專利名稱：：感性負載的單極性梯形脈沖電流控制方法及裝置的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及一種感性負載的單極性梯形脈沖電流控制方法及裝置，適用于瞬變電磁法探測的發(fā)送機在發(fā)送線圈中產(chǎn)生脈沖電流，應用于地球物理勘探、無損檢測領域。
背景技術：
：瞬變電磁法是探測地下介質(zhì)電性參數(shù)等信息的重要方法之一，在礦產(chǎn)勘探、地下水探測、工程監(jiān)測和土壤鹽堿化調(diào)査、無損檢測等領域具有廣闊的應用前景。瞬變電磁法通常是利用幅值恒定的脈沖電流在地下建立一次磁場，脈沖電流周期性關斷，檢測地質(zhì)體產(chǎn)生的二次磁場，通過分析和處理二次場數(shù)據(jù)，確定地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)。目前，瞬變電磁法以發(fā)射雙極性方波脈沖電流作為激勵場源，現(xiàn)有技術也主要是利用方波脈沖電流的下降沿。采用雙極性方波脈沖電流的原因在于，在正、負向電流關斷后，在感應線圈會產(chǎn)生符號相反、大小相等的感應電壓，兩次信號相減，可增強信號，并可消除系統(tǒng)零點。實際上，脈沖電流的上升沿也是可以利用的，如果發(fā)射單極性梯形脈沖電流，上升和下降沿同樣會在感應線圈產(chǎn)生符號相反、大小相等的感應電壓。采用雙極性方波脈沖電流，其利用效率降低了一半，同時，產(chǎn)生雙極性方波脈沖電流需采用全橋結(jié)構(gòu)，功率管數(shù)量較多，功耗大，控制較復雜。如果產(chǎn)生單極性梯形脈沖電流，主電路將不再需要全橋結(jié)構(gòu)，功率管的數(shù)量將會減少，功耗大大降低，有利縮小儀器體積，使系統(tǒng)輕便化。上升沿沒有被利用的主要原因是負載是感性負載，嚴重影響了發(fā)射電流的形狀，脈沖電流并不是理想的雙極性方波，脈沖電流上升沿(前沿)是按指數(shù)或分段線性上升，而脈沖電流的下降沿(后沿)為斜階躍波形，前、后沿不對稱。如專利授權(quán)號為ZL200410081518.9的"具有上升沿提升能力的電流脈沖下降沿線性可調(diào)的控制方法及裝置"，能實現(xiàn)下降沿線性可調(diào)，但不能實現(xiàn)上升沿線性可調(diào)。又如專利授權(quán)號為ZL200810069272.1的"感性負載的寬頻恒幅交流方波電流控制方法及裝置"，能實現(xiàn)上升沿、下降沿線性，但上升沿和下降沿并不對稱，產(chǎn)生的電流為雙極性交流方波。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明針對上述的不足，提供了一種感性負載的單極性梯形脈沖電流控制方法及裝置，使發(fā)射電流前沿線性上升、前后沿對稱，實現(xiàn)了單極性梯形脈沖電流。為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明的技術方案是1.一種感性負載的單極性梯形脈沖電流控制方法，該方法按以下順序步驟進行(1).合上開關S，通過調(diào)節(jié)時序控制3，調(diào)節(jié)輸出負載電流"O的頻率，負載電流的周期須大于電子開關的開通、關斷時間之和；(2).恒流源控制電路6和恒流電感2構(gòu)成一個恒流源，通過調(diào)節(jié)恒流源控制電路6中恒流源基準電壓電路，設定恒流源電流幅值；(3).調(diào)節(jié)負載電流控制電路1中負載電流基準電壓電路，設定負載電流幅值；(4).時序控制3的輸出端、恒流源控制電路6的輸出端和負載電流控制電路1的輸出端，分別連接到驅(qū)動信號合成電路7的輸入端，驅(qū)動信號合成電路7按驅(qū)動信號合成電路真值表1-1完成邏輯運算后，分別輸出信號Yi、Y2到驅(qū)動電路8的兩個輸入端，驅(qū)動電路8的兩個輸出端分別連接到第一開關管A和第二開關管J2的控制端；從而控制開關管的導通和關斷，按設定頻率輸出脈沖電流，并使恒流源輸出的電流以及負載電流都穩(wěn)定在設定值；驅(qū)動信號合成電路真值表1-1<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>表中..1-表示高電平；0-表示低電平；Ko-開關使能時序信號；Kr負載電流周期信號；K2-恒流源控制電路輸出信號；K3-負載電流控制電路輸出信號；Yr驅(qū)動信號合成電路輸出端信號；Y2-驅(qū)動信號合成電路另一輸出端輸出信號；(5).設定上升鉗位器件9的恒壓鉗位電壓K，從而改變發(fā)射電流上升沿的斜率，P;遠大于K,使上升沿線性上升，K須小于所有開關管、所有二極管的最小額定耐壓；(6).按公式③設定下降鉗位器件10的恒壓鉗位電壓^，從而改變發(fā)射電流下降沿的斜率，使下降沿線性下降；在f。時刻恒流電感2中的電流達到設定值；在^^期間第一開關管A關斷，第二開關管J2導通，恒流源與負載電感接通，負載電流開始上升，上升沿恒壓鉗位電路4開始工作，給負載提供上升沿恒壓鉗位電壓^，K遠大于直流電源電壓^，負載電流由零線性上升到/;在^2~/3期間開關使能時序信號Ko為高電平l，第一開關管A、第二開關管J2允許開關動作，負載電流控制電路l中的負載電流采樣電路轉(zhuǎn)換/。(0為電壓信號，通過和負載電流控制電路l中的負載電流基準電壓電路作比較，使第一比較器Ai輸出控制信號到驅(qū)動信號合成電路7，驅(qū)動信號合成電路7按驅(qū)動信號合成電路真值表1-1完成邏輯運算后，分別輸出信號Y。