CN203180758U - 一种电流激励源 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电流激励源，属于电子电路技术领域。该电流激励源包括：数字信号控制器，用于产生单极性高频正弦波脉冲宽度调制SPWM信号和脉冲信号；功率管驱动器，用于接收数字信号控制器输出的单极性高频SPWM信号和脉冲信号，并将单极性高频SPWM信号和脉冲信号转换成单极性高频SPWM驱动信号和脉冲驱动信号；全桥功率逆变电路，用于接收功率管驱动器转换的单极性高频SPWM驱动信号和脉冲驱动信号，并根据单极性高频SPWM驱动信号和脉冲驱动信号产生正弦交变激励电流，以对井下发射天线进行激励。本实用新型通过电流激励源产生的正弦交变激励电流对井下发射天线进行激励，可降低对接收天线和电路的频率响应，从而提高近钻头电阻率的测量精度。

Description

一种电流激励源

技术领域

本实用新型涉及电子电路技术领域，特别涉及一种电流激励源。 

背景技术

随着油田勘探技术的不断提高，开发复杂油藏引起了人们的高度重视。在开发复杂油藏过程中，可通过对钻铤上的发射天线进行激励，得到近钻头电阻率，再根据近钻头电阻率确定钻铤轨迹，以根据钻铤轨迹找到油藏。因而如何选择电流激励源对发射天线进行激励，成为了油田勘探方面的一个关键问题。 

现有技术通常采用由方波电流激励源产生的方波交变激励电流对井下发射天线进行激励。 

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题： 

因为采用由方波电流激励源产生的方波交变激励电流对井下发射天线进行激励，所以对接收天线和电路的频率响应要求高，从而限制了接收天线的尺寸，使得接收天线的频率响应特性恶化，进而导致近钻头电阻率的测量精度不高。 

实用新型内容

为了解决现有技术存在的问题，本实用新型实施例提供了一种电流激励源。所述技术方案如下： 

一种电流激励源，所述电流激励源包括：数字信号控制器、功率管驱动器及全桥功率逆变电路； 

所述数字信号控制器，用于产生单极性高频SPWM（Sinusoidal Pulse Width Modulation，正弦波脉冲宽度调制）信号和脉冲信号，并将其输出给所述功率管驱动器； 

所述功率管驱动器，用于接收所述数字信号控制器输出的单极性高频SPWM信号和所述脉冲信号，并将所述单极性高频SPWM信号和所述脉冲信号转换成单极性高频SPWM驱动信号和脉冲驱动信号后发送给所述全桥功率逆变电路； 

所述全桥功率逆变电路，用于接收所述功率管驱动器转换的单极性高频SPWM驱动信号和脉冲驱动信号，并根据所述单极性高频SPWM驱动信号和所述脉冲驱动信号产生正弦交变激励电流，以根据所述正弦交变激励电流对井下发射天线进行激励。 

进一步地，所述全桥功率逆变电路包括功率管V1、V2、V3和V4； 

其中，所述V1和V2组成高频桥臂，所述V3和V4组成低频桥臂，所述高频桥臂和所述低频桥臂组成H桥结构。 

进一步地，所述全桥功率逆变电路具体用于根据所述功率管驱动器输入的单极性高频SPWM驱动信号和脉冲驱动信号控制四支功率管V1、V2、V3、V4交替导通与截止，产生所述正弦交变激励电流； 

其中，在一个正弦波周期的前半周期内，功率管V1和V4以所述载波频率导通，功率管V2和V3截止； 

在一个正弦波周期的后半周期内，功率管V2和V3以所述载波频率导通，功率管V1和V4截止。 

进一步地，所述功率管驱动器将逻辑电平转换为10至15伏，加在所述全桥功率逆变电路的功率管栅极和源极之间，在功率管开关时提供所需驱动电流。 

进一步地，所述全桥功率逆变电路中的同一桥臂功率管死区时间控制在5微秒内。 

进一步地，所述单极性高频SPWM信号的频率为1000赫兹。 

进一步地，所述功率管驱动器为功率管驱动器IR2101。 

本实用新型实施例提供的技术方案带来的有益效果是： 

通过电流激励源产生正弦交变激励电流并用该正弦交变激励电流对井下发射天线进行激励，可降低对接收天线和电路的频率响应，从而提高近钻头电阻率的测量精度。 

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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是本实用新型实施例一提供的一种电流激励源的结构示意图； 

