基于DDS的變頻精密脈沖型電源系統設計

我國是水資源缺乏的國家,急需用新方法、新技術(shù)勘查地下水資源。地面核磁共振找水方法是目前世界上唯一直接找水的地球物理方法[1]。發(fā)射機是核磁共振找水儀的核心部分，而發(fā)射的交變脈沖電流的質(zhì)量直接關(guān)系到地下水探測的深度和反演的精度。因此，設計一臺發(fā)射功率大、頻率精度高、自動(dòng)調整諧振電容的電源是本文重點(diǎn)研究的內容,研制實(shí)現的電源最高可以產(chǎn)生3 000 V、400 A的正弦脈沖信號,滿(mǎn)足100 m以?xún)鹊牡叵滤綔y的要求。解決了發(fā)射功率小、頻率精度低、關(guān)斷后能量釋放慢等關(guān)鍵性的技術(shù)難題，為利用核磁共振技術(shù)探測地下水奠定了堅實(shí)的基礎。
水中的氫核具有微弱的磁性，在地磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生宏觀(guān)的磁矩。向鋪在地面上的發(fā)射線(xiàn)圈中輸入一交變電流脈沖，其頻率等于氫質(zhì)子在穩定能級的旋進(jìn)頻率(亦稱(chēng)拉莫爾頻率)。該交變電流脈沖在垂直于地磁場(chǎng)方向產(chǎn)生一激發(fā)磁場(chǎng),使水中氫質(zhì)子的宏觀(guān)磁矩停留在垂直于地磁場(chǎng)方向,切斷激發(fā)交變電流脈沖后,撤去激發(fā)磁場(chǎng),水中氫質(zhì)子產(chǎn)生繞地磁場(chǎng)的旋進(jìn)運動(dòng),此時(shí),用接收線(xiàn)圈拾取由激發(fā)脈沖矩激發(fā)產(chǎn)生的氫質(zhì)子核磁共振信號NMR(Nuclear Magnetic Resonance),通過(guò)反演得到地下水的厚度、深度、含水量等信息[2]。
1 核心電路設計
電源系統主要由頻率產(chǎn)生模塊、DC-DC逆變模塊、驅動(dòng)電路模塊、大功率交變脈沖產(chǎn)生模塊、諧配電容參數調整模塊、電容儲能模塊、發(fā)射線(xiàn)圈以及單片機組成,如圖1所示。