Y2到驅(qū)動電路8的兩個輸入端，驅(qū)動電路8的兩個輸出端分別輸出控制信號到第一開關管A和第二開關管J2的控制端，使第一開關管A、第二開關管J2關斷或?qū)?，保證負載電流/。")在設定值/;在^"期間第一開關管A導通，第二開關管J2關斷，下降沿恒壓鉗位電路5開始工作，給負載提供下降沿恒壓鉗位電壓^，使負載電流由/線性下降到零；在~~/2期間開關使能時序信號Ko為低電平O，第一開關管JJ呆持關斷狀態(tài)、第二開關管J2保持導通狀態(tài)，第一開關管Ji和第二開關管J2禁止開關動作，保證數(shù)據(jù)采集不受電子開關噪聲干擾；在^1期間，開關使能時序信號Ko為低電平O，第一開關管A保持導通狀態(tài)、第二開關管J2保持關斷狀態(tài)，第一開關管Ji和第二開關管J2禁止開關動作，保證數(shù)據(jù)采集不受電子開關噪聲干擾；其中鉗位器件是指當它經(jīng)受瞬間的高能量沖擊時，能吸收瞬間大電流，把它的兩端電壓箝制在一個預定的數(shù)值上;々-負載電流開始上升時刻；^-開關管使能時刻；~-負載電流下降到零時刻；/。(0-負載電流；Ko-開關使能時序信號；^負載電流上升到/時刻;l負載電流幵始下降時刻;^-開關管使能時刻；/-負載電流幅值；Yr驅(qū)動信號合成電路輸出端信號；Y2-驅(qū)動信號合成電路另一輸出端輸出信號；^-上升沿恒壓鉗位電壓；&-下降沿恒壓鉗位電壓；(7).計算負載電流下降沿斜率絕對值《，以下的"斜率"均指斜率的絕對值:/。(0由/下降到零的斜率①其中^-負載電阻；7-負載電流幅值；(8).計算負載電流上升沿斜率S/。(0由零上升到/的斜率A-負載電感量；p;-下降沿恒壓鉗位電壓;尸2=其中A-負載電感量；K-上升沿恒壓鉗位電壓；從①、②兩式可知，改變K或^的值，使則可實現(xiàn)負載電流上升和下降沿斜率相等;(9X計算負載電流上升、下降時間負載電流上升時間^ln(l-,)④負載電流下降時間G2=-Aln(^-z。(0由/下降到零的時間；^-負載電感量；K-下降沿恒壓鉗位電壓；其中/,;。(/)由零上升到/的時間；^-負載電阻；^-上升沿恒壓鉗位電壓；/-負載電流幅值；(10).恒流電感￡2的確定為實現(xiàn)/。W在輸出期間恒定，/￡2(0應大于/，因此，可假設/￡2(0在負載電流"0上升到/值時刻達到最小值厶2^;/i2W的最大值在負載電流為零期間上升到設定值/u^;在負載電流上升期間，/￡2(0電流按下式下降⑥■L2max厶在^時刻，下降到最小值，i2maxK-^二1—L2min⑦將式④代入上式，得:丄，77A(Cln(1-，)「1丄2min』L2max乂丄、L要使負載電流恒定，則必須使:ll2mm〉.其中i^負載電阻；V負載電感量；K-上升沿恒壓鉗位電壓；^-直流電源電壓；^2(0-恒流源輸出電流；/-負載電流幅值；42min-恒流源輸出的最小電流幅值；〔2皿-恒流源輸出的最大電流幅值，小于開關管能承受的最大電流。2.—種感性負載的單極性梯形脈沖電流控制裝置，其特征在于該裝置包括直流電源^、恒流電感2、恒流源控制電路6、時序控制3、上升沿恒壓鉗位電路4、下降沿恒壓鉗位電路5、上升鉗位器件9、下降鉗位器件IO、負載電流控制電路1、驅(qū)動信號合成電路7、驅(qū)動電路8、兩個全控型電力電子器件第一開關管A和第二開關管J2、第一二極管Dp第二開關管D2、第三二極管D3和第四開關管D4;直流電源^與開關S—端連接，開關S另一端與恒流電感2—端連接，恒流電感2另一端與第五二極管D5正極連接，第五二極管D5的負極與感性負載11的A端連接，感性負載11的B端與第二開關管J2—端、第四二極管D4的負極連接，第二開關管J2的另一端與第四二極管D4的正極、直流電源P^負極連接；第一開關管A—端與第三二極管D3的負極、第五二極管Ds的負極連接，第一開關管A另一端與第三二極管D3的正極、直流電源^負極相連接；第一二極管Dj的正極與感性負載11的A端連接，第一二極管Di的負極連接上升鉗位器件9的一端，上升鉗位器件9的另一端連接直流電源^的負極；第二二極管D2的正極與感性負載11的B端連接，第二二極管D2的負極與下降鉗位器件10的一端連接，下降鉗位器件10的另一端與直流電源^的負極連接。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的感性負載的單極性梯形脈沖電流裝置，其特征在于上升沿恒壓鉗位電路4和下降沿恒壓鉗位電路5;第一二極管Di與上升鉗位器件9組成上升沿恒壓鉗位電路4，第二二極管D2與下降鉗位器件10組成下降沿恒壓鉗位電路5，上升沿恒壓鉗位電路4和下降沿恒壓鉗位電路5分別連接到感性負載11的A、B兩端，從而給負載提供上升沿恒壓鉗位電壓^和下降沿恒壓鉗位電壓^，使負載電流能夠線性上升和下降。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的感性負載的單極性梯形脈沖電流裝置，其特征在于恒流源控制電路6和負載電流控制電路1;恒流源控制電路6包括恒流源電流采樣電路、恒流源基準電壓電路、由第二比較器A2和電阻^、R2、R3構(gòu)成的滯環(huán)控制電路，恒流源電流采樣電路轉(zhuǎn)換^(0為電壓信號，并和恒流源基準電壓電路做比較，當其小于恒流源基準電壓電路的電壓時，恒流源控制電路6輸出信號K2為高電平1，反之K2為低電平0;負載電流控制電路l包括負載電流采樣電路、負載電流基準電壓電路和第一比較器Ap負載電流采樣電路轉(zhuǎn)換/。