图2是本实用新型实施例一提供的单极性高频SPWM驱动信号和脉冲驱动信号的波形示意图； 

图3是本实用新型实施例一提供的一种全桥功率逆变电路的电路结构示意图； 

图4是本实用新型实施例一提供的一种功率管驱动器的电路结构示意图； 

图5是本实用新型实施例一提供的另一种功率管驱动器的电路结构示意图； 

图6是本实用新型实施例一提供的一种数字信号控制器的电路结构示意图。 

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地详细描述。 

实施例一 

本实用新型实施例提供了一种电流激励源，参见图1，该电流激励源100包括：数字信号控制器101、功率管驱动器102及全桥功率逆变电路102； 

数字信号控制器101，用于产生单极性高频SPWM信号和脉冲信号，并将其输出给功率管驱动器102； 

功率管驱动器102，用于接收数字信号控制器101输出的单极性高频SPWM信号和脉冲信号，并将单极性高频SPWM信号和脉冲信号转换成单极性高频SPWM驱动信号和脉冲驱动信号后发送给全桥功率逆变电路103； 

全桥功率逆变电路103，用于接收功率管驱动器102转换的单极性高频SPWM驱动信号和脉冲驱动信号，并根据单极性高频SPWM驱动信号和脉冲驱动信号产生正弦交变激励电流，以根据正弦交变激励电流对井下发射天线进行激励。 

其中，功率管驱动器102转换的单极性高频SPWM驱动信号和脉冲驱动信号的具体波形图可如图2所示的波形图。 

进一步地，参见图3，全桥功率逆变电路103包括功率管V1、V2、V3和V4； 

其中，V1和V2组成高频桥臂，V3和V4组成低频桥臂，高频桥臂和低频桥臂组成H桥结构。 

进一步地，全桥功率逆变电路103具体用于根据功率管驱动器102输入的单极性高频SPWM驱动信号和脉冲驱动信号控制四支功率管V1、V2、V3、V4交 替导通与截止，产生正弦交变激励电流； 

其中，在一个正弦波周期的前半周期内，功率管V1和V4以载波频率导通，功率管V2和V3截止； 

在一个正弦波周期的后半周期内，功率管V2和V3以载波频率导通，功率管V1和V4截止。 

进一步地，参见图4和图5，功率管驱动器102将逻辑电平转换为10至15伏，加在全桥功率逆变电路103的功率管栅极和源极之间，在功率管开关时提供所需驱动电流。通过功率管驱动器102提供的驱动电流，可以克服密勒电容对全桥功率逆变电路103中功率管的影响。 

进一步地，全桥功率逆变电路103中的同一桥臂功率管死区时间控制在5微秒内。 

具体地，同一桥臂功率管的死区时间可通过软件编程控制在5微秒内，当然，死区时间除上述数值外，还可以为其他数值，例如，4微秒等等，本实施例对死区时间的大小不进行具体限定。通过软件编程控制死区时间不但简化了硬件电路的设计，还降低了CPU（Central Processing Unit，中央处理单元）的消耗。进一步地，通过设置死区时间可以有效地避免因延迟效应所造成的一个桥臂未完全关掉，而另一桥臂又处于导通状态的情况。 

进一步地，单极性高频SPWM信号的频率为1000赫兹。 

其中，单极性高频SPWM信号的频率除上述数值外，还可以为其他数值，例如，1500赫兹等等，本实施例对单极性高频SPWM信号的频率的大小不进行具体限定。而上述单极性高频SPWM信号采用常规的DSP（Digital Signal Processor，数字信号处理器）或者单片机根本不能产生，若提高晶振频率则会消耗大量的电能。 

进一步地，功率管驱动器102为功率管驱动器IR2101。 

其中，功率管驱动器102的型号除了上述IR2101外，还可以有多种，例如，IR2110等等，本实施例对功率管驱动器102的型号不进行具体限定。但采用型号为IR2101的功率管驱动器不但不需要浮动电源，简化了硬件电路的设计，而且同分离元件组成的功率驱动电路相比，其稳定性和可靠性都要更高。 

