CN111987929B

CN111987929B - 一种双全桥反馈型电压补偿系统

Info

Publication number: CN111987929B
Application number: CN202010846040.3A
Authority: CN
Inventors: 张一鸣; 张晨浩; 原大康; 张栋; 高俊侠
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2020-08-20
Filing date: 2020-08-20
Publication date: 2022-06-14
Anticipated expiration: 2040-08-20
Also published as: CN111987929A

Abstract

本发明针对由于器件损耗引起的磁通门激励电压衰减情况，提出了一种双全桥反馈型电压补偿系统，包括实时反馈计算和双全桥电路两部分，其中反馈实时计算根据采集的激励线圈电压作为反馈值，主控芯片计算与激励线圈电压与系统设定电压差值作为误差，通过PI算法计算下一周期每个场效应管导通时间；双全桥电路接收反馈计算的场效应管导通时间控制量，场效应管在不同阶段导通与关断控制激励线圈两端电压，将激励电压补偿至系统设定电压。本发明具有响应快、补偿准、可靠性高、无累积误差的特点，能够将磁通门激励电压快速补偿至系统设定电压，极大提高了磁通门的测量分辨率。

Description

一种双全桥反馈型电压补偿系统

技术领域

本发明涉及磁通门矢量磁场测量地质勘探领域，尤其涉及一种响应快、可靠性高的磁通门激励线圈电压的双全桥反馈型电压补偿系统。

技术背景

地球系统由地核、地壳、电离层、磁层等不同圈层组成，各个组成部分发生的许多过程都会产生磁场，它们携带着地球系统不同部分有关过程的信息，这些信息是认识地球系统和矿产资源的基础资料。由空间电流体系引起的感应磁场在实际测量异常场中占到了三分之一，如何分离感应磁场和地壳异常场一直是难以解决的问题。空间立体磁测会增强磁法勘探的能力，解决磁场向下延拓的深度和准确性。磁通门传感器能够协助地质勘探设备，在最短的时间内获得磁场分布图，并通过地球物理理论获得岩石圈的精细结构和活动性等特征，为矿产资源探查提供了磁场信息。

磁通门传感器是利用高磁导率、低矫顽力软磁材料的磁饱和特性制造的磁强计。基于磁调制原理，在交变磁场激励下，磁芯处于周期性过饱和状态，利用软磁材料磁芯对激励磁场的调制作用将外磁场转化为电压信号，最终经输出感应电压信号时域、频域解析确定外磁场大小。该方法可测量恒定或缓慢变化的磁场，适用于空间弱磁场的矢量检测，在地磁探测、地质勘探等领域均有应用。

磁通门激励线圈电压衰减会影响整体测量精度，为了提高磁法勘探空间立体磁测的分辨率，需将磁通门每个周期衰减激励电压幅值补偿至同一水平。由于目前磁通门激励电压多采用通用型功率器件产生，没有针对激励电压幅值衰减进行设计，导致激励电压在不同周期峰值幅值产生不同程度的衰减，在同一被测磁场下感应电压不同，使得磁通门整体测量精度下降。而部分磁通门激励电压补偿采用离线补偿方式，根据实际测试结果计算补偿时间，每个周期内补偿时间较长且相同，导致磁通门整体测量响应速度慢，在被测磁场周期变化明显时，无法准确测量出被测磁场变化趋势。针对此问题，采用双全桥电路补偿激励电压，双全桥电路包含8个场效应管如图3所示，不同场效应管的导通与关断使双全桥电路工作在不同阶段，不同阶段总体来说分为正向补偿与反向补偿阶段，双全桥电路工作在不同阶段控制激励线圈两端电压变化。采集激励线圈两端电压作为反馈信号，通过PI算法计算正向与反向补偿阶段场效应管导通时间，使激励线圈两端电压快速补偿至系统设定电压值，从而提升磁通门整体测量精度。因此，研发响应快、电压补偿效果好、可靠性高的反馈型电压补偿系统是提升磁通门测量分辨率和响应速度的一个关键性问题。

发明内容

针对国内外磁通门激励电压周期性衰减问题，本发明提出了一种适用于磁通门激励线圈电压补偿的双全桥反馈型电压补偿系统，具有响应快、补偿准、可靠性高的特点。该系统测量激励线圈电压作为反馈值，通过主控芯片快速计算出电压补偿参数，补偿参数根据实际补偿效果实时调整，提高了磁通门整体测量响应速度，同时实现了电压的准确补偿。为了解决激励电压周期性衰减问题，提出一种双全桥电路，通过控制电路中场效晶体管导通与关断时间，系统工作在不同阶段，周期性改变激励线圈两端电压，将周期性激励衰减电压补偿至系统设定值。通过将系统实时计算的反馈电压补偿参数作为场效晶体管导通与关断控制量，实现了激励线圈电压的快速、准确补偿。对比国内外传统的激励电压产生方式，在同等的性能指标下，磁通门测量响应速度得到明显提升，每个周期激励电压峰值幅值保持在同一水平，磁场测量分辨率得到提高。

