無(wú)級(jí)型交變磁場(chǎng)發(fā)生裝置的設(shè)計(jì)

胡國(guó)文+陸志峰+林萍+李超+李祥

摘要：研制了1款交變磁場(chǎng)發(fā)生裝置，采用DSP控制，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。采用鐵氧體作為導(dǎo)磁介質(zhì)設(shè)計(jì)了磁路，介紹了控制電路以及相關(guān)的反饋電路。逆變電路中，采用正弦脈寬調(diào)制（SPWM）信號(hào)控制，可以有效地調(diào)節(jié)逆變輸出，提高利用率。結(jié)果表明：該裝置能穩(wěn)定地發(fā)出交變磁場(chǎng)，有效模擬生活中的不同磁場(chǎng)環(huán)境，可以應(yīng)用于生物試驗(yàn)，幫助研究交變磁場(chǎng)對(duì)生物的影響。

關(guān)鍵詞：交變磁場(chǎng)；SPWM；生物試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：S24

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2016）04-0377-03

隨著科技的進(jìn)步與發(fā)展、電氣化程度的不斷提高，所有生物的生存環(huán)境將充斥越來(lái)越多的電磁場(chǎng)，這引起人們的重視，因此研究電磁場(chǎng)對(duì)生物產(chǎn)生的影響逐漸成為焦點(diǎn)。研究表明，電磁輻射嚴(yán)重影響人類乃至其他生物體的健康，電磁場(chǎng)生物效應(yīng)與生物組織的電磁學(xué)特性密切相關(guān)[1-2]。電磁場(chǎng)可使細(xì)胞形態(tài)、DNA、蛋白質(zhì)合成、細(xì)胞活性及生物遺傳產(chǎn)生明顯變化[3]。

現(xiàn)階段，對(duì)于電磁場(chǎng)生物效應(yīng)的研究有很多，主要集中在醫(yī)學(xué)、生物工程等領(lǐng)域。但是，可以模擬人類生活環(huán)境中的各類磁場(chǎng)的發(fā)生裝置并不多，而且大多數(shù)只能發(fā)出恒定磁場(chǎng)，或者不能實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，對(duì)于進(jìn)行電磁場(chǎng)生物效應(yīng)的研究有一定的局限性[4-5]。本研究設(shè)計(jì)的電磁場(chǎng)發(fā)生裝置可以分別調(diào)節(jié)頻率磁場(chǎng)，模擬不同環(huán)境、不同磁場(chǎng)對(duì)生物的影響，并且可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，從而提高了裝置的使用靈活性。1 工作原理分析

圖1為系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框架，可以看出本設(shè)計(jì)主要由逆變電路、控制電路和磁路輸出組成。由于對(duì)輸出交變磁場(chǎng)的頻率要求較高，所以采用單相交流電源（220 V、50 Hz）經(jīng)過(guò)整流、濾波，變?yōu)橹绷麟娫?，由直流斬波電路按需整定，再送入逆變器。在控制電路中，調(diào)節(jié)作用于逆變模塊的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，采用正弦脈寬調(diào)制（SPWM）控制技術(shù)[6-7]，將直流電流源再轉(zhuǎn)化為高頻交流電源。為了將裝置內(nèi)電壓穩(wěn)定在期望值內(nèi)，防止過(guò)壓，需要將輸出電壓、電流進(jìn)行隔離采樣，經(jīng)調(diào)理后將調(diào)理信號(hào)送給DSP，再經(jīng)過(guò)其內(nèi)部的控制算法處理，獲得修正后的SPWM信號(hào)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。輸出的交流電源通過(guò)線圈，激勵(lì)線圈內(nèi)的鐵氧體，從而發(fā)出可控的交變磁場(chǎng)，可以應(yīng)用于生物育苗，模擬電磁場(chǎng)對(duì)生物體的影響。為了確保電路的穩(wěn)定，系統(tǒng)設(shè)定了相應(yīng)的短路保護(hù)，以及過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)等。

2 磁路設(shè)計(jì)

