CN115441704B - 一种频率幅值可调节的井间电磁发射系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种频率幅值可调节的井间电磁发射系统，属于井间探测领域。该系统包括电源模块、FPGA控制模块、驱动电路模块、桥式逆变器模块；采用电源模块将井上直流供电转换后为系统工作电压，降低了电缆中的电能损耗；使用SPWM的输出方式将直流电转换为正弦交流信号，并通过FPGA控制模块对晶体管开断进行控制，以实现大功率正弦电压信号输出；同时，使用FPGA并借助UART串口通信协议，通过解析井上发送指令实时调节调制信号的频率和大小以影响脉宽调制信号的占空比，从而调整发射系统输出信号波形的幅值和频率。另一方面，本发明采用SiC MOSFET使发射电路的面积得到极大减小，使得电路更适用于井下探测作业。

Description

一种频率幅值可调节的井间电磁发射系统
技术领域
本发明属于井间探测领域，具体涉及一种井间电磁探测的发射频率和输出幅值可调的井间电磁发射系统。
背景技术
井间电磁法指的是在两个(或多个)钻孔中分别发射或接收电磁波信号，利用电磁波信号进行成像并探测井间物理性质的地球物理方法。井间电磁探测系统工作原理图如图1所示，目前井间电磁法使用的电磁信号一般为单频率的低频信号，由于发射机和接收机可以分别放置在很深钻孔中，其具有大透距、大深探测深度的特点，因而广泛应用于工程环境物探、矿产勘察及石油勘探等领域。
现阶段的井间电磁探测发射信号源的发射方式多为在井上使用信号发生器连接功率放大器以产生大功率交流正弦信号，并将大功率交流正弦信号通过发射电缆送至井下线圈端进行辐射。这种发射方式相当于井上交流供电，会有较大的能量损耗在电缆之上，而且很难做到大幅度的电压信号发射。另外，采用传统的桥式逆变电路的方式所产生的波形比较单一，大部分都是方波信号，在发射信号为方波且频率较低时，容易造成电路的瞬时短路；而方波信号相对于正弦波谐波分量较多，所携带的信息有限，如果要更改频率则需要重新设计脉冲展宽电路，也会存在调节频率困难的问题。另一方面，若井下采用DC/DC电源模块供电，则信号源工作时的输出电压幅值则难以调节。由于在针对相同的地质条件地层进行探测时，采用不同幅值、频率的发射信号相比单一频率、幅值的发射信号能够获得更加丰富的地层信息，因此在单次下井过程中实现发射信号的频率和幅值的灵活调节是十分必要的。并且，传统逆变器由于使用IGBT功率管，导致电路面积大且功率器件的开关频率上限较低。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种频率幅值可调节的井间电磁发射系统，以解决目前井间电磁探测系统使用过程中发射信号频率和幅值难以切换以及井上交流供电在电缆传输中损耗较大等问题。本发明采用井上直流供电，降低了电缆中的电能损耗，且使用 SPWM(正弦脉宽调制)的输出方式将直流电转换为了正弦交流信号，并通过可编程逻辑门阵列(FPGA)对晶体管开断进行控制，以实现大功率正弦电压信号输出。使用FPGA并借助 UART串口通信协议，能够通过解析井上发送指令实时调节调制信号的频率和大小以影响脉宽调制信号的占空比，从而调整发射系统输出信号波形的幅值和频率。另一方面，本发明采用SiC MOSFET使发射电路的面积得到极大减小，使得电路更适用于井下探测作业。
本发明采用的技术方案如下：
一种频率幅值可调节的井间电磁发射系统，其特征在于，包括电源模块、FPGA控制模块、驱动电路模块、桥式逆变器模块。
所述电源模块，用于将井上直流供电转换后提供FPGA控制模块、驱动电路模块所需的工作电压。
所述FPGA控制模块，用于接收井上通信指令以确定SPWM信号的频率和幅值，并根据频率和幅值生成正弦调制信号，还用于产生载波信号，根据正弦调制信号和载波信号计算生成脉冲序列，产生双极性SPWM信号。
所述驱动电路模块，用于将FPGA控制模块产生的双极性SPWM信号进行放大得到SPWM驱动信号，以达到MOSFET的工作电压范围。由于FPGA控制模块输出的电平信号电压幅值过低，不足以驱动桥式逆变器模块中的SiC MOSFET，因此设置驱动电路模块，使高电平信号提高至15V以上以驱动SiC MOSFET导通。使低电平信号降至0V以下以驱动 MOSFET关断。