双全桥反馈型电压补偿系统结构框图如图1所示。

有益效果

与现有国内外技术相比，本发明创新点包含以下3点：

1)采集激励线圈两端电压作为反馈值，通过主控芯片实时计算电压补偿参数。采集的线圈两端电压与系统设定值比较，可以保证补偿的准确性；实时电压反馈可以计算出当前衰减电压对应的确切补偿参数，在不同状态下输出不同开关量，可以减少整体补偿时间提升系统响应速度。

2)双全桥电路拓扑，电路工作在不同阶段，周期性改变激励线圈两端电压，将周期性激励衰减电压补偿至系统设定值。双全桥电路包括补偿准备阶段和补偿阶段，补偿准备阶段电路中电容充电至系统工作电压，补偿阶段将激励线圈两端接至系统工作电压，且补偿准备阶段中电容保证系统工作电压稳定。

3)双全桥电路在激励电压峰值衰减前，在同一时间点开始补偿电压，产生的激励电压与之前周期的电压相位一致，不存在累积误差。正弦激励电压在峰值处会产生衰减，而双全桥电路在每个周期激励电压到达峰值前在同一时刻将激励线圈接至系统工作电压，可以产生同相位激励电压，保证不存在周期累积误差，保证激励电压波形的一致性。

附图说明

图1、系统框图；

图2、主控芯片反馈算法结构图；

图3、双全桥电路结构图；

图4、双全桥电路工作时序图；

图5、单磁芯型磁通门结构；

其中，Q1-Q8为场效应管，C1、C2为电容，激励线圈等效电路(3-1)，T1-T8为场效应管工作阶段，激励线圈(5-1)，反馈线圈(5-2)，高磁导率软磁材料的圆柱形磁芯(5-3)，H₀为被测磁场强度，H₁为激励磁场强度，E为感应线圈感应电动势，W为感应线圈匝数。

具体实施方式

一种双全桥反馈型电压补偿系统，包括主控芯片、驱动电路、双全桥电路、激励线圈、激励电压采集五部分。主控芯片用于接收激励电压数字量，并通过PI算法计算得出双全桥电路中场效应管导通时间，采集的激励电压数字信号流向主控芯片对应的数据引脚，主控芯片将场效应管开关信号通过IO引脚与驱动电路相连；驱动电路用于提升主控芯片IO引脚驱动能力，使主控芯片IO引脚通过驱动电路后能够控制场效应管导通与关断，驱动电路输出端与双全桥电路中场效应管相连；激励线圈用于使磁通门产生与被测磁场相关的感应电动势，双全桥电路与激励线圈两端连接，具体连接关系如图3所示；激励电压采集部分用于采集激励线圈两端电压作为反馈信号，激励线圈两端与激励电压采集部分中模拟输入端相连。本实例中主控芯片选用A3P250-VQ100现场可编程逻辑门阵列、驱动电路部分为UCC27528-Q1驱动芯片及其外围电路、激励电压采集部分为LTC2389模数转换芯片及其外围电路，示例中选用芯片不对本发明构成限制，示例中芯片也可用相同参数的芯片代替。

系统控制策略为根据激励信号频率f设定好初始工作状态，双全桥电路工作在不同阶段T1-T8如图4所示，实时采集激励线圈两端电压作为反馈信号，通过反馈信号在主控芯片内计算得出下一周期场效应管导通时间，该导通时间同时作为正向补偿阶段T2与反向补偿阶段T6场效应管导通时间，当该导通时间变化时，主控芯片动态调整T1-T8，整体工作时间为激励信号周期。其中主控芯片接收到反馈激励电压数字量后与系统设定电压值比较并作差，根据差值增加或减少场效应管导通时间，导通时间表现为主控芯片IO引脚高电平持续时间；因为主控芯片IO引脚驱动能力弱，用驱动电路提升主控芯片IO引脚带载能力，使主控芯片IO引脚能够驱动双全桥电路中场效应管从而控制场效应管的导通与关断，当主控芯片IO引脚为高电平时场效应管导通，主控芯片IO引脚为低电平时场效应管关断；双全桥电路中包含8个场效应管，每个场效应管都可以单独控制导通与关断，电路工作在不同阶段，其中正向补偿阶段与反向补偿阶段的调整可以将激励线圈两端电压补偿至系统设定电压值；激励线圈与双全桥电路连接，双全桥电路周期性工作在不同阶段控制激励线圈两端电压变化从而实现激励电压补偿；激励电压采集部分包含模数转换芯片，将激励线圈两端电压实时采集作为反馈电压数字量传输给主控芯片。