进一步地，参见图6，数字信号控制器101通过创建一个包含预设数目正弦值的正弦表，每隔预设时间采用DMA方式读取正弦表中的正弦值，根据读取出 的正弦值计算脉冲的宽度值，并根据脉冲的宽度值产生单极性SPWM信号。 

其中，数字信号控制器101创建正弦表的具体实现方式可依据现有创建方式实现，本实施例对此不作具体限定。创建好的正弦表可存储在ROM（Read Only Memory，只读内存）中。在存储正弦表之后，可通过DMA方式每隔预设时间读取正弦表中的正弦值。假设预设时间为5毫秒，则每隔5毫秒便从ROM中存储的正弦表中通过采用DMA方式读取出一个正弦值。其中，正弦表的存储介质除上述ROM外，还可以为其他介质，例如，RAM（Random Access Memory，随机存储器）或闪存等等，本实施例对存储正弦表的介质不作具体限定。同样地，预设时间除上述数值5毫秒外，还可以为其他数值，例如，10毫秒等等，本实施对预设时间的大小也不作具体限定。通过DMA方式进行正弦值的读取不但减小了CPU的工作负荷，还实现了无需CPU的协助即可在CPU及其比较寄存器之间方便地进行数据传输。 

进一步地，数字信号控制器101具体根据读取出的正弦值、调制度及半个周期内的脉冲数值利用面积相等原则计算脉冲的宽度值；其中，半个周期内的脉冲数值根据正弦表中正弦值的个数确定；正弦表中正弦值的个数根据载波频率和最大调制频率之比确定。 

具体地，在得到正弦值后，数字信号控制器101可根据该正弦值利用面积相等原则计算出脉冲的宽度值。 

假设所需的正弦波为U_o=U_msinωt，其中，U_m为正弦波幅值，ω为角频率，t为时间。为了便于进行说明，以符号S₁标识正弦波每一小块的面积，以符号S₂标识与正弦波每一小块面积对应的脉冲面积，以符号N标识半个周期内的脉冲数值，其中，N的取值可根据正弦表中正弦值的个数确定，以符号k标识某一个脉冲，k取值范围为1至N；以符号U_D标识输入的直流电压，以符号δ_k标识脉冲的宽度值，正弦波每一小块的面积可根据如下公式（1）计算得到： 

$S_1=U_m{\∫}_{\frac{k-1}{N}\mathrm{\π}}^{\frac{k}{N}\mathrm{\π}}\sin \mathrm{\ωtdt}=\frac{U_m}{\mathrm{\ω}}[\cos \frac{k-1}{N}\mathrm{\π}-\cos \frac{k}{N}\mathrm{\π}]---\left(1\right)$

与正弦波每一小块的面积对应的脉冲面积可根据如下公式（2）计算得到： 

S₂=δ_kU_D          （2） 

根据正弦波每一小块的面积S₁与跟其对应的脉冲面积S₂相等原则，则有： 

${\mathrm{\δ}}_k{U}_D=\frac{U_m}{\mathrm{\ω}}[\cos \frac{k-1}{N}\mathrm{\π}-\cos \frac{k}{N}\mathrm{\π}]=\frac{U_m}{\mathrm{\ω}}[\cos \frac{k-1}{N}\mathrm{\π}-\cos \frac{k}{N}\mathrm{\π}]---\left(3\right)$

故第k个脉冲的宽度δ_k为： 

${\mathrm{\δ}}_k=\frac{U_m}{\mathrm{\ω}{U}_D}[\cos \frac{k-1}{N}\mathrm{\π}-\cos \frac{k}{N}\mathrm{\π}]=\frac{M}{\mathrm{\ω}}[\cos \frac{k-1}{N}\mathrm{\π}-\cos \frac{k}{N}\mathrm{\π}]---\left(4\right)$