所述桥式逆变器模块，将井上直流供电根据SPWM驱动信号转换为设定频率和幅值的正弦交流电压信号，然后发送至线圈负载两端进行辐射。
进一步地，所述电源模块，包含两个DC\DC模块及其滤波电路，能够将井上直流供电分别转换为12V直流电压和9V直流电压，分别使FPGA控制模块及驱动电路模块在系统上电后，能够进入工作状态。
进一步地，所述FPGA控制模块包含硬件电路及其内部RTL系统；所述内部RTL系统，包含UART串口接收通信模块、译码模块、ROM存储模块、正弦调制信号产生模块、三角载波信号产生模块、SPWM脉冲信号产生模块和死区产生模块。其中，所述UART串口接收通信模块用于接收井上通信指令并发送给译码模块；所述译码模块用于对接收到的井上通信指令进行解析，以控制正弦调制信号产生模块读取ROM存储模块的方式；所述ROM存储模块用于存储正弦调制信号值；所述正弦调制信号产生模块，用于读取ROM存储模块的正弦调制信号值并产生正弦调制信号；所述三角载波信号产生模块，用于产生三角载波信号；所述SPWM脉冲信号产生模块，用于计算和比较正弦调制信号和三角载波信号以产生SPWM 脉冲；所述死区产生模块，用于在SPWM脉冲信号中产生死区，以保护电路，防止电路短路。
进一步地，所述桥式逆变器模块，包含MOSFET M1、MOSFET M2、MOSFET M3和MOSFET M4；其中井上直流供电的正极分别与MOSFET M1和MOSFET M3的漏极相连，井上直流供电的负极分别与MOSFET M2和MOSFET M4的源极相连；MOSFET M1的源极与MOSFET M2的漏极相连并作为线圈负载输入电压正极；MOSFET M3的源极与MOSFET M4的漏极相连，并作为线圈负载输入电压负极。其中MOSFET M1和MOSFET M4的控制信号为相同信号，MOSFET M2和MOSFET M3的控制信号为相同信号，且M1、M4和M2、 M3的控制信号为互补信号；通过这种方式的控制信号进行控制的桥式逆变器模块即可产生双极性波形。
当MOSFET M1和MOSFET M4导通，MOSFET M2和MOSFET M3关断，此时线圈负载两端电压为正向井上直流供电电压；当MOSFET M2和MOSFET M3导通，MOSFET M1 和MOSFET M4关断，此时负载两端电压为负向井上直流供电电压。
本发明的有益效果为：
1、将SiC MOSFET用作井间电磁发射电路的开关管能够有效的增加开关频率，减小发射电路的面积，能够保证高质量的波形。
2、FPGA控制模块通过解析井上通信指令对调制信号的频率和幅值进行控制，以此来调节SPWM信号的占空比以改变发射波形的幅值和大小，对发射信号实现了实时和灵活的控制。
3、使用井上直流供电的方式而非交流供电的方式，在井下将井上直流电于转换为交流电，以克服交流电在电缆中的传输损耗。
4、由于采用数字控制方式而非直接由模拟电路搭建，对于波形的辐射相位能够更加精确，也能够生成死区时间，对开关器件产生更好的保护。
附图说明
图1井间电磁探测原理示意图；
图2本发明的发射系统整体框图；
图3本发明的FPGA控制模块的内部RTL系统框图；
图4通过接收井上通信指令切换发射信号频率和幅值流程图；
图5本发明使用的逆变电路及其工作模式；
图6SPWM(正弦脉宽调制)信号产生原理；
图7本发明使用的死区时间产生方式；
图8依据不同井上通信指令获得的正弦调制信号的Modelsim仿真图；其中(a)为根据井上通信指令10010100产生的正弦调制信号；(b)为根据井上通信指令10011000产生的正弦调制信号；(c)为根据井上通信指令01110010产生的正弦调制信号；(d)为根据井上通信指令10000010产生的正弦调制信号；(f)为根据井上通信指令10010010产生的正弦调制信号。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的保护范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本发明做进一步的描述。
如图2所示，本实施例的发射系统由四部分组成，分别为电源模块、驱动电路模块、FPGA 控制模块和桥式逆变器模块。
