基于DDS的變頻精密脈沖型電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(jī)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(shè)計(jì)一臺(tái)發(fā)射功率大、頻率精度高、自動(dòng)調(diào)整諧振電容的電源是本文重點(diǎn)研究的內(nèi)容,研制實(shí)現(xiàn)的電源最高可以產(chǎn)生3 000 V、400 A的正弦脈沖信號(hào),滿足100 m以內(nèi)的地下水探測的要求。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(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
水中的氫核具有微弱的磁性，在地磁場的作用下產(chǎn)生宏觀的磁矩。向鋪在地面上的發(fā)射線圈中輸入一交變電流脈沖，其頻率等于氫質(zhì)子在穩(wěn)定能級(jí)的旋進(jìn)頻率(亦稱拉莫爾頻率)。該交變電流脈沖在垂直于地磁場方向產(chǎn)生一激發(fā)磁場,使水中氫質(zhì)子的宏觀磁矩停留在垂直于地磁場方向,切斷激發(fā)交變電流脈沖后,撤去激發(fā)磁場,水中氫質(zhì)子產(chǎn)生繞地磁場的旋進(jìn)運(yùn)動(dòng),此時(shí),用接收線圈拾取由激發(fā)脈沖矩激發(fā)產(chǎn)生的氫質(zhì)子核磁共振信號(hào)NMR(Nuclear Magnetic Resonance),通過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(shè)計(jì)
電源系統(tǒng)主要由頻率產(chǎn)生模塊、DC-DC逆變模塊、驅(qū)動(dòng)電路模塊、大功率交變脈沖產(chǎn)生模塊、諧配電容參數(shù)調(diào)整模塊、電容儲(chǔ)能模塊、發(fā)射線圈以及單片機(jī)組成,如圖1所示。

電源系統(tǒng)的工作過程是：首先通過PC機(jī)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(shù)送入單片機(jī)，然后由單片機(jī)通過DA模塊設(shè)定逆變模塊的輸出電壓值及頻率產(chǎn)生模塊的頻率參數(shù)，其中頻率產(chǎn)生模塊輸出的信號(hào)經(jīng)過驅(qū)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)過串聯(lián)在線圈中的諧振電容，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(yù)置電壓和輸出電壓的大小來決定是否繼續(xù)給電容充電；諧配電容參數(shù)調(diào)整模塊利用電路諧振,自動(dòng)調(diào)整電容的大小，并確定發(fā)射過程中電容的最佳值。一次發(fā)射的脈沖信號(hào)持續(xù)時(shí)間為40 ms，然后停止發(fā)射，經(jīng)過約70 ms的線圈能量釋放時(shí)間后，完成一次發(fā)射。
1.1 頻率發(fā)生器及驅(qū)動(dòng)電路的實(shí)現(xiàn)
　 頻率發(fā)生器的電路主要完成產(chǎn)生精度高的方波信號(hào)，控制IPM輸出頻率可變的交流信號(hào)。在世界范圍內(nèi)，地磁場強(qiáng)度在30 000 nT~60 000 nT范圍變化，對應(yīng)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上的NMR信號(hào)，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接口功能控制簡單，32位頻率控制字,在180 MHz時(shí)鐘下，輸出頻率分辨率達(dá)0.037 2 Hz，完全可以滿足發(fā)射機(jī)的發(fā)射要求。驅(qū)動(dòng)電路主要是對AD9851輸出的方波進(jìn)行放大，然后驅(qū)動(dòng)IGBT功率管，產(chǎn)生交流信號(hào)?？紤]到通過IGBT的電流最高達(dá)到400 A,本文選取了三菱公司的M57962L作為驅(qū)動(dòng)模塊，該驅(qū)動(dòng)模塊內(nèi)部集成了3 000 V的高隔離、高電壓的光電耦合器，過流保護(hù)電路和過流保護(hù)端子，具有封閉性短路保護(hù)功能，滿足實(shí)驗(yàn)要求。
1.2 大功率交變脈沖模塊電路的實(shí)現(xiàn)
大功率交變脈沖模塊的設(shè)計(jì)是電源設(shè)計(jì)的核心技術(shù)和難點(diǎn)。大功率交變脈沖模塊的功能是：通過天線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(hào)，從而產(chǎn)生垂直于地磁場方向的交變磁場，最終激發(fā)地下水中的氫核磁矩發(fā)生偏轉(zhuǎn)而產(chǎn)生自由感應(yīng)衰減信號(hào)(FID)。由于核磁共振接收到的有效信號(hào)為納伏(nV)級(jí)，因此激發(fā)的交變磁場強(qiáng)度越大，則激發(fā)的脈沖矩(q=I0t)越強(qiáng)，從而保證接收的核磁共振信號(hào)越強(qiáng),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(shè)計(jì)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)過死區(qū)時(shí)間產(chǎn)生電路、驅(qū)動(dòng)電路后控制H橋4個(gè)臂的間隔導(dǎo)通，在輸出端產(chǎn)生大功率的方波，經(jīng)過發(fā)射線圈和諧振電容后，變成發(fā)射所需的正弦功率波。在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中，采用三菱公司的2塊大功率PM400DSA060模塊(簡稱IPM)構(gòu)成H橋電路，代替由4個(gè)獨(dú)立的IGBT功率管組成的電路，不僅把功率開關(guān)器件和驅(qū)動(dòng)電路集成在一起，而且通過內(nèi)置過電壓、過電流和過熱等故障檢測電路，將檢測信號(hào)送到單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)對IPM發(fā)射狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。大功率IPM模塊電路如圖2所示。