電源系統的工作過(guò)程是：首先通過(guò)PC機把測試點(diǎn)的拉莫爾頻率、DC-DC逆變模塊輸出電壓、采集模式等參數送入單片機，然后由單片機通過(guò)DA模塊設定逆變模塊的輸出電壓值及頻率產(chǎn)生模塊的頻率參數，其中頻率產(chǎn)生模塊輸出的信號經(jīng)過(guò)驅動(dòng)電路模塊和大功率交變脈沖模塊產(chǎn)生功方波，再經(jīng)過(guò)串聯(lián)在線(xiàn)圈中的諧振電容，變換為發(fā)生核磁共振所需的正弦波激發(fā)脈沖；AD模塊完成逆變模塊輸出端電壓的實(shí)時(shí)采樣，比較預置電壓和輸出電壓的大小來(lái)決定是否繼續給電容充電；諧配電容參數調整模塊利用電路諧振,自動(dòng)調整電容的大小，并確定發(fā)射過(guò)程中電容的最佳值。一次發(fā)射的脈沖信號持續時(shí)間為40 ms，然后停止發(fā)射，經(jīng)過(guò)約70 ms的線(xiàn)圈能量釋放時(shí)間后，完成一次發(fā)射。
1.1 頻率發(fā)生器及驅動(dòng)電路的實(shí)現
　 頻率發(fā)生器的電路主要完成產(chǎn)生精度高的方波信號，控制IPM輸出頻率可變的交流信號。在世界范圍內，地磁場(chǎng)強度在30 000 nT~60 000 nT范圍變化，對應拉莫爾頻率范圍為1.3 kHz~3.7 kHz[3-4]。NMR對激發(fā)脈沖的頻率精度要求非常高，利用多次采集疊加提高信噪比的方法接收天線(xiàn)上的NMR信號，在探測點(diǎn)每次發(fā)射的脈沖必須保持同頻同相，因此采用ADI公司高集成度的DDS芯片AD9851作為頻率發(fā)生器的主控芯片。AD9851接口功能控制簡(jiǎn)單，32位頻率控制字,在180 MHz時(shí)鐘下，輸出頻率分辨率達0.037 2 Hz，完全可以滿(mǎn)足發(fā)射機的發(fā)射要求。驅動(dòng)電路主要是對AD9851輸出的方波進(jìn)行放大，然后驅動(dòng)IGBT功率管，產(chǎn)生交流信號?？紤]到通過(guò)IGBT的電流最高達到400 A,本文選取了三菱公司的M57962L作為驅動(dòng)模塊，該驅動(dòng)模塊內部集成了3 000 V的高隔離、高電壓的光電耦合器，過(guò)流保護電路和過(guò)流保護端子，具有封閉性短路保護功能，滿(mǎn)足實(shí)驗要求。
1.2 大功率交變脈沖模塊電路的實(shí)現
大功率交變脈沖模塊的設計是電源設計的核心技術(shù)和難點(diǎn)。大功率交變脈沖模塊的功能是：通過(guò)天線(xiàn)和諧配電容箱組成的LC回路，發(fā)射特定頻率的交變電流信號，從而產(chǎn)生垂直于地磁場(chǎng)方向的交變磁場(chǎng)，最終激發(fā)地下水中的氫核磁矩發(fā)生偏轉而產(chǎn)生自由感應衰減信號(FID)。由于核磁共振接收到的有效信號為納伏(nV)級，因此激發(fā)的交變磁場(chǎng)強度越大，則激發(fā)的脈沖矩(q=I0t)越強，從而保證接收的核磁共振信號越強,探測地下水的深度就會(huì )越精確。
因此采用方波全橋逆變技術(shù)設計了電壓型H橋電路，由AD9851產(chǎn)生的高精度拉莫爾頻率的脈沖經(jīng)過(guò)死區時(shí)間產(chǎn)生電路、驅動(dòng)電路后控制H橋4個(gè)臂的間隔導通，在輸出端產(chǎn)生大功率的方波，經(jīng)過(guò)發(fā)射線(xiàn)圈和諧振電容后，變成發(fā)射所需的正弦功率波。在實(shí)際電路設計中，采用三菱公司的2塊大功率PM400DSA060模塊(簡(jiǎn)稱(chēng)IPM)構成H橋電路，代替由4個(gè)獨立的IGBT功率管組成的電路，不僅把功率開(kāi)關(guān)器件和驅動(dòng)電路集成在一起，而且通過(guò)內置過(guò)電壓、過(guò)電流和過(guò)熱等故障檢測電路，將檢測信號送到單片機，實(shí)現對IPM發(fā)射狀態(tài)的實(shí)時(shí)監測。大功率IPM模塊電路如圖2所示。

由于開(kāi)關(guān)器件不可避免地存在關(guān)斷時(shí)間，即從控制器發(fā)出關(guān)斷控制信號到 H橋開(kāi)關(guān)器件徹底關(guān)斷,會(huì )有一定的延遲時(shí)間，這個(gè)時(shí)間通常稱(chēng)之為死區時(shí)間或空載時(shí)間[4]。因此需要在發(fā)送控制信號的同時(shí)把這個(gè)時(shí)間考慮進(jìn)去，避免因為4個(gè)IGBT同時(shí)導通造成發(fā)射回路短路燒毀器件。本文設計了圖2(c)所示的IPM模塊死區時(shí)間的產(chǎn)生電路，利用電容的充放電來(lái)實(shí)現硬延時(shí)操作，產(chǎn)生IPM關(guān)斷所需的死區時(shí)間。與傳統的軟件延時(shí)相比，具有操作簡(jiǎn)單、控制精確的特點(diǎn)。
1.3 發(fā)射單元及快速切換電路的實(shí)現
　 發(fā)射機發(fā)射單元的等效電路如圖3所示，利用核磁共振的方法探測地下水時(shí)，發(fā)射和接收為同一線(xiàn)圈。當探測深度為100 m時(shí)，線(xiàn)圈中的電流可達400 A,電壓可達3 000 V，而接收回來(lái)的NMR信號只有納伏級，因此，發(fā)射和接收之間的開(kāi)關(guān)必須快速切換。本文從穩定、安全的角度出發(fā)，設計了利用耐高壓真空繼電器,實(shí)現發(fā)射和接收的快速切換和隔離。當發(fā)射時(shí)，C1和L組成串聯(lián)諧振回路，發(fā)射完成后，C1、C2、R、L組成放電回路，等待70 ms，線(xiàn)圈中的能量耗盡時(shí)，切換到接收回路，接收NMR信號。R為100 ?贅大功率電阻，發(fā)射完成后接入放電回路，用于快速釋放線(xiàn)圈中的能量。C2在整個(gè)發(fā)射過(guò)程中具有重要的作用，并由L和C1組成串聯(lián)諧振回路，在其諧振頻率等于輸入的方波頻率時(shí)，電路發(fā)生諧振，此時(shí)的頻率等于測試點(diǎn)的拉莫爾頻率。