其中，电源模块由4812S和4809S两种DC/DC电源芯片及其滤波电路组成，其职能将井上48V直流电转换为FPGA控制模块以及驱动电路所需要的12V以及9V直流电，使驱动电路模块及FPGA控制模块处于工作状态。
图3所示为本实施例FPGA控制模块内部RTL系统框图，包含UART串口接收通信模块、译码模块、ROM存储模块、正弦调制信号产生模块、三角载波信号产生模块、SPWM脉冲信号产生模块和死区产生模块。
其中，所述UART串口接收通信模块，用于接收井上机箱发送的通信指令，即8位二进制数，并将该指令发送给译码模块进行解析，以控制正弦调制信号产生模块读取ROM存储模块的方式实现对正弦调制信号频率和幅值的切换；通信指令的高4位用于控制正弦调制信号的频率以改变SPWM信号频率，指令的低4位用于控制正弦调制信号的幅值以调节SPWM信号的占空比以改变信号幅值。所述ROM存储模块，用于存储正弦调制信号值；本实施例中使用MATLAB计算得到正弦调制信号的幅值，将连续信号离散化处理后，产生所需的二进制数，并将该二进制数按地址存储到FPGA内部的ROM存储模块中。所述正弦调制信号产生模块，用于读取ROM存储的调制信号值并产生正弦调制信号。所述三角载波信号产生模块，用于产生载波信号。所述SPWM脉冲信号产生模块，用于计算和比较正弦调制信号和三角载波信号以产生SPWM脉冲；SPWM信号产生原理如图6所示，将正弦调制信号与三角载波进行对比，正弦调制信号比载波信号高时输出高电平，正弦调制信号比载波信号低时输出负电平。所述死区产生模块，用于在SPWM脉冲信号中产生死区，以保护电路，防止电路短路。由于FPGA输出高电平电压值为3.3V，低电平为0V，而SiC MOSFET的导通电压为正15V以上，关断电压为0V以下，所以FPGA输出的控制信号不足以使逆变器中的MOSFET 进入工作，因此设计驱动电路模块来将FPGA的高电平信号放大至18V，低电平信号放置-5V，从而实现更精准地控制。本实施例中的驱动电路模块采用的是隔离栅极驱动，将SPWM信号通过光耦转换为光信号，再转为电信号输出给SiC MOSFET的G、S端，这种方式能够实现更稳定和更高质量地驱动桥式逆变器模块中的SiC MOSFET。
图5所示为本实施例桥式逆变器模块的框图，包含MOSFET M1、MOSFET M2、MOSFETM3和MOSFET M4；其中井上直流供电的正极分别与MOSFET M1和MOSFET M3的漏极相连，井上直流供电的负极分别与MOSFET M2和MOSFET M4的源极相连；MOSFET M1的源极与MOSFET M2的漏极相连并作为线圈负载输入电压正极；MOSFET M3的源极与 MOSFET M4的漏极相连，并作为线圈负载输入电压负极。其中MOSFET M1和MOSFET M4 的控制信号为相同信号；且MOSFET M2和MOSFET M3的控制信号为相同信号，且M1、 M4和M2、M3的控制信号为互补信号；通过这种方式的控制信号进行控制的桥式逆变器模块即可产生双极性波形。桥式逆变器模块用于将井上直流供电根据SPWM驱动信号转换为设定频率和幅值的正弦交流电压信号，然后发送至线圈负载两端进行辐射。
图4所示为通过接收井上通信指令切换发射信号频率和幅值流程图，井下发射信号的频率切换方式为在译码模块内设计不同的计数器，以提供给正弦调制信号产生模块使用不同频率的时钟信号对ROM内的正弦调制信号值进行读取。译码模块解析井上发送指令信号 fre_select，其中fre_select的高四位作为频率选择信号，当高四位为0001时，发射的脉宽调制信号等效为频率为5Hz的正弦信号；为0010时，等效为15.625Hz的正弦信号，……，为 0111时，等效为250Hz的正弦信号，如图8(c)所示。为1000时，等效为500Hz的正弦信号，如图8(d)所示。为1001时，等效为1000Hz的正弦信号，如图8(f)所示。
