[发明专利]感性负载的单极性梯形脉冲电流控制方法及装置

摘要

一种感性负载的单极性梯形脉冲电流控制方法及装置，适用于瞬变电磁法的发送机在发送线圈中产生脉冲电流，应用于地球物理勘探、无损检测领域。本发明的方法包括：设定恒流源电流幅值、负载电流幅值，计算恒流电感，设定上升沿钳位电压和下降沿钳位电压，改变上升沿和下降沿斜率，驱动信号合成电路控制开关管的导通和关断，输出单极性梯形脉冲电流。本发明的装置包括直流电源、恒流电感、恒流源控制电路、感性负载、上升沿恒压钳位电路、下降沿恒压钳位电路、负载电流控制电路、时序控制电路、驱动信号合成电路、驱动电路、电子开关。该发明的优点是实现了负载电流线性上升，前、后沿对称，负载电流幅值恒定，产生了单极性梯形脉冲电流。

主权项

1、一种感性负载的单极性梯形脉冲电流控制方法，其特征在于该方法按以下顺序步骤进行：(1).合上开关S，通过调节时序控制3，调节输出负载电流i_o(t)的频率，负载电流的周期须大于电子开关的开通、关断时间之和；(2).恒流源控制电路6和恒流电感2构成一个恒流源，通过调节恒流源控制电路6中恒流源基准电压电路，设定恒流源电流幅值；(3).调节负载电流控制电路1中负载电流基准电压电路，设定负载电流幅值；(4).时序控制3的输出端、恒流源控制电路6的输出端和负载电流控制电路1的输出端，分别连接到驱动信号合成电路7的输入端，驱动信号合成电路7按驱动信号合成电路真值表1-1完成逻辑运算后，分别输出信号Y₁、Y₂到驱动电路8的两个输入端，驱动电路8的两个输出端分别连接到第一开关管J₁和第二开关管J₂的控制端；从而控制开关管的导通和关断，按设定频率输出脉冲电流，并使恒流源输出的电流以及负载电流都稳定在设定值；驱动信号合成电路真值表1-1表中：1-表示高电平；                       0-表示低电平；K₀-开关使能时序信号；                K₁-负载电流周期信号；K₂-恒流源控制电路输出信号；          K₃-负载电流控制电路输出信号；Y₁-驱动信号合成电路输出端信号；Y₂-驱动信号合成电路另一输出端输出信号；(5).设定上升钳位器件9的恒压钳位电压V₁，从而改变发射电流上升沿的斜率，V₁远大于V_S，使上升沿线性上升，V₁须小于所有开关管、所有二极管的最小额定耐压；(6).按公式③设定下降钳位器件10的恒压钳位电压V₂，从而改变发射电流下降沿的斜率，使下降沿线性下降；在t₀时刻：恒流电感2中的电流达到设定值；在t₀～t₁期间：第一开关管J₁关断，第二开关管J₂导通，恒流源与负载电感接通，负载电流开始上升，上升沿恒压钳位电路4开始工作，给负载提供上升沿恒压钳位电压V₁，V₁远大于直流电源电压V_S，负载电流由零线性上升到I；在t₂～t₃期间：开关使能时序信号K₀为高电平1，第一开关管J₁、第二开关管J₂允许开关动作，负载电流控制电路1中的负载电流采样电路转换i_o(t)为电压信号，通过和负载电流控制电路1中的负载电流基准电压电路作比较，使第一比较器A₁输出控制信号到驱动信号合成电路7，驱动信号合成电路7按驱动信号合成电路真值表1-1完成逻辑运算后，分别输出信号Y₁、Y₂到驱动电路8的两个输入端，驱动电路8的两个输出端分别输出控制信号到第一开关管J₁和第二开关管J₂的控制端，使第一开关管J₁、第二开关管J₂关断或导通，保证负载电流i_o(t)在设定值I；在t₃～t₄期间：第一开关管J₁导通，第二开关管J₂关断，下降沿恒压钳位电路5开始工作，给负载提供下降沿恒压钳位电压V₂，使负载电流由I线性下降到零；在t₀～t₂期间：开关使能时序信号K₀为低电平0，第一开关管J₁保持关断状态、第二开关管J₂保持导通状态，第一开关管J₁和第二开关管J₂禁止开关动作，保证数据采集不受电子开关噪声干扰；在t₃～t₅期间，开关使能时序信号K₀为低电平0，第一开关管J₁保持导通状态、第二开关管J₂保持关断状态，第一开关管J₁和第二开关管J₂禁止开关动作，保证数据采集不受电子开关噪声干扰；其中：钳位器件是指当它经受瞬间的高能量冲击时，能吸收瞬间大电流，把它的两端电压箝制在一个预定的数值上；t₀-负载电流开始上升时刻；        t₁-负载电流上升到I时刻；t₂-开关管使能时刻；              t₃-负载电流开始下降时刻；t₄-负载电流下降到零时刻；        t₅-开关管使能时刻；i_o(t)-负载电流；                 I-负载电流幅值；K₀-开关使能时序信号；Y₁-驱动信号合成电路输出端信号；Y₂-驱动信号合成电路另一输出端输出信号；V₁-上升沿恒压钳位电压；            V₂-下降沿恒压钳位电压；(7).计算负载电流下降沿斜率绝对值P₁，以下的“斜率”均指斜率的绝对值：i_o(t)由I下降到零的斜率：P1=|di0(t)dt|=|RLI+V2L1|]]>①其中：R_L-负载电阻；                 L₁-负载电感量；I-负载电流幅值；              V₂-下降沿恒压钳位电压；(8).计算负载电流上升沿斜率P₂i_o(t)由零上升到I的斜率：P2=|di0(t)dt|=|V1L1|]]>②其中：L₁-负载电感量；V₁-上升沿恒压钳位电压；从①、②两式可知，改变V₁或V₂的值，使V₂＝V₁-IR_L               ③则可实现负载电流上升和下降沿斜率相等；(9).计算负载电流上升、下降时间负载电流上升时间：td1=-L1RLln(1-IRLV1)]]>④负载电流下降时间：td2=-L1RLln(V2V2+IRL)]]>⑤其中：t_d1-i_o(t)由零上升到I的时间；         t_d2-i_o(t)由I下降到零的时间；R_L-负载电阻；                        L₁-负载电感量；V₁-上升沿恒压钳位电压；              V₂-下降沿恒压钳位电压；I-负载电流幅值；(10).恒流电感L₂的确定为实现i_o(t)在输出期间恒定，i_L2(t)应大于I，因此，可假设i_L2(t)在负载电流i_o(t)上升到I值时刻达到最小值I_L2min；i_L2(t)的最大值在负载电流为零期间上升到设定值I_L2max；在负载电流上升期间，i_L2(t)电流按下式下降iL2(t)=IL2max-V1-VSL2t]]>⑥在t＝t_d1时刻，下降到最小值，iL2(t)=IL2max-V1-VSL2td1=IL2min]]>⑦将式④代入上式，得：L2=L1(V1-VS)ln(1-IRLV1)(IL2min-IL2max)RL]]>⑧要使负载电流恒定，则必须使：I_L2min＞I           ⑨其中：R_L-负载电阻；                        L₁-负载电感量；V₁-上升沿恒压钳位电压；              V_S-直流电源电压；i_L2(t)-恒流源输出电流；              I-负载电流幅值；I_L2min-恒流源输出的最小电流幅值；I_L2max-恒流源输出的最大电流幅值，小于开关管能承受的最大电流。