(0為電壓信號，并和負載電流基準電壓電路做比較，當其小于負載電流基準電壓電路的電壓時，負載電流控制電路1輸出信號Ks為低電平0，反之K3為高電平1。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的感性負載的單極性梯形脈沖電流裝置，其特征在于驅(qū)動信號合成電路7;驅(qū)動信號合成電路7的輸入端分別與恒流源控制電路6的輸出端、負載電流控制電路1的輸出端和時序控制3的輸出端相連接，驅(qū)動信號合成電路7的兩個輸出端分別連接到驅(qū)動電路8的兩個輸入端，驅(qū)動電路8的兩個輸出端分別連接到第一開關管J,和第二開關管J2的控制端；驅(qū)動信號合成電路7通過把時序控制3輸出的信號Ko和Id、恒流源控制電路6輸出的信號K2和負載電流控制電路1輸出的信號K3按驅(qū)動信號合成電路真值表1-1完成邏輯運算后，分別輸出信號Y。Y2到驅(qū)動電路8的兩個輸入端，驅(qū)動電路8的兩個輸出端分別輸出控制信號到第一開關管A、第二開關管J2的控制端，控制第一開關管J,、第二開關管J2的導通或關斷，按設定頻率輸出脈沖電流，并使恒流源輸出的電流以及負載電流都穩(wěn)定在設定值。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，其技術效果是:1.負載電流在由零到/和由/到零的變換期間，負載電壓分別鉗位在上升沿恒壓鉗位龜壓K和下降沿恒壓鉗位電壓^上，實現(xiàn)了負載電流前、后沿線性上升，按公式③確定上升沿恒壓鉗位電壓K和下降沿恒壓鉗位電壓&的關系，能實現(xiàn)前、后沿對稱。2.設定上升鉗位器件9的鉗位電壓^和下降鉗位器件10的鉗位電壓^可分別實現(xiàn)電流上升時間和下降時間可調(diào)。3.采用了恒流電感2和負載電流控制電路1，實現(xiàn)了負載電流幅值的恒定，不隨電源電壓、工作頻率、負載的變化而變化。圖1是本發(fā)明負載電流波形圖和時序控制信號的時序圖2是本發(fā)明裝置的組成框圖3是本發(fā)明裝置組成框圖的電路拓撲；圖4是實測恒流源輸出電流波形圖5是實測驅(qū)動信號合成電路輸出的Y2信號和負載電流波形圖；圖6是實測負載電流上升沿波形及其鉗位電壓波形圖；圖7是實測負載電流下降沿波形及其鉗位電壓波形圖。在圖1中的上圖是負載電流波形圖，其中符號含義如下f。-負載電流開始上升時刻；^負載電流上升到/時刻；^-開關管使能時刻；^負載電流開始下降時刻；、-負載電流下降到零時刻；/5-開關管使能時刻；^-負載電流由零開始上升到/的時間；^-負載電流由/開始下降到零的時間；^-開關管保持狀態(tài)的時間；"O-負載電流；/-負載電流幅值。圖1中的下圖是時序控制信號的時序圖，其中符號含義如下l-高電平；O-低電平；K。-開關使能時序信號；K,-負載電流周期信號；當開關使能時序信號Ko為低電平O，第一開關管A、第二開關管J2處于保持狀態(tài)，禁止開關動作，保證數(shù)據(jù)采集不受電子開關噪聲干擾；當開關使能時序信號Ko為高電平l，第一開關管A、第二開關管J2允許開關動作，使恒流源輸出的電流以及負載電流都穩(wěn)定在設定值；在f。時刻K,為高電平l，第二開關管J2導通，第一開關管A關斷，Ko為低電平0，將保持第一開關管A、第二開關管J2此刻的狀態(tài)，禁止開關動作；到,2時刻Ko為高電平l，允許第一開關管Ji、第二開關管J2開關動作，穩(wěn)定恒流源輸出的電流以及負載電流都在設定值；在^時刻&為低電平0，第二開關管J2關斷，第一開關管導通J"Ko為低電平0，將保持第一開關管A、第二開關管J2此刻的狀態(tài)，禁止開關動作；到^時刻Ko為高電平l，允許第一開關管Ji、第二開關管J2開關動作，穩(wěn)定恒流源輸出的電流在設定值。圖2至圖3中l(wèi)-負載電流控制電路；2-恒流電感；3-時序控制；4-上升沿恒壓鉗位電路；5-下降沿恒壓鉗位電路；6-恒流源控制電路；7-驅(qū)動信號合成電路;8-驅(qū)動電路；圖3中9-上升鉗位器件；10-下降鉗位器件；ll-感性負載；Ko-開關使能時序信號；K,-負載電流周期信號；K2-恒流源控制電路輸出信號；K3-負載電流控制電路輸出信號；Yr驅(qū)動信號合成電路輸出端信號；Y2-驅(qū)動信號合成電路另一輸出端輸出信號。圖4中X表示橫坐標，每格為50^;Y表示縱坐標，每格為10A。圖5中的上圖是實測負載電流在恒流期間驅(qū)動信號合成電路輸出的Y2信號，圖中X表示橫坐標，每格為50w，Y表示縱坐標，每格為5V;下圖是實測負載電流波形，圖中X表示橫坐標，每格為50w，Y表示縱坐標，每格為10A。圖6中的上圖是實測負載電流上升沿波形，圖中X表示橫坐標，每格為50^，Y表示縱坐標，每格為10A;下圖是上升沿恒壓鉗位電壓^波形，圖中X表示橫坐標，每格為50jus，Y表示縱坐標，每格為200V。圖7中的上圖是實測負載電流下降沿波形，圖中X表示橫坐標，每格為50w，Y表示縱坐標，每格為10A;下圖是下降沿恒壓鉗位電壓K波形，圖中X表示橫坐標，每格為50p，Y表示縱坐標，每格為200V。具體實施例方式本發(fā)明將結(jié)合附圖做進一步詳細說明。該發(fā)明的具體控制方法按以下順序步驟進行1.合上開關S，通過調(diào)節(jié)時序控制3，調(diào)節(jié)輸出發(fā)射電流"/)的頻率，使發(fā)射電流的頻率為32Hz;2.調(diào)節(jié)恒流源控制電路6中的恒流源基準電壓電路，設定恒流源電流幅值，按式⑦計算恒流源電流，使電流幅值達到設定值28A;3.