本裝置的磁路設(shè)計(jì)及尺寸見(jiàn)圖2。由于空氣的磁阻遠(yuǎn)大于磁介質(zhì)，磁場(chǎng)在空氣中衰減很快，因此本設(shè)計(jì)的氣隙磁場(chǎng)強(qiáng)度相比棒狀或者“U”形磁路可以得到明顯增強(qiáng)。根據(jù)系統(tǒng)的工作頻率，主要有3種材料可供選擇：鐵氧體、波莫合金及非晶態(tài)軟磁材料。就導(dǎo)磁性能而言，波莫合金、非晶軟磁材料明顯優(yōu)于鐵氧體，但是考慮到系統(tǒng)的制作成本及精度要求，鐵氧體更適合此裝置。經(jīng)討論，最終選取鋅錳鐵氧體，初始磁導(dǎo)率為5 000。采用高導(dǎo)磁性能的導(dǎo)磁材料作為磁芯，可以起到集磁作用，將磁通約束在磁芯內(nèi)部，增加電磁轉(zhuǎn)化率，提高整個(gè)系統(tǒng)的工作效率[8]。

由于漏磁的存在以及磁化曲線的非線性等因素，使得磁路計(jì)算比較復(fù)雜，此處假設(shè)了部分近似條件：（1）只考慮主磁通；（2）磁路分為若干段，且每段有相同的截面、相同的磁介質(zhì)，各段磁路中的磁場(chǎng)強(qiáng)度相同，方向與中心線平行；（3）任意截面上的磁通分布均勻。

本裝置選用鐵氧體作為磁介質(zhì)，磁滯回線狹長(zhǎng)、電導(dǎo)率小，在諧振狀態(tài)下，勵(lì)磁電流做正弦變化且峰值不大，使鐵芯工作在其基本磁化曲線飽和點(diǎn)以下近似直線段，磁通的波形變化接近正弦波形，因此以上公式可以不考慮鐵芯的磁滯渦流損耗，近似作為磁路設(shè)計(jì)的理論依據(jù)[9]。線圈采用2 mm2漆包線，允許最大電流可以達(dá)到10 A，線圈數(shù)選用200匝。

3 控制方案設(shè)計(jì)

3.1 驅(qū)動(dòng)電路

逆變電路中的開(kāi)關(guān)器件（MOSFET）由DSP發(fā)出的SPWM信號(hào)控制其開(kāi)通或者關(guān)斷。為了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性，需要將弱電側(cè)與強(qiáng)電側(cè)進(jìn)行隔離。圖3給出了系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電路，其中隔離裝置采用高速隔離光耦6N137，輸入、輸出分別采用2個(gè)獨(dú)立的電源。

圖3中，R1、R2為限流電阻，根據(jù)6N137的特性，可以取250～500 Ω左右，防止電流過(guò)大損壞6N137，為了吸收輸出端的紋波，可以在8腳、5腳接上吸收電容，同時(shí)在8腳、6腳

之間采用上拉電阻，改善輸出能力。驅(qū)動(dòng)芯片采用IR2110，該芯片可以驅(qū)動(dòng)雙通道高速、高壓功率開(kāi)關(guān)器件，只需要簡(jiǎn)單的外圍電路就可構(gòu)成性能良好的驅(qū)動(dòng)電路。在實(shí)際的電路中，C4、C5 2邊可以并聯(lián)1個(gè)0.1 μF的濾波電容，可以吸收毛刺，提高抗干擾能力。二極管D1為自舉二極管，采用耐壓600 V的快恢復(fù)二極管11DF6。

