。某些负载类型（例如等离子体推进器）使得采用注入变压器的扰动系统不可靠。
为了在操作期间可靠地产生与等离子体推进器或类似负载110有关的扰动，阻抗测试器120从电压源130输出恒定电压，并且信号注入器122周期性地从高电压交替到低电压，从而在驱动负载110的电压信号上施加近似方波扰动。在一个示例中，近似方波扰动具有比从电压源130输出的驱动电压小至少两个数量级的尺度。作为示例，如果从电压源130输出的驱动电压是500V，则示例性扰动幅度可以是大约5V。经扰动的电压然后被提供给负载110。
计算装置128使用传感器124、126分析负载110两端的电压和负载110的引出电流，并且基于感测的值确定负载110的阻抗。在特定操作频率下的阻抗等于电压的基波分量除以电流的基波分量的比率。该值通常以欧姆（Ω）为单位被表示为幅度和相位角，或者被表示为具有实部和虚部的复量。计算装置128使用傅立叶变换以数学方式分析由传感器124、126检测到的电压和电流信号的波形，以提取基波分量。然后，将基波分量相除以确定上述比率。
所感测的电压和电流信号包含在扰动频率的整数倍的谐波频率处的谐波分量，因为信号注入器122产生具有实质方波波形的扰动电压。在替代示例中，对于除了基频之外的频率，计算装置可以使用测得的电压和电流的傅里叶变换分量来确定谐波频率处的负载阻抗，这是通过将谐波频率处的电压和电流分量相除以获得该谐波频率处的阻抗来实现的。
在一些另外的示例中，在来自传感器124、126的电压和电流信号被分析之前，可以使用具有匹配特性的双通道低通滤波器对来自传感器124、126的电压和电流信号进行滤波，以增加结果的准确度。如果由传感器124、126产生的电压和电流波形包括大量的电子噪声，则这样的滤波是特别期望的，并且这样的滤波可以经由计算装置128处的输入滤波器来实现。
继续参考图1，图2示意性地示出了根据第一示例的示例性信号注入器122。信号注入器122包括输入节点210，输入节点210被构造成连接到恒压源130。输出节点220被构造成连接到负载110。被串联连接在输入节点210和输出节点220之间的是电压降装置230。电压降装置230可以是生成相对于恒压源130的输出电压而言相对小的电压降的任何电装置。作为示例，在一些示例中，相对小的电压降可以是输出电压的至多百分之三。在其它示例中，相对小的电压降可以在输出电压的百分之一和百分之三之间。在一些示例中，电压降装置230是独立于经过电压降装置230的电流而提供相对恒定的电压降低的装置。
与电压降装置230并联的是电开关240。电开关240被构造成至少在打开状态和闭合状态下操作。当处于打开状态时，包括电开关240的并联电路路径242被断开，并且来自电压源130的电压通过电压降装置230，从而导致输出节点220处的电压降低。当电开关240处于闭合状态时，并联电路路径242导电，并且电压降装置230被短路。
电开关240包括被连接到计算装置128的控制输入244，其中，控制输入244处的电压决定了电开关240的打开/闭合状态。通过以已知频率使电开关240在打开状态和闭合状态之间循环，在输出节点220处产生电压，而近似方波扰动被添加到来自电压源130的驱动电压。由于近似方波的频率由计算装置128的输出信号直接控制，所以计算装置128基于所感测的电压和电流来确定所连接的负载110在该频率下的阻抗。
进一步参考图2，图3的示例中示出了一个具体的示例性信号注入器122，在该具体示例中，电压降装置230是串联连接的一串二极管232。当负载电流流过二极管232时，每个二极管232在二极管232两端产生相对恒定的电压降。通过串联放置二极管232，在电压降装置230两端引入小的、受控的电压降。此外，与电阻器相比，每个二极管232两端的电压降相对独立于通过二极管232的电流，而对于电阻器而言，电阻器两端的电压与通过电阻器的电流成比例。为此，在一些实施例中，二极管232和类似的电子器件特别适合于电压降装置230。
在替代示例中，电阻器可以用于实现电压降装置230。在这样的示例中，电阻可能需要调整以适应各种水平的负载电流，并且电阻将在值上保持适当小以确保负载的稳定性。
在图3的所示实施例中，每个二极管232近似相同。如本文所使用，大致相同指的是二极管232具有相同规格，并且可允许由于制造差异而引起的一些微小差异。在替代示例中，二极管232可以变化以在电压降装置230两端生成特定的期望电压降。MOSFET 246被连接到控制输入244，并由计算装置128控制，以作为开关240操作。