調(diào)節(jié)負載電流控制電路1中的負載電流基準電壓電路，設定負載電流幅值，使電流幅值達到20A;4.調(diào)整上升鉗位器件9，使上升沿恒壓鉗位電壓G達到610V;5.調(diào)整下降鉗位器件10，使下降沿恒壓鉗位電壓^達到600V;6.開關管采用1200V、100A的IGBT模塊；7.—個周期內(nèi)的負載電流在H期間第一開關管Ji關斷，第二開關管J2導通，恒流電感A與負載電感A串聯(lián)，第一二極管Di導通，將負載電感電壓鉗位在上升沿恒壓鉗位電壓F^610V上，！。(/)由零線性上升到/;在/2、期間負載電流控制電路1輸出控制信號到驅(qū)動信號合成電路7，驅(qū)動信號合成電路7按驅(qū)動信號合成電路真值表1-1完成邏輯運算后，輸出信號到驅(qū)動電路8，使第一開關管A、第二開關管J2關斷或?qū)?，保證負載電流a,)在設定值/;在,3~~期間第一開關管A導通，第二開關管J2關斷，第二二極管D2導通，將負載電感電壓鉗位在下降沿恒壓鉗位電壓F^600V上，，'。(0由/線性下降到零；在^~/2期間開關使能時序信號Ko為低電平O，第一開關管A保持關斷狀態(tài)、第二開關管J2保持導通狀態(tài)，第一開關管Ji和第二開關管J2禁止開關動作，保證數(shù)據(jù)采集不受電子開關噪聲干擾；在^^期間，開關使能時序信號Ko為低電平O，第一開關管JJ呆持導通狀態(tài)、第二開關管J2保持關斷狀態(tài)，第一開關管A和第二開關管J2禁止開關動作，保證數(shù)據(jù)采集不受電子開關噪聲干擾；開關使能時序信號Ko與負載電流周期信號Kp恒流源控制電路輸出信號K2、負載電流控制電路輸出信號K3的邏輯關系見驅(qū)動信號合成電路真值表1-1;驅(qū)動信號合成電路真值表1-1<table>tableseeoriginaldocumentpage21</column></row><table>表中:1-表示高電平；0-表示低電平；Ko-開關使能時序信號；Kr負載電流周期信號；K2-恒流源控制電路輸出信號；K3-負載電流控制電路輸出信號；Yr驅(qū)動信號合成電路輸出端信號；Y2-驅(qū)動信號合成電路另一輸出端輸出信號；8.實測數(shù)據(jù)發(fā)射電流20A，直流電源電壓^=37.7V，恒流電感Z2=3.89mH，恒流源電流28A,感性負載內(nèi)阻&=0.53Q，感性負載電感量^=1.51///，上升沿恒壓鉗位電壓^=61(^，下降沿恒壓鉗位電壓^=600尸，電子開關采用1200V、IOOA的IGBT模塊，電流上升時間Q=50^;電流下降時間^2=50^;9.計算負載電流下降沿斜率S，以下的"斜率"均指斜率的絕對值-"0由/下降到零的斜率0.53x20+600=404xl03L51xl0-3其中A=0.53Q，^=1.51附//，/=2(L4，72=600「；10.計算負載電流上升沿斜率尸2"0由零上升到/的斜率6101.51xl(T3=404xl03其中丄,1.51附/7，^=6107;ll.計算負載電流上升、下降時間負載電流上升時間|ln(l-,)負載電流下降時間t2=-^1n(^i^)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage22</formula>其中A"'51附^"，A=0.53Q，K=610r，r2=600F，/=2(U;12.恒流電感i^的確定根據(jù)公式⑧、⑨知<formula>formulaseeoriginaldocumentpage22</formula>其中/腸=20丄U"，一1.5M，^=0肌巧=匿JS=37J。如圖2所示，本發(fā)明的裝置包括直流電源^、恒流電感2、恒流源控制電路6、時序控制3、上升沿恒壓鉗位電路4、下降沿恒壓鉗位電路5、負載電流控制電路l、驅(qū)動信號合成電路7、驅(qū)動電路8、電子開關。如圖3所示，直流電源^與開關S—端連接，開關S另一端與恒流電感2—端連接，恒流電感2另一端與第五二極管D5正極連接，第五二極管Ds的負極與感性負載11的A端連接，感性負載11的B端與第二開關管J2—端、第四二極管D4的負極相連接，第二開關管J2的另一端與第四二極管D4的正極、直流電源^負極相連接；第一開關管^一端與第三二極管D3的負極、第五二極管Ds的負極相連接，第一開關管Ji另一端與第三二極管D3的正極、直流電源^負極相連接；第一二極管"的正極與感性負載11的A端連接，第一二極管"的負極連接上升鉗位器件9的一端，上升鉗位器件9的另一端連接直流電源^的負極；第二二極管D2的正極與感性負載11的B端連接，第二二極管D2的負極與下降鉗位器件10的一端連接，下降鉗位器件10的另一端與直流電源^的負極連接。恒流源控制電路6包括恒流源電流采樣電路、恒流源基準電壓電路、由第二比較器A2和電阻R、R2、R3構(gòu)成的滯環(huán)控制電路，恒流源電流采樣電路轉(zhuǎn)換U0為電壓信號，并和恒流源基準電壓電路做比較，當其小于恒流源基準電壓電路的電壓時，恒流源控制電路6輸出信號K2為高電平1，反之K2為低電平0。負載電流控制電路1包括負載電流采樣電路、負載電流基準電壓電路和第一比較器Ai，負載電流采樣電路轉(zhuǎn)換/。(/)為電壓信號，并和負載電流基準電壓電路做比較，當其小于負載電流基準電壓電路的電壓時，負載電流控制電路1輸出信號K3為低電平0，反之Ks為高電平l。驅(qū)動信號合成電路7的輸入端分別與恒流源控制電路6的輸出端、負載電流控制電路1的輸出端、時序控制3的輸出端相連接，驅(qū)動信號合成電路7的兩個輸出端分別與驅(qū)動電路8的兩個輸入端相連接，驅(qū)動電路8的兩個輸出端分別連接到第一開關管J,和第二開關管J2的控制端。