其中，M为调制度，即U_m/U_D。 

具体地，在确定正弦表中正弦值的个数时，如果正弦表中的正弦值个数过少，则在输出单极性高频SPWM信号时，会产生输出谐波较大的问题；如果正弦表中的正弦值个数过多，则会占用大量的CPU资源。为了避免上述两种情况的发生，通常根据载波频率和最大调制频率之比来确定正弦表中正弦值的个数。假设载波频率为16千赫兹，最大调制频率为0.5千赫兹，则可计算出正弦表中正弦值的个数为32，即预设数目为32。其中，载波频率的大小和最大调制频率的大小，除上述数值外，还可以为其他数值，例如，载波频率为32千赫兹，最大调制频率为1000赫兹等等，本实施例对此不作具体限定。 

进一步地，数字信号控制器101具体根据脉冲的宽度值产生单极性高频SPWM信号； 

其中，如果DMA中断到来，则输出置高，根据脉冲的宽度值输出脉冲； 

如果DMA中断未到来，则输出置零； 

重复执行上述步骤，数字信号控制器101便产生单极性高频SPWM信号。 

进一步地，得到正弦交变激励电流后，便可利用该正弦交变激励电流对钻铤上的发射天线进行激励，经过钻铤和地层构成的回路，接收天线上会产生与感生电流成比例的电动势。进一步地，根据钻铤上所感生的电动势与接收天线上所感生的电动势便可得到近钻头电阻率。其中，对发射天线进行激励的具体实现方式可依据现有的激励方式实现，本实施例对此不作具体限定。 

综上所述，本实用新型实施例，通过电流激励源产生正弦交变激励电流并用该正弦交变激励电流对井下发射天线进行激励，可降低对接收天线和电路的频率响应，从而提高近钻头电阻率的测量精度。 

上述本实用新型实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。 

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过 硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。 

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。 

Claims (7)

1.一种电流激励源，其特征在于，所述电流激励源包括：数字信号控制器、功率管驱动器及全桥功率逆变电路； 

所述数字信号控制器，用于产生单极性高频正弦波脉冲宽度调制SPWM信号和脉冲信号，并将其输出给所述功率管驱动器； 

所述功率管驱动器，用于接收所述数字信号控制器输出的单极性高频SPWM信号和所述脉冲信号，并将所述单极性高频SPWM信号和所述脉冲信号转换成单极性高频SPWM驱动信号和脉冲驱动信号后发送给所述全桥功率逆变电路； 

所述全桥功率逆变电路，用于接收所述功率管驱动器转换的单极性高频SPWM驱动信号和脉冲驱动信号，并根据所述单极性高频SPWM驱动信号和所述脉冲驱动信号产生正弦交变激励电流，以根据所述正弦交变激励电流对井下发射天线进行激励。 

2.根据权利要求1所述的电流激励源，其特征在于，所述全桥功率逆变电路包括功率管V1、V2、V3和V4； 

其中，所述V1和V2组成高频桥臂，所述V3和V4组成低频桥臂，所述高频桥臂和所述低频桥臂组成H桥结构。 

3.根据权利要求2所述的电流激励源，其特征在于，所述全桥功率逆变电路具体用于根据所述功率管驱动器输入的单极性高频SPWM驱动信号和脉冲驱动信号控制四支功率管V1、V2、V3、V4交替导通与截止，产生所述正弦交变激励电流； 

其中，在一个正弦波周期的前半周期内，功率管V1和V4以所述载波频率导通，功率管V2和V3截止； 

在一个正弦波周期的后半周期内，功率管V2和V3以所述载波频率导通，功率管V1和V4截止。 

4.根据权利要求2或3所述的电流激励源，其特征在于，所述功率管驱动器将逻辑电平转换为10至15伏，加在所述全桥功率逆变电路的功率管栅极和源极之间，在功率管开关时提供所需驱动电流。 

5.根据权利要求2或3所述的电流激励源，其特征在于，所述全桥功率逆变电路中的同一桥臂功率管死区时间控制在5微秒内。 

6.根据权利要求1所述的电流激励源，其特征在于，所述单极性高频SPWM信号的频率为1000赫兹。 

7.根据权利要求1所述的电流激励源，其特征在于，所述功率管驱动器为功率管驱动器IR2101。 

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