激励电压采集部分采集激励线圈两端电压为V_fdb，系统设定电压值为V_ref，电压误差为V_err，双全桥电路正向补偿阶段T2与反向补偿阶段T6时间相等且都为双全桥电路中场效应管导通时间t_on，双全桥电路正向与反向补偿阶段导通保证时间为t_en，激励电压信号频率为f，算法反馈系数为K_p、K_i。系统设定双全桥电路工作阶段T1-T8初始时间相等且都为

系统按照设定条件开始工作，随后根据反馈电压V_fdb调整场效应管导通时间t_on，按照式(3)动态调整双全桥电路工作阶段时间T3与T7。确定反馈算法PI限制条件如公式(4)所示，导通保证时间t_en的取值与激励频率f相关可以保证线圈两端电压的充分补偿，反馈系数的取值限制可以保证采集电压逐渐逼近系统设定电压V_ref。采集电压与系统设定电压作差得出电压误差如公式(1)，随后根据公式(2)得出场效应管导通时间t_on，当电压误差V_err小于零时，场效应管导通时间t_on与上一周期值保持一致。场效应管导通时间t_on控制双全桥电路工作在不同状态，使激励线圈两端电压快速补偿并跟踪系统设定电压。

V_err＝V_ref-V_fdb (1)

t_on＝K_pV_err+K_i∫V_err+t_en (2)

实例以单磁芯型磁通门为例进行说明，单磁芯型磁通门结构如图5所示，但不对本发明构成限制，磁通门还可以选用双磁芯型磁通门、环形磁芯型磁通门和跑道磁芯型磁通门等。磁通门激励电压由于器件损耗会导致激励电压周期性衰减，而下面公式推导磁通门原理得知，激励电压衰减会导致感应信号二次谐波分量在相同被测磁场下衰减，引起磁通门测量分辨率下降。

1)磁通门探头磁芯内部磁感应强度可由外界被测磁场强度与激励磁场强度确定，公式如(5)：

B＝μ(H₀+H_mAsinωt) (5)

式中，B为探头磁芯内部磁感应强度，H₀为外界被测磁场强度，H_m为激励磁场强度，μ为磁芯磁导率，A为激励电压幅值，ω为激励信号频率，即前文提到的f。

2)当激励磁场强度小于磁芯饱和磁场强度时，磁芯磁导率为定值，磁通门感应电压可表示为公式(6)，此时磁通门无法测量被测磁场：

式中，E为磁通门感应电压，W为感应线圈匝数，S为磁芯横截面积。

3)当激励磁场强度大于磁芯饱和磁场强度时，磁导率将随着激励磁场大小变化而变化，可表示为时间的函数，将函数用傅立叶展开表示为公式(7)：

式中，μ_d为磁导率直流分量，μ_i为第2i次谐波分量幅值。

4)当激励磁场强度大于磁芯饱和磁场强度时，将公式(7)带入公式(6)可以求出感应线圈中偶次谐波分量，由于偶次谐波中二次谐波分量最大，故感应线圈二次谐波可表示为公式(8)：

E(t)＝2μ₁ωWSH₀Asin2ωt (8)

式中，μ₁为磁导率二次谐波分量幅值。

双全桥电路具体工作流程为：双全桥电路中不同场效应管的导通与关断可分为T1-T8工作阶段(如图4)，其中Q1Q8导通为T1、Q3Q6导通为T2、Q3Q6关断为T3、Q1Q8关断为T4，且T1-T4期间为线圈正向补偿过程；Q2Q7导通为T5、Q4Q5导通为T6、Q4Q5关断为T7、Q2Q7关断为T8，且T5-T8期间为线圈反向补偿过程。双全桥电路共有8个工作状态，当双全桥电路接收到主控芯片开关控制信号时，电路在8个电路中切换，其中T2为正向补偿阶段，T1-T4其他阶段为准备及自由震荡状态；T6为反向补偿阶段，T5-T8其他阶段为准备及自由震荡状态，。由于正向与反向补偿工作方式相同，故仅介绍T1-T4阶段工作过程。