由于開關(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(hào)到 H橋開關(guān)器件徹底關(guān)斷,會(huì)有一定的延遲時(shí)間，這個(gè)時(shí)間通常稱之為死區(qū)時(shí)間或空載時(shí)間[4]。因此需要在發(fā)送控制信號(hào)的同時(shí)把這個(gè)時(shí)間考慮進(jìn)去，避免因?yàn)?個(gè)IGBT同時(shí)導(dǎo)通造成發(fā)射回路短路燒毀器件。本文設(shè)計(jì)了圖2(c)所示的IPM模塊死區(qū)時(shí)間的產(chǎn)生電路，利用電容的充放電來實(shí)現(xiàn)硬延時(shí)操作，產(chǎn)生IPM關(guān)斷所需的死區(qū)時(shí)間。與傳統(tǒng)的軟件延時(shí)相比，具有操作簡單、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(xiàn)
　 發(fā)射機(jī)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)射和接收為同一線圈。當(dāng)探測深度為100 m時(shí)，線圈中的電流可達(dá)400 A,電壓可達(dá)3 000 V，而接收回來的NMR信號(hào)只有納伏級(jí)，因此，發(fā)射和接收之間的開關(guān)必須快速切換。本文從穩(wěn)定、安全的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了利用耐高壓真空繼電器,實(shí)現(xiàn)發(fā)射和接收的快速切換和隔離。當(dāng)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，線圈中的能量耗盡時(shí)，切換到接收回路，接收NMR信號(hào)。R為100 ?贅大功率電阻，發(fā)射完成后接入放電回路，用于快速釋放線圈中的能量。C2在整個(gè)發(fā)射過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(dāng)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(chǔ)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，保證了接收回來的NMR信號(hào)來自發(fā)射而不是自由衰減產(chǎn)生。因?yàn)樵谧杂伤p過程中，C1、C2、R、L共同參與，則自由衰減的頻率:

通過實(shí)驗(yàn)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，通過式(1)可知，放電時(shí)自由衰減的頻率遠(yuǎn)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(dú)特設(shè)計(jì)保證了發(fā)射完畢后在最短的時(shí)間內(nèi)快速切換到接收狀態(tài)[5-6]。
2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
　 基于DDS的變頻精密脈沖型電源的實(shí)驗(yàn)環(huán)境為某礦山的實(shí)驗(yàn)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(dāng)頻率為2 000 Hz時(shí)，系統(tǒng)中IGBT控制信號(hào)的波形如圖4所示。當(dāng)電源系統(tǒng)頻率為2 000 Hz時(shí)，輸出120 A電流波形如圖5所示。當(dāng)電源系統(tǒng)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(jī)接收到的NMR信號(hào)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(hào)的初始相位都相同，從而進(jìn)一步驗(yàn)證了發(fā)射波形的有效性。表1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是利用LC回路發(fā)射不同頻率的信號(hào)，其中諧配電容C的值由當(dāng)?shù)氐睦獱栴l率選定，線圈電感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(chǔ)能電容為24 V。經(jīng)過計(jì)算分析得出以下結(jié)論:電源系統(tǒng)的發(fā)射頻率(f0) 的值在1 600 Hz~2 500 Hz范圍內(nèi)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(nèi)，符合NMR技術(shù)要求的標(biāo)準(zhǔn)。

本文設(shè)計(jì)了一種大功率變頻精密脈沖型電源系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的逆變電源相比，創(chuàng)新點(diǎn)是：自適應(yīng)精確校準(zhǔn)諧振電容技術(shù)，通過采樣發(fā)射回路的電流極值確定LC諧振回路的相關(guān)參數(shù)；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(shè)計(jì)，確保接收NMR信號(hào)的有效性；IPM功率模塊和M57962L驅(qū)動(dòng)模塊的使用，實(shí)現(xiàn)了大功率交變電流輸出。通過電路的仿真和野外探測，滿足探測的各項(xiàng)指標(biāo)要求，對生產(chǎn)核磁共振找水儀發(fā)射機(jī)提供了成功的方案。
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