3.2 反饋

3.2.1 采樣電路 系統(tǒng)需要對(duì)輸出電壓、電流實(shí)時(shí)采樣，進(jìn)而對(duì)MOSFET驅(qū)動(dòng)信號(hào)修正，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出的控制。系統(tǒng)的反饋電路由傳感器采樣電路、信號(hào)調(diào)理電路轉(zhuǎn)化為弱電信號(hào)，送入DSP的AD口進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。采樣電流分別選用霍爾電流、電壓傳感器。霍爾電流傳感器型號(hào)為CSM025A，原邊輸入的額定電流為25 A，測(cè)量范圍-50～50 A，副邊額定輸出電流為25 mA，輸出側(cè)接1個(gè)采樣電阻，當(dāng)霍爾傳感器工作在額定狀態(tài)時(shí)，可以提供1個(gè)最大為2.5 V的電壓信號(hào)?；魻栯妷簜鞲衅鬟x型為VSM025A，額定輸入10 mA，測(cè)量范圍-14～14 mA，額定輸出25 mA，原邊采用功率較高的限流電阻，使傳感器工作在額定范圍，與電流采樣相同，霍爾電壓傳感器副邊也需接1個(gè)采樣電阻，經(jīng)過(guò)適當(dāng)保護(hù)后輸入DSP。

3.2.2 調(diào)理電路 輸入DSP的信號(hào)應(yīng)為0～3 V直流信號(hào)，由于霍爾電壓傳感器所檢測(cè)的是經(jīng)整理后的直流側(cè)電壓，經(jīng)采樣后，只需接上相應(yīng)隔離保護(hù)電路便可輸入DSP；但是，霍爾電流傳感器測(cè)得的電流信號(hào)為交流信號(hào)，因此需要加相應(yīng)的調(diào)理電路（圖4）。調(diào)理電路采用的主要芯片為AD736，頻率范圍0～460 Hz，精度較準(zhǔn)，測(cè)量速度快。C1、C5為0.1 μF濾波電容，D1、D2為高速開(kāi)關(guān)二極管（1N4148），起保護(hù)作用。

4 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通過(guò)改變SPWM的參數(shù)，可以有效地控制系統(tǒng)的輸出。通過(guò)改變SPWM信號(hào)的頻率，可以實(shí)現(xiàn)改變交變磁場(chǎng)的頻率，而磁場(chǎng)的強(qiáng)度，隨線圈中電流大小的改變而改變。圖5為系統(tǒng)的工作流程。

系統(tǒng)上電后，首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化設(shè)置，初始頻率設(shè)為50 Hz，發(fā)出SPWM信號(hào)的同時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行AD采樣，并根據(jù)采樣值采取相應(yīng)的調(diào)節(jié)。當(dāng)DSP接收到新的控制命令后，便開(kāi)始重新載入電壓及頻率參數(shù)，修正SPWM信號(hào)。

5 結(jié)果與分析

根據(jù)上述方案研制的交變磁場(chǎng)發(fā)生裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)交變磁場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)和頻率的調(diào)節(jié)，線圈中電流大小決定場(chǎng)強(qiáng)的大小，也可以通過(guò)電壓幅值間接地反映出來(lái)。此裝置的頻率調(diào)節(jié)范圍30～2 000 Hz，場(chǎng)強(qiáng)變化范圍為0～40 mT。

在實(shí)際工作中，選擇的諧振頻率應(yīng)略大于理論值，使裝置工作在準(zhǔn)諧振狀態(tài)，防止裝置工作于容性狀態(tài)，導(dǎo)致裝置燒毀。圖6為系統(tǒng)工作時(shí)的繞組電壓電流波形。

由于試驗(yàn)環(huán)境的干擾，存在一定的毛刺，經(jīng)過(guò)校正并不影響該裝置的使用。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，可以到應(yīng)用于研究電磁場(chǎng)的生物磁效應(yīng)?？紤]到此裝置所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)強(qiáng)度有限，在后期試驗(yàn)中，可以增加線圈匝數(shù)、提高系統(tǒng)的工作電流以提高裝置所產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度，總之，該設(shè)計(jì)方案完全可行。

6 結(jié)論

本設(shè)計(jì)的交變磁場(chǎng)發(fā)生裝置可以分別調(diào)節(jié)磁場(chǎng)的強(qiáng)度、頻率，在生物育種或者生物試驗(yàn)中所需要的低頻段實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。該裝置簡(jiǎn)單可靠，完全可應(yīng)用于研究生物育種以及相關(guān)的生物試驗(yàn)，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

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