當發(fā)射停止后，發(fā)射回路快速切換到釋能狀態(tài)。C1、C2、L存儲的能量會(huì )產(chǎn)生自激振蕩，但是自由衰減的頻率和拉莫爾頻率不再相等，保證了接收回來(lái)的NMR信號來(lái)自發(fā)射而不是自由衰減產(chǎn)生。因為在自由衰減過(guò)程中，C1、C2、R、L共同參與，則自由衰減的頻率:

通過(guò)實(shí)驗測試可知，C=(C1×C2）/(C1+C2),C2≈0.5C1,自由衰減的頻率約為拉莫爾頻率的1.2倍。核磁共振時(shí)，發(fā)射回路的諧振頻率為探測點(diǎn)的拉莫爾頻率，通過(guò)式(1)可知，放電時(shí)自由衰減的頻率遠大于拉莫爾頻率，這樣就不會(huì )對地下的氫核產(chǎn)生核磁共振的影響，放電回路的獨特設計保證了發(fā)射完畢后在最短的時(shí)間內快速切換到接收狀態(tài)[5-6]。
2 實(shí)驗結果
　 基于DDS的變頻精密脈沖型電源的實(shí)驗環(huán)境為某礦山的實(shí)驗基地。已知地下30 m處有厚度為3 m的地下水倉，本儀器實(shí)地探測到了精確的地下水存在。當頻率為2 000 Hz時(shí)，系統中IGBT控制信號的波形如圖4所示。當電源系統頻率為2 000 Hz時(shí)，輸出120 A電流波形如圖5所示。當電源系統輸出電流為150 A,頻率分別為2 420.5 Hz、2 410.1 Hz、2 470.7 Hz時(shí)，PC機接收到的NMR信號如圖6所示。由圖可以看出，采用不同頻率發(fā)射、接收到的NMR信號的初始相位都相同，從而進(jìn)一步驗證了發(fā)射波形的有效性。表1的實(shí)驗數據是利用LC回路發(fā)射不同頻率的信號，其中諧配電容C的值由當地的拉莫爾頻率選定，線(xiàn)圈電感L的值固定不變，使電路工作在諧振狀態(tài),實(shí)測6組不同頻率和理論之間的誤差,DC/DC輸出為400 V，儲能電容為24 V。經(jīng)過(guò)計算分析得出以下結論:電源系統的發(fā)射頻率(f0) 的值在1 600 Hz~2 500 Hz范圍內時(shí)，測得實(shí)際發(fā)射頻率ft的值，其與f0之間的偏差范圍(fd)控制在0.20 Hz內，符合NMR技術(shù)要求的標準。

本文設計了一種大功率變頻精密脈沖型電源系統，與傳統的逆變電源相比，創(chuàng )新點(diǎn)是：自適應精確校準諧振電容技術(shù)，通過(guò)采樣發(fā)射回路的電流極值確定LC諧振回路的相關(guān)參數；快速關(guān)斷釋能技術(shù)及提高自由衰減頻率電路的巧妙設計，確保接收NMR信號的有效性；IPM功率模塊和M57962L驅動(dòng)模塊的使用，實(shí)現了大功率交變電流輸出。通過(guò)電路的仿真和野外探測，滿(mǎn)足探測的各項指標要求，對生產(chǎn)核磁共振找水儀發(fā)射機提供了成功的方案。
參考文獻
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