當負載電流"f)小于設定值/時，負載電流采樣電路轉(zhuǎn)換"O為電壓信號，通過和負載電流控制電路1中的負載電流基準電壓電路作比較，使第一比較器Ai輸出控制信號Ks到驅(qū)動信號合成電路7，驅(qū)動信號合成電路7按驅(qū)動信號合成電路真值表1-1完成邏輯運算后，輸出信號Yi到驅(qū)動電路8的一個輸入端，驅(qū)動電路8的輸出端輸出高電平1控制信號到第一開關管A的控制端，使第一開關管Ji關斷，恒流源給負載電感A補充能量，使負載電流/。(0上升到/;同理，當/。(^大于/時，驅(qū)動電路8輸出端輸出低電平0控制信號到第一開關管A的控制端，第一開關管A導通，負載電感A釋放能量，使負載電流"0下降到/，從而維持負載電流在設定值/。通過調(diào)節(jié)負載電流控制電路l中的負載電流基準電壓電路，可實現(xiàn)/的可調(diào)。通過設定上升鉗位器件9的鉗位電壓^和下降鉗位器件10的鉗位電壓^可分別實現(xiàn)上升沿、下降沿斜率可調(diào)，從而可以實現(xiàn)負載電流上升時間和下降時間可調(diào)以及上升沿和下降沿對稱。如圖4所示實測恒流源電流28A，恒流電感￡2=3.89附//。如圖5、圖6、圖7所示實測發(fā)射電流20A，直流電源電壓^=37.77，感性負載內(nèi)阻^=0.530，感性負載電感量丄^1.51w//，上升沿恒壓鉗位電壓r,610r，下降沿恒壓鉗位電壓r「600r，開關管采用1200V、IOOA的IGBT模塊，電流上升時間^=50^;電流下降時間=50^。本發(fā)明實現(xiàn)了上升沿線性上升，上升沿、下降沿斜率可調(diào)和上升沿、下降沿對稱，使負載電流幅值恒定，產(chǎn)生了單極性梯形脈沖電流。2權(quán)利要求1、一種感性負載的單極性梯形脈沖電流控制方法，其特征在于該方法按以下順序步驟進行(1).合上開關S，通過調(diào)節(jié)時序控制3，調(diào)節(jié)輸出負載電流io(t)的頻率，負載電流的周期須大于電子開關的開通、關斷時間之和；(2).恒流源控制電路6和恒流電感2構(gòu)成一個恒流源，通過調(diào)節(jié)恒流源控制電路6中恒流源基準電壓電路，設定恒流源電流幅值；(3).調(diào)節(jié)負載電流控制電路1中負載電流基準電壓電路，設定負載電流幅值；(4).時序控制3的輸出端、恒流源控制電路6的輸出端和負載電流控制電路1的輸出端，分別連接到驅(qū)動信號合成電路7的輸入端，驅(qū)動信號合成電路7按驅(qū)動信號合成電路真值表1-1完成邏輯運算后，分別輸出信號Y1、Y2到驅(qū)動電路8的兩個輸入端，驅(qū)動電路8的兩個輸出端分別連接到第一開關管J1和第二開關管J2的控制端；從而控制開關管的導通和關斷，按設定頻率輸出脈沖電流，并使恒流源輸出的電流以及負載電流都穩(wěn)定在設定值；驅(qū)動信號合成電路真值表1-1<tablesid="tabl0001"num="0001"wi="169"></tables><tablesid="tabl0002"num="0002"wi="171"></tables>表中1-表示高電平；0-表示低電平；K0-開關使能時序信號；K1-負載電流周期信號；K2-恒流源控制電路輸出信號；K3-負載電流控制電路輸出信號；Y1-驅(qū)動信號合成電路輸出端信號；Y2-驅(qū)動信號合成電路另一輸出端輸出信號；(5).設定上升鉗位器件9的恒壓鉗位電壓V1，從而改變發(fā)射電流上升沿的斜率，V1遠大于VS，使上升沿線性上升，V1須小于所有開關管、所有二極管的最小額定耐壓；(6).按公式③設定下降鉗位器件10的恒壓鉗位電壓V2，從而改變發(fā)射電流下降沿的斜率，使下降沿線性下降；在t0時刻恒流電感2中的電流達到設定值；在t0～t1期間第一開關管J1關斷，第二開關管J2導通，恒流源與負載電感接通，負載電流開始上升，上升沿恒壓鉗位電路4開始工作，給負載提供上升沿恒壓鉗位電壓V1，V1遠大于直流電源電壓VS，負載電流由零線性上升到I；在t2～t3期間開關使能時序信號K0為高電平1，第一開關管J1、第二開關管J2允許開關動作，負載電流控制電路1中的負載電流采樣電路轉(zhuǎn)換io(t)為電壓信號，通過和負載電流控制電路1中的負載電流基準電壓電路作比較，使第一比較器A1輸出控制信號到驅(qū)動信號合成電路7，驅(qū)動信號合成電路7按驅(qū)動信號合成電路真值表1-1完成邏輯運算后，分別輸出信號Y1、Y2到驅(qū)動電路8的兩個輸入端，驅(qū)動電路8的兩個輸出端分別輸出控制信號到第一開關管J1和第二開關管J2的控制端，使第一開關管J1、第二開關管J2關斷或?qū)?，保證負載電流io(t)在設定值I；在t3～t4期間第一開關管J1導通，第二開關管J2關斷，下降沿恒壓鉗位電路5開始工作，給負載提供下降沿恒壓鉗位電壓V2，使負載電流由I線性下降到零；在t0～t2期間開關使能時序信號K0為低電平0，第一開關管J1保持關斷狀態(tài)、第二開關管J2保持導通狀態(tài)，第一開關管J1和第二開關管J2禁止開關動作，保證數(shù)據(jù)采集不受電子開關噪聲干擾；在t3～t5期間，開關使能時序信號K0為低電平0，第一開關管J1保持導通狀態(tài)、第二開關管J2保持關斷狀態(tài)，第一開關管J1和第二開關管J2禁止開關動作，保證數(shù)據(jù)采集不受電子開關噪聲干擾；其中鉗位器件是指當它經(jīng)受瞬間的高能量沖擊時，能吸收瞬間大電流，把它的兩端電壓箝制在一個預定的數(shù)值上；t0-負載電流開始上升時刻；t1-負載電流上升到I時刻；t2-開關管使能時刻；t3-負載電流開始下降時刻；t4-負載電流下降到零時刻；t5-開關管使能時刻；io(t)-負載電流；I-負載電流幅值；K0-開關使能時序信號；Y1-驅(qū)動信號合成電路輸出端信號；Y2-驅(qū)動信號合成電路另一輸出端輸出信號；V1-上升沿恒壓鉗位電壓；V2-下降沿恒壓鉗位電壓；(7).