幅值切换使用case语句来实现，fre_select的低四位作为幅值选择信号。由于直接使用除法运算可能导致FPGA的占用资源较大，因此使用数据移位的方法来获得更多的幅值。本实施例中设读取的正弦信号的幅值的十位二进制数为sin_wave，那么倍sin_wave可用 sin_wave值右移一位表示，/>倍sin_wave可用sin_wave值右移两位表示，那么/>倍sin_wave 可用sin_wave值右移三位表示。此发明中低四位为1000时，发射为最大幅值的正弦信号，如图8(b)所示；低四位为0100时，发射为/>倍最大幅值的正弦信号，如图8(a)所示；低四位为0010时，发射为/>倍最大幅值的正弦信号，如图8(f)所示；低四位为0001时，发射为/>倍最大幅值的正弦信号。其实现效果如图7所示，通过降低所参考的正弦信号幅值就可以降低输出的脉宽调制信号的占空比，其中更小的占空比则可以表现为SiC MOSFET管更短的关断时间，在输出电压的等效上就表现为更小的电压幅值。因此就可以使用上位机一次传输八位二进制数来对发射信号的幅值和频率进行调制，避免了仪器在下井过程中频率和幅度无法调节等一系列问题，其实现效果的Modelsim仿真图如图8所示。
本发明使用的脉宽调制方式是基于冲量定理，在正弦值大于三角波值出输出高电平，小于三角波值出处输出低电平的方法来产生双极性脉冲信号，使用数字电路的方法来实现，避免了复杂模拟电路的搭建。并且本发明井上传输至井下的电能为直流电而非交流电，克服了直流电在线缆传输中的高损耗。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (3)

1.一种频率幅值可调节的井间电磁发射系统，其特征在于，包括电源模块、FPGA控制模块、驱动电路模块、桥式逆变器模块；
所述电源模块，用于将井上直流供电转换后提供FPGA控制模块、驱动电路模块所需的工作电压；
所述FPGA控制模块，用于接收井上通信指令以确定SPWM信号的频率和幅值，并根据频率和幅值生成正弦调制信号，还用于产生载波信号，根据正弦调制信号和载波信号计算生成脉冲序列，产生双极性SPWM信号；
具体地，所述FPGA控制模块包含硬件电路及其内部RTL系统；所述内部RTL系统，包含UART串口接收通信模块、译码模块、ROM存储模块、正弦调制信号产生模块、三角载波信号产生模块、SPWM脉冲信号产生模块和死区产生模块；
其中，所述UART串口接收通信模块用于接收井上通信指令并发送给译码模块；所述译码模块用于对接收到的井上通信指令进行解析，以控制正弦调制信号产生模块读取ROM存储模块的方式；所述ROM存储模块用于存储正弦调制信号值；所述正弦调制信号产生模块，用于读取ROM存储模块的正弦调制信号值并产生正弦调制信号；所述三角载波信号产生模块，用于产生三角载波信号；所述SPWM脉冲信号产生模块，用于计算和比较正弦调制信号和三角载波信号以产生SPWM脉冲；所述死区产生模块，用于在SPWM脉冲信号中产生死区，以保护电路，防止电路短路；
所述驱动电路模块，用于将FPGA控制模块产生的双极性SPWM信号进行放大得到SPWM驱动信号，以达到MOSFET的工作电压范围；
所述桥式逆变器模块，将井上直流供电根据SPWM驱动信号转换为设定频率和幅值的正弦交流电压信号，然后发送至线圈负载两端进行辐射。
2.如权利要求1所述的一种频率幅值可调节的井间电磁发射系统，其特征在于，所述桥式逆变器模块，包含MOSFET M1、MOSFET M2、MOSFET M3和MOSFET M4；其中井上直流供电的正极分别与MOSFET M1和MOSFET M3的漏极相连，井上直流供电的负极分别与MOSFET M2和MOSFET M4的源极相连；MOSFET M1的源极与MOSFET M2的漏极相连并作为线圈负载输入电压正极；MOSFET M3的源极与MOSFET M4的漏极相连，并作为线圈负载输入电压负极；其中MOSFET M1和MOSFET M4的控制信号为相同信号，MOSFET M2和MOSFET M3的控制信号为相同信号，且M1、M4和M2、M3的控制信号为互补信号。
3.如权利要求2所述的一种频率幅值可调节的井间电磁发射系统，其特征在于，所述电源模块，包含两个DC\DC模块及其滤波电路，能够将井上直流供电分别转换为12V直流电压和9V直流电压，分别使FPGA控制模块及驱动电路模块在系统上电后进入工作状态。
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