一種新型數(shù)控可變電感的研究與設(shè)計*

劉漫霞，張 輝，陳古典，龔 文

(中山大學(xué)智能交通研究中心，廣州510006)

近年來，電路系統(tǒng)的數(shù)字化控制需求日益增加，因此往往需要電路中的各種原件參數(shù)也能夠進(jìn)行數(shù)字化調(diào)節(jié)和控制，數(shù)控電阻［1］、數(shù)控電容［2］等可以通過數(shù)字控制參數(shù)的電路元器件應(yīng)運而生。但是，由于電感換路過程中出現(xiàn)的過壓等問題［3］，使得電感量數(shù)字可控的電感元件難以實現(xiàn)。

目前，電感元件電感量的改變通常采用機(jī)械式調(diào)節(jié)，其基本方式包括:磁芯可調(diào)電感器、銅芯可調(diào)電感器、滑動接點可調(diào)電感器、串聯(lián)互感可調(diào)電感器和多抽頭可調(diào)電感器［4-7］等。這些方式很難實現(xiàn)實時在線自動調(diào)節(jié)，且不能夠按照使用者需求來精確定量控制電感值的大小。因此在實際應(yīng)用中存在很大的局限性。因此，需要設(shè)計一種電感量電子可調(diào)的結(jié)構(gòu)和方法，才能實現(xiàn)電感量的數(shù)字化控制。已有一些學(xué)者應(yīng)用電力電子技術(shù)設(shè)計，實現(xiàn)電感量的電子調(diào)節(jié)［8］，但是由于其結(jié)構(gòu)和成本方面的原因，通常應(yīng)用于電力網(wǎng)絡(luò)中，并不適合一般電子線路的使用。

為此，本文針對這一問題，應(yīng)用電感間的互感特性，設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)簡單，適用于一般電子線路的新型數(shù)控可變電感，實現(xiàn)了電路中電感量的數(shù)字化控制。

1 數(shù)控可變電感設(shè)計原理

由一般電路知識［3］可知，當(dāng)兩個電感距離比較近，且其中都有電流流過時，兩者電磁場會相互影響導(dǎo)致兩個電感的特性發(fā)生改變，兩者之間影響的大小即為兩個電感之間的互感。本文設(shè)計的可變電感就是應(yīng)用了這一基本特性。其基本原理如圖1所示。

圖1中，電感L1即為接入電路的被控制電感稱為主電感;電感L2稱為附屬電感，用于調(diào)節(jié)和控制，且電感L1和電感L2之間的互感為M。設(shè)L1接入電路后兩端的電壓為ui，流經(jīng)L2的電流為i1;控制電路按照ui的大小產(chǎn)生一個電壓kui加載在附屬電感L2兩端，流經(jīng)L2的電流為i2。

圖1 可變電感原理結(jié)構(gòu)圖

此時，圖1的原理結(jié)構(gòu)圖中主電感L1和附屬電感L2兩個回路中可以推導(dǎo)出以下兩個等式:

對于正弦交流輸入［9］，不考慮瞬態(tài)過程［10］的情況下，式(1)和式(2)的穩(wěn)態(tài)表達(dá)式為:

其中，I1是流經(jīng)電感L1的穩(wěn)態(tài)電流，I2是流經(jīng)電感L2的穩(wěn)態(tài)電流，Ui是L1接入電路后的穩(wěn)態(tài)電壓。

由式(3)、式(4)可得到主電感輸入端的等效電抗為:

對比式(5)和一般電感Lx的感抗特性:

其中，UL為電感上交流電壓的幅值，IL為電感上交流電流的幅值，可以發(fā)現(xiàn)對于主電感輸入端，其等效電感為:

由式(7)可知，L1，L2，M都是定值，等效電感L值的只與放大倍數(shù)k值的大小相關(guān)。因此可以通過改變k值的大小來調(diào)節(jié)等效電感L的電感量。

根據(jù)以上討論，只需設(shè)計一個數(shù)字可控的放大器，對主電感的電壓進(jìn)行k倍的放大作為附屬電感的驅(qū)動信號，即可實現(xiàn)對電感參數(shù)的數(shù)字化控制。

2 電感調(diào)節(jié)控制電路模塊設(shè)計

為了實現(xiàn)式(7)的電感量控制，本設(shè)計如圖2所示的數(shù)控可變電感電路，其主要包括:主電感L1，附屬電感L2，以及控制電路——電壓跟隨器電路、比例運算電路、數(shù)字電位器電路和功率放大電路。

(1)電壓跟隨器電路一

電壓跟隨器電路的主要功能是提高輸入阻抗，減小對前級電路的負(fù)擔(dān)，在所設(shè)計的電路結(jié)構(gòu)中，電壓跟隨器1主要保證控制電路不對主電感所在的主回路電壓電流造成額外干擾;電壓跟隨器2主要用于減小數(shù)字電位器的負(fù)載，降低輸出電流。這兩個跟隨器電路可以統(tǒng)一采用運算放大器構(gòu)成的跟隨器(結(jié)構(gòu)如圖3所示)，它不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且輸入輸出之間沒有相位差，不會對式(7)的實現(xiàn)造成不利影響。