計算負載電流下降沿斜率絕對值P1，以下的“斜率”均指斜率的絕對值io(t)由I下降到零的斜率<mathsid="math0001"num="0001"><math><![CDATA[<mrow><msub><mi>P</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mo>|</mo><mfrac><mrow><msub><mi>di</mi><mn>0</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mi>dt</mi></mfrac><mo>|</mo><mo>=</mo><mo>|</mo><mfrac><mrow><msub><mi>R</mi><mi>L</mi></msub><mi>I</mi><mo>+</mo><msub><mi>V</mi><mn>2</mn></msub></mrow><msub><mi>L</mi><mn>1</mn></msub></mfrac><mo>|</mo></mrow>]]></math>id="icf0003"file="A2009101909450005C1.tif"wi="39"he="11"top="82"left="29"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/></maths>①其中RL-負載電阻；L1-負載電感量；I-負載電流幅值；V2-下降沿恒壓鉗位電壓；(8).計算負載電流上升沿斜率P2io(t)由零上升到I的斜率<mathsid="math0002"num="0002"><math><![CDATA[<mrow><msub><mi>P</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mo>|</mo><mfrac><mrow><msub><mi>di</mi><mn>0</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mi>dt</mi></mfrac><mo>|</mo><mo>=</mo><mo>|</mo><mfrac><msub><mi>V</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>L</mi><mn>1</mn></msub></mfrac><mo>|</mo></mrow>]]></math>id="icf0004"file="A2009101909450005C2.tif"wi="29"he="12"top="154"left="29"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/></maths>②其中L1-負載電感量；V1-上升沿恒壓鉗位電壓；從①、②兩式可知，改變V1或V2的值，使V2＝V1-IRL③則可實現(xiàn)負載電流上升和下降沿斜率相等；(9).計算負載電流上升、下降時間負載電流上升時間<mathsid="math0003"num="0003"><math><![CDATA[<mrow><msub><mi>t</mi><mrow><mi>d</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mo>-</mo><mfrac><msub><mi>L</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>R</mi><mi>L</mi></msub></mfrac><mi>ln</mi><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><mfrac><msub><mi>IR</mi><mi>L</mi></msub><msub><mi>V</mi><mn>1</mn></msub></mfrac><mo>)</mo></mrow></mrow>]]></math>id="icf0005"file="A2009101909450005C3.tif"wi="34"he="10"top="248"left="75"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/></maths>④負載電流下降時間<mathsid="math0004"num="0004"><math><![CDATA[<mrow><msub><mi>t</mi><mrow><mi>d</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mo>-</mo><mfrac><msub><mi>L</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>R</mi><mi>L</mi></msub></mfrac><mi>ln</mi><mrow><