T1时刻电路Q1Q8导通，此时B点电位为V_sys，故A点电位抬升至2V_sys，D点与0V连接故电位为0V，C2电容两端电压补充至V_sys，保证下一补偿阶段线圈电压足够；T2时刻电路在Q1Q8导通时Q3Q6导通，A点2V_sys加在激励线圈上端，线圈下端与0V接通。若为激励初始周期，该电压通过谐振电容对线圈充电，线圈两端电压急剧上升；若为正常工作周期，电容两端电压补充至2V_sys。T3时刻Q3Q6关断，T4时刻Q1Q8关断，两个时刻线圈都处于自由震荡状态，前后顺序是为了保证场效应管的正常关断，防止场效应管击穿。激励线圈自由谐振至T4时刻时，线圈电容两端电压由正变负，随后T5-T8阶段进行反向补偿，其中T6阶段为反向补偿阶段。

双全桥电路周期性运行在不同工作阶段，且根据激励线圈反馈电压调整双全桥电路正向与反向补偿时间，能够将激励线圈两端电压补偿至系统设定电压，有效避免了线圈由于自由谐振与器件本身产生的电压衰减，双全桥电路在线圈激励正弦信号电压波峰前补偿电压，不仅可以将激励线圈电压补偿至系统设定电压，且补偿后新的激励线圈电压波形与补偿前电压波形相位一致，不存在相位累积误差。同时由于采集激励线圈两端电压作为反馈信号，系统能够快速响应，将激励线圈两端电压补偿至系统设定电压。

Claims

1.一种双全桥反馈型电压补偿系统，其特征在于包括：主控芯片、驱动电路、双全桥电路、激励线圈、激励电压采集五部分，其中，

主控芯片用于接收激励电压采集模块采集的反馈信号，并通过PI算法计算得出控制策略，控制下一周期双全桥电路中场效应管导通时间；

驱动电路用于提升主控芯片引脚驱动能力，使主控芯片引脚通过驱动电路后能够控制双全桥电路中场效应管导通与关断；

双全桥电路包含Q1～Q8场效应管、第一、第二二极管、第一-第四电阻、电容C1、电容C2，串联的Q1、Q2场效应管与串联的Q3、Q4场效应管并联，串联的Q5、Q6场效应管与串联的Q7、Q8场效应管并联，其中Q1、Q7场效应管上端与电源输入连接，Q2、Q8场效应管下端与零电位连接，Q3场效应管上端连接第一二极管的阴极，第一二极管的阳极与电源输入连接，Q5场效应管上端连接第二二极管的阴极，第二二极管的阳极与电源输入连接，Q4、Q6场效应管下端分别经过第三、第四电阻与零电位连接；C1电容与串联的Q3、Q4场效应管并联，C1电容与第一电阻并联，C1电容下端还与Q1场效应管下端相连；C2电容与串联的Q5、Q6场效应管并联，C2电容与第二电阻并联，C2电容下端还与Q7场效应管下端连接；

双全桥电路包括8个场效应管Q1-Q8，双全桥电路中不同场效应管的导通与关断可分为T1-T8工作阶段，其中，Q1Q8导通为T1、Q3Q6导通为T2、Q3Q6关断为T3、Q1Q8关断为T4，且T1-T4期间为线圈正向补偿过程；Q2Q7导通为T5、Q4Q5导通为T6、Q4Q5关断为T7、Q2Q7关断为T8，且T5-T8期间为线圈反向补偿过程；当双全桥电路接收到主控芯片开关控制信号时，电路在8个场效应管中切换，其中T2为正向补偿阶段，T1-T4其他阶段为准备及自由震荡状态；T6为反向补偿阶段，T5-T8其他阶段为准备及自由震荡状态；

激励线圈用于产生与被测磁场相关的感应电动势，双全桥电路与激励线圈两端连接，激励线圈的激励信号频率为f；

激励电压采集部分用于采集激励线圈两端电压作为反馈信号。

2.根据权利要求1所述的一种双全桥反馈型电压补偿系统，其特征在于包括：

所述的控制策略为：

激励电压采集部分采集激励线圈两端的电压V_fdb，并计算系统设定电压V_ref与采集电压V_fdb的差V_err，如公式(1)，

V_err＝V_ref-V_fdb (1)

当电压误差V_err小于零时，8个场效应管导通时间与上一周期值保持一致；

当电压误差V_err大于零时，改变8个场效应管导通时间，其中，T2、T4、T6、T8时间相等且都为双全桥电路中场效应管导通时间t_on，如公式(2)，

t_on＝K_pV_err+K_i∫V_err+t_en (2)

其中，K_p、K_i为PI算法反馈系数，t_en为双全桥电路正向与反向补偿阶段导通保证时间，取值见公式(4)，

T1、T3、T5、T7时间相等，计算如公式(3)，

。