圖2 數(shù)控可變電感結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 電壓跟隨器電路

(2)數(shù)字電位器電路模塊

數(shù)控可變電感的核心在于設(shè)計數(shù)字可控的放大器，根據(jù)輸入的數(shù)字量調(diào)節(jié)放大系數(shù)k以實現(xiàn)電感參數(shù)的數(shù)字可控。而數(shù)字電位器正是這樣一種器件，他可以根據(jù)輸入數(shù)字指令準(zhǔn)確地進(jìn)行電阻值調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)對輸入信號的分壓。本文采用X9241數(shù)字電位器實現(xiàn)這一過程。

圖4 數(shù)字電位器X9241電路圖

數(shù)字電位器X9241的電路圖如圖4所示，其中，SCL和SDA分別為I2C總線的時鐘線和數(shù)據(jù)線，用于接收外部的數(shù)字指令，需要加上拉電阻，起限流和輸出高電平的作用［11］。數(shù)字電位器X9241里有4個電位器，本電路中使用第3個電位器，即高端、低端和滑動端分別為VH2、VL2和VW2。VL2接經(jīng)過跟隨器隔離的輸入信號ui，VH2接地，VW2端則輸出經(jīng)過數(shù)字電位器改變的輸出信號kui。

外部控制系統(tǒng)通過SDA和SCL給X9241發(fā)送數(shù)據(jù)指令，改變數(shù)字電位器滑動計數(shù)寄存器(WCR)的數(shù)值(最大為63，最小為0)，k1隨即發(fā)生變化，其具體表達(dá)式可以表示為:

因此0≤k1≤1。例如，當(dāng)滑動端的數(shù)據(jù)內(nèi)容為10時，k1=10/63。

(3)比例運算電路

由于數(shù)字電位器只能實現(xiàn)分壓的功能，即它的調(diào)節(jié)系數(shù)0≤k1≤1，數(shù)值范圍過小，往往難以滿足實際需要，為此加入比例運算環(huán)節(jié)，將數(shù)字電位器的輸出信號進(jìn)行k2倍放大，進(jìn)而得到附屬電感上的加載電壓值kui=k1k2ui。其中k2可以通過同相比例運算電路實現(xiàn)，結(jié)構(gòu)如圖5所示。同相比例運算電路中，輸出電壓與輸入電壓成正比關(guān)系，且二者相位相同［11］，放大系數(shù)k2為:

圖5 同相比例運算電路

(4)功率放大電路

通過數(shù)字電位器和比例運算電路初步的確定了一個變化系數(shù)k值之后，需要功率放大電路來放大電路的輸出功率，從而推動電感L2工作，使其與電感L1產(chǎn)生互感效應(yīng)，最終實現(xiàn)可變電感的數(shù)字可控。

功率放大電路采用的無輸出電容的功率放大電路(OCL電路)，如圖6所示。這一電路不對輸入信號的電壓幅度進(jìn)行放大(即放大系數(shù)為1)，只提高電流的輸出能力用以驅(qū)動較重的負(fù)荷。其特點是結(jié)構(gòu)簡單，輸入輸出之間沒有相位差。

圖6 功率放大電路

3 實驗測試結(jié)果與分析

為了驗證電路的有效性，應(yīng)用第2節(jié)所述電路進(jìn)行實驗測試，在L1=L2=65 μH，k2=10的條件下，調(diào)節(jié)WCR值，通過諧振頻率法測得對應(yīng)的電感值如表1所示。從表1中可見，電感值與WCR的數(shù)值呈反比，即電感值隨著k值的增大而減小，與式(7)的規(guī)律一致。

表1 數(shù)控可變電感調(diào)節(jié)實驗結(jié)果

通過對WCR的階梯性調(diào)節(jié)改變電感值，記錄結(jié)果如圖7所示。從結(jié)果中可以看出其響應(yīng)較為迅速，不存在顯著的過渡過程，可以適應(yīng)連續(xù)調(diào)節(jié)。

圖7 數(shù)控可變電感連續(xù)調(diào)節(jié)實驗

實驗結(jié)果表明，所設(shè)計的數(shù)控可變電感完全可以實現(xiàn)電感的數(shù)字可控。但是，由于互感值比較小，因此在k2=10的情況下，調(diào)節(jié)范圍比較小，想獲得大的調(diào)節(jié)范圍可以增大k2，或者將比例運算電路改為反相比例放大器。另外，由于控制量k位于式(7)的分母上，它與等效電感值之間不是線性關(guān)系，實際使用中需要注意。

4 總結(jié)

所設(shè)計的數(shù)控可變電感在克服了傳統(tǒng)機(jī)械式可變電感不能實時在線數(shù)字化控制的缺點，而且結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計靈活，可以針對不同的主電感電流、電壓要求進(jìn)行設(shè)計，是一種較為方便的電感數(shù)字化調(diào)節(jié)方案。另外，需要指出的是，本文設(shè)計的數(shù)控可變電感采用了多個集成運算放大器來實現(xiàn)，其適用電壓范圍、工作頻率范圍均受集成運算放大器對應(yīng)性能的影響。

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