mo>(</mo><mfrac><msub><mi>V</mi><mn>2</mn></msub><mrow><msub><mi>V</mi><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>IR</mi><mi>L</mi></msub></mrow></mfrac><mo>)</mo></mrow></mrow>]]></math>id="icf0006"file="A2009101909450005C4.tif"wi="37"he="10"top="265"left="75"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/></maths>⑤其中td1-io(t)由零上升到I的時間；td2-io(t)由I下降到零的時間；RL-負載電阻；L1-負載電感量；V1-上升沿恒壓鉗位電壓；V2-下降沿恒壓鉗位電壓；I-負載電流幅值；(10).恒流電感L2的確定為實現(xiàn)io(t)在輸出期間恒定，iL2(t)應大于I，因此，可假設iL2(t)在負載電流io(t)上升到I值時刻達到最小值IL2min；iL2(t)的最大值在負載電流為零期間上升到設定值IL2max；在負載電流上升期間，iL2(t)電流按下式下降<mathsid="math0005"num="0005"><math><![CDATA[<mrow><msub><mi>i</mi><mrow><mi>L</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mrow><mi>L</mi><mn>2</mn><mi>max</mi></mrow></msub><mo>-</mo><mfrac><mrow><msub><mi>V</mi><mn>1</mn></msub><mo>-</mo><msub><mi>V</mi><mi>S</mi></msub></mrow><msub><mi>L</mi><mn>2</mn></msub></mfrac><mi>t</mi></mrow>]]></math>id="icf0007"file="A2009101909450006C1.tif"wi="38"he="9"top="121"left="30"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/></maths>⑥在t＝td1時刻，下降到最小值，<mathsid="math0006"num="0006"><math><![CDATA[<mrow><msub><mi>i</mi><mrow><mi>L</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mrow><mi>L</mi><mn>2</mn><mi>max</mi></mrow></msub><mo>-</mo><mfrac><mrow><msub><mi>V</mi><mn>1</mn></msub><mo>-</mo><msub><mi>V</mi><mi>S</mi></msub></mrow><msub><mi>L</mi><mn>2</mn></msub></mfrac><msub><mi>t</mi><mrow><mi>d</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mrow><mi>L</mi><mn>2</mn><mi>min</mi></mrow></msub></mrow>]]></math>id="icf0008"file="A2009101909450006C2.tif"wi="53"he="9"top="147"left="30"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/></maths>⑦將式④代入上式，得<mathsid="math0007"num="0007"><math><![CDATA[<mrow><msub><mi>L</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>L</mi><mn>1</mn></msub><mrow><mo>(</mo><msub><mi>V</mi><mn>1</mn></msub><mo>-</mo><msub><mi>V</mi><mi>S</mi></msub><mo>)</mo></mrow><mi>ln</mi><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><mfrac><msub><mi>IR</mi><mi>L</mi></msub><msub><mi>V</mi><mn>1</mn></msub></mfrac><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mrow><mo>(</mo><msub><mi>I</mi><mrow><mi>L</mi><mn>2</mn><mi>min</mi></mrow></msub><mo>-</mo><msub><mi>I</mi><mrow><mi>L</mi><mn>2</mn><mi>max</mi></mrow></msub><mo>)</mo></mrow><msub><mi>R</mi><mi>L</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>]]></math>id="icf0009"file="A2009101909450006C3.tif"wi="70"he="16"top="173"left="30"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/></maths>⑧要使負載電流恒定，則必須使IL2min＞I⑨其中RL-負載電阻；L1-負載電感量；V1-上升沿恒壓鉗位電壓；VS-直流電源電壓；iL2(t)-恒流源輸出電流；I-負載電流幅值；IL2min-恒流源輸出的最小電流幅值；IL2max-恒流源輸出的最大電流幅值，小于開關管能承受的最大電流。