继续参考图1-3，图4示意性地示出了示例性计算装置300，例如图1中示出的计算装置128。示例性计算装置300包括输入302，输入302被构造成分别从电压传感器124和电流传感器126接收所感测的电压和电流。输入302中的每一个被连接到滤波器310。在一个示例中，滤波器310包括具有匹配特性的一对双通道低通滤波器。经滤波的传感器信号被提供给处理器320和存储器322。存储器322存储指令，该指令用于使处理器320根据任何已知的信号分析技术来分析传感器信号并且由此基于来自输入302的信号确定所连接的负载的阻抗。
还被包括被连接到计算装置300的是门驱动器电路330。在所示的示例中，门驱动器电路330在计算装置300的外部，并且提供计算装置300和电压降装置122之间的电压隔离。门驱动器电路330被连接到处理器320，并且输出门控制信号332。门控制信号332的值由处理器320控制，并且控制开关240的开/关状态，如图2和图3所示。在图3的示例中，因为门控制信号322是由计算装置300生成的，所以处理器320固有地知道方波注入的频率。在方波注入是源自于另一来源（例如，替代的电压源140）的替代示例中，可以向处理器320提供附加的输入，从而便于分析。
虽然上面在确定等离子体推进器的阻抗的背景下进行了描述和说明，但是应当理解，上述方法和装置可以用于检测任何类型的负载的阻抗，并且不限于等离子体推进器负载或包括等离子体推进器的负载。
还应当理解，任何上述概念可以单独使用或者与任何或所有其它上述概念组合使用。尽管已经公开了本发明的实施例，但是本领域的普通技术人员可认识到的是某些修改会落入本发明的范围内。为此，应当研究所附权利要求以确定本发明的真实范围和内容。
Claims (19)
1.一种阻抗测量电路，包括：
信号注入器，所述信号注入器具有电压输入和电压输出、可控开关以及在所述电压输入和所述电压输出之间与所述可控开关并联连接的电压降装置，所述电压输出被连接到负载；
电压传感器，所述电压传感器被构造成测量所述负载两端的电压；
电流传感器，所述电流传感器被构造成测量所述负载的引出电流；以及
计算装置，所述计算装置被构造成确定所述负载在一频率处的阻抗，其中，所述阻抗基于测得的电压和测得的电流，所述计算装置基于所述频率控制所述开关。
2.如权利要求1所述的阻抗测量电路，其中，所述电压降装置包括二极管。
3.如权利要求1所述的阻抗测量电路，其中，所述信号注入器还包括至少一个电压降装置和开关，所述至少一个电压降装置将所述电压输入连接到所述电压输出，所述开关被并联连接到所述至少一个电压降装置，使得所述电压降装置在所述开关闭合时被短路。
4.如权利要求3所述的阻抗测量电路，还包括门驱动器，所述门驱动器被连接到所述开关的控制输入。
5.如权利要求3所述的阻抗测量电路，其中，所述至少一个电压降装置是多个电压降装置。
6.如权利要求5所述的阻抗测量电路，其中，所述多个电压降装置包括多个串联连接的二极管。
7.如权利要求6所述的阻抗测量电路，其中，所述多个串联连接的二极管是近似相同的。
8.如权利要求6所述的阻抗测量电路，其中，所述多个串联连接的二极管包括至少两组实质不同的二极管。
9.如权利要求3所述的阻抗测量电路，其中，所述至少一个电压降装置两端的电压降是所述电压输出处的预期电压的至多百分之三。
10.如权利要求9所述的阻抗测量电路，其中，所述至少一个电压降装置两端的所述电压降在所述电压输出处的所述预期电压的百分之一和百分之三之间。
11.如权利要求1所述的阻抗测量电路，其中，所述负载是等离子体推进器。
12.如权利要求1所述的阻抗测量电路，其中，所述电压输入被连接到恒压源。
13.一种用于确定负载的阻抗的方法，包括：
从电压源向负载提供电压；
将近似方波扰动注入到所述电压中；
测量所述负载的引出电流和所述负载两端的电压，并且将测量结果提供给计算装置；
使用所述计算装置分析所述负载两端的电压和所述负载的引出电流，并且由此确定所述负载的阻抗。
14.如权利要求13所述的方法，其中，分析所述负载两端的电压和所述负载的引出电流包括确定所述电压的基波分量除以所述引出电流的基波分量的比率。
15.如权利要求14所述的方法，其中，所述计算装置使用傅里叶变换从所分析的电压提取所述电压的基波分量。
16.如权利要求14所述的方法，其中，所述计算装置使用傅里叶变换从所分析的引出电流提取所述电流的基波分量。
17.如权利要求13所述的方法，其中，将近似方波扰动注入到所述电压中包括在使所述电压通过电压降装置和绕过所述电压降装置之间交替，所述交替以设定频率发生。
18.如权利要求17所述的方法，其中，使所述电压通过电压降装置包括使所述电压通过多个串联连接的二极管。
19.如权利要求17所述的方法，其中，在使所述电压通过电压降装置和绕过所述电压降装置之间交替包括使开关在打开状态和闭合状态之间交替，并且其中，所述开关在处于所述闭合状态时完成围绕所述电压降装置的短路路径。
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