2.—種感性負載的單極性梯形脈沖電流控制裝置，其特征在于該裝置包括直流電源^、恒流電感2、恒流源控制電路6、時序控制3、上升沿恒壓鉗位電路4、下降沿恒壓鉗位電路5、上升鉗位器件9、下降鉗位器件IO、負載電流控制電路1、驅(qū)動信號合成電路7、驅(qū)動電路8、兩個全控型電力電子器件第一開關管A和第二開關管J2、第一二極管D"第二開關管D2、第三二極管D3和第四開關管D4;直流電源r,與開關S—端連接，開關S另一端與恒流電感2—端連接，恒流電感2另一端與第五二極管Ds正極連接，第五二極管D5的負極與感性負載ll的A端連接，感性負載11的B端與第二開關管J2—端、第四二極管D4的負極連接，第二開關管J2的另一端與第四二極管D4的正極、直流電源^負極連接；第一開關管Ji一端與第三二極管D3的負極、第五二極管Ds的負極連接，第一開關管J,另一端與第三二極管D3的正極、直流電源^負極相連接；第一二極管A的正極與感性負載11的A端連接，第一二極管Di的負極連接上升鉗位器件9的一端，上升鉗位器件9的另一端連接直流電源^的負極；第二二極管D2的正極與感性負載11的B端連接，第二二極管D2的負極與下降鉗位器件10的一端連接，下降鉗位器件10的另一端與直流電源^的負極連接。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的感性負載的單極性梯形脈沖電流裝置，其特征在于上升沿恒壓鉗位電路4和下降沿恒壓鉗位電路5;第一二極管^與上升鉗位器件9組成上升沿恒壓鉗位電路4，第二二極管D2與下降鉗位器件10組成下降沿恒壓鉗位電路5,上升沿恒壓鉗位電路4和下降沿恒壓鉗位電路5分別連接到感性負載11的A、B兩端，從而給負載提供上升沿恒壓鉗位電壓^和下降沿恒壓鉗位電壓^，使負載電流能夠線性上升和下降。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的感性負載的單極性梯形脈沖電流裝置，其特征在于恒流源控制電路6和負載電流控制電路1;恒流源控制電路6包括恒流源電流采樣電路、恒流源基準電壓電路、由第二比較器A2和電阻R、R2、R3構(gòu)成的滯環(huán)控制電路，恒流源電流采樣電路轉(zhuǎn)換^(0為電壓信號，并和恒流源基準電壓電路做比較，當其小于恒流源基準電壓電路的電壓時，恒流源控制電路6輸出信號K2為高電平1，反之K2為低電平0;負載電流控制電路l包括負載電流采樣電路、負載電流基準電壓電路和第一比較器A"負載電流采樣電路轉(zhuǎn)換Z。(f)為電壓信號，并和負載電流基準電壓電路做比較，當其小于負載電流基準電壓電路的電壓時，負載電流控制電路1輸出信號K3為低電平0，反之K3為高電平1。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的感性負載的單極性梯形脈沖電流裝置，其特征在于驅(qū)動信號合成電路7;驅(qū)動信號合成電路7的輸入端分別與恒流源控制電路6的輸出端、負載電流控制電路1的輸出端和時序控制3的輸出端相連接，驅(qū)動信號合成電路7的兩個輸出端分別連接到驅(qū)動電路8的兩個輸入端，驅(qū)動電路8的兩個輸出端分別連接到第一開關管1和第二開關管J2的控制端；驅(qū)動信號合成電路7通過把時序控制3輸出的信號Ko和Kp恒流源控制電路6輸出的信號K2和負載電流控制電路1輸出的信號K3按驅(qū)動信號合成電路真值表1-1完成邏輯運算后，分別輸出信號Yi、Y2到驅(qū)動電路8的兩個輸入端，驅(qū)動電路8的兩個輸出端分別輸出控制信號到第一開關管A、第二開關管J2的控制端，控制第一開關管A、第二開關管J2的導通或關斷，按設定頻率輸出脈沖電流，并使恒流源輸出的電流以及負載電流都穩(wěn)定在設定值。全文摘要一種感性負載的單極性梯形脈沖電流控制方法及裝置，適用于瞬變電磁法的發(fā)送機在發(fā)送線圈中產(chǎn)生脈沖電流，應用于地球物理勘探、無損檢測領域。本發(fā)明的方法包括設定恒流源電流幅值、負載電流幅值，計算恒流電感，設定上升沿鉗位電壓和下降沿鉗位電壓，改變上升沿和下降沿斜率，驅(qū)動信號合成電路控制開關管的導通和關斷，輸出單極性梯形脈沖電流。本發(fā)明的裝置包括直流電源、恒流電感、恒流源控制電路、感性負載、上升沿恒壓鉗位電路、下降沿恒壓鉗位電路、負載電流控制電路、時序控制電路、驅(qū)動信號合成電路、驅(qū)動電路、電子開關。該發(fā)明的優(yōu)點是實現(xiàn)了負載電流線性上升，前、后沿對稱，負載電流幅值恒定，產(chǎn)生了單極性梯形脈沖電流。文檔編號G01V3/02GK101672931SQ20091019094公開日2010年3月17日申請日期2009年9月24日優(yōu)先權(quán)日2009年9月24日發(fā)明者付志紅,劉翔宇,常承志,張淮清,朱學貴申請人:重慶大學