CN115113674A - 一种可控磁场发生装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种可控磁场发生装置，包括电流环控制电路以及电压环控制电路，电流环控制电路实现电流转电压功能并配合电压环控制回路进行电压环与电流环的双闭环纯模拟控制，可实现设备输出电流的低时延控制回路，控制时延的降低有利于理论最大输出频率的提高。本发明不需要额外的CPU进行***的控制，且只需要在传统的电源拓扑上附加电流环控制电路并按照电流控制环路进行控制即可实现设备输出磁场的控制，可提高设备的集成度，提高功率密度。
Description
技术领域
本发明属于脉冲功率装置技术领域，具体涉及一种可控磁场发生装置。
背景技术
随着海洋资源越来越受到重视，海洋地球物理勘探工作不断增多，海洋可控源电磁法逐步成为探测海洋油气资源和海底天然气水合物储层的一种非常有效的地球物理探测技术。通过在海水表面或海底测量磁场发射源经海底地层感应的电磁场分布规律，可用于探测海底地质的结构。
传统的磁场产生方法有通过永磁体以及通过可控电流源激励线圈等方式。采用永磁体直接产生的是静磁场，要产生交变的磁场则需要通过移动永磁体来产生，而海洋可控电流源电磁法一般需要交流磁场进行探测，通过移动永磁体产生的交变磁场无论是磁场波形的强度还是辐射方向都无法精确控制，不利于探测的应用。采用可控电源激励线圈的方法可以产生强度、频率、辐射方向都受控的磁场。因此，采用可控电流源来产生磁场的方法具有很大优势，通过控制可控电流源的输出限流可以产生强度、频率、辐射方向可控的磁场。
如“发明专利CN113472233 A-一种磁集成大功率脉冲电流源”，该设备由n个Buck开关电流源并联而成，通过对各路电源的输出电流进行采样来实现n个电流源的输出电流相位差依次滞后360°/n。又如“发明专利CN 114035647 A-一种用于产生扰动磁场的脉冲功率装置”，该设备包含2套脉冲功率装置，每套脉冲功率装置均由脉冲电源、穿壁电极、对应线圈以及控制***组成，通过实时采样脉冲电源的输出电流，可实现线圈端磁场的控制。
目前市场上存在的磁场产生装置普遍采用开关电源电路、电流采样电路、通讯控制电路以及电磁线圈的数字控制架构，这种架构需要对输出电流实时采样之后在控制电路进行闭环控制以达到控制输出电流的目的。使用电流采样后再控制的这种数字控制架构一方面会产生控制时延的增大，限制了磁场的理论最大输出频率、强度。另一方面也会由于额外的采样、控制电路限制了设备的体积，不利于设备的小型化，提高功率密度。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种可控磁场发生装置。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明提供的一种可控磁场发生装置包括：电压环控制电路以及电流环控制电路，
电流环控制电路输出外接一对磁极，磁极可置于海洋的任何位置；
电流环控制电路受控制输入电压控制，用于将磁极输出的电流实时转化为电压信号，并与电压环控制电路输出的电压比较从而控制输出反馈至电压环路控制电路；
电压环控制电路，用于根据反馈的电压控制自身输入至电流环控制电路的电压，以与电流环控制电路以双闭环结构的方式实现一对磁极的电压、电流实时可靠控制。
可选的，电压环控制电路包括：电压环控制器、第一mos管Q1、第二mos管Q2、第三mos管Q3、第四mos管Q4、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4以及第一电感L1；
电压环控制器的最大输出电流控制管脚Ilim连接第一电阻R1，第一电阻R1的另一端接地，电压环控制器的受第一电阻R1的配置控制最大输出电流；电压环控制器的工作频率控制管脚Freq连接第二电阻R2，第二电阻R2的另一端接地，电压环控制器的受第二电阻R2的配置控制自身的工作频率；
第一mos管Q1、第二mos管Q2、第三mos管Q3、第四mos管Q4的栅极分别连接电压环控制器的TG1、TG2、BG1、BG2管脚；第一mos管Q1的源极与第三mos管Q3的源极连接在一起，并连接电压环控制器的SW1的管脚，第二mos管Q2的源极与第四mos管Q4的源极连接在一起，并连接电压环控制器的SW2的管脚，第一电感L1作为续流电感跨接在第三mos管Q3的源极与第四mos管Q4的源极之间；第一mos管Q1的漏极连接分别连接第一电容C1、第二电容C2的一端以及电源，第一电容C1与第二电容C2的另一端接地；第二mos管Q2的漏极连接分别连接第三电容C3、第四电容C4的一端、第四电阻R4的一端Vout以及电流环控制电路的正输入端IN+，第三电容C3与第四电容C4的另一端接地；电压环控制器的VFB管脚接入电流环控制电路通过输出电阻接入的电压信号，并连接第三电阻R3的一端以及第四电阻R4的一端；第三电阻R3的另一端接地；电压环控制器的电源端接入电源。
可选的，第一mos管Q1、第二mos管Q2、第三mos管Q3以及第四mos管Q4为NMOS管，第一电容C1以及第四电容C4为电解电容；第二电容C2、以及第三电容C3为瓷片电容。
可选的，电压环控制器的型号为LTC3777。
可选的，电压环控制电路的输出电压V与第三电阻R3、第四电阻R4的关系为：
V= 1.2*1+R4/R3；
其中，R3和R4分别表示第三电阻R3、第四电阻R4的阻值。
可选的，电压环控制器的VFB管脚输入的电压信号恒定为1.2V。
可选的，电流环控制电路包括：电流环控制器、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7以及第八电阻R8，第五电阻R5跨接在电流环控制器的正输入端+IN以及负输入端-IN之间，电流环控制器的正输入端+IN连接电压环控制电路的通过输出电阻输入的电压信号，电流环控制器的负输入端-IN接入一对磁极输入的电流信号，电流环控制器的控制端接入通过第六电阻R6以及第七电阻(R7)控制输入电压信号与磁极输出磁场的线性关系，输入电压信号连接第六电阻R6的一端，第六电阻R6的另一端连接第七电阻R7的一端以及电流环控制器的控制端，第七电阻R7的另一端接地。
可选的，电流环控制器的型号为LMP8646。
可选的，电流环控制器的控制端接入通过第六电阻R6、第七电阻(R7)控制输入电压信号Vctr，电流环控制器的控制端的输入电压信号与第五电阻R5、第六电阻R6、以及第七电阻R7表示为：
VCtrR7/(R6+R7) + I*R5 (R6//R7)/5000=1.2；
其中，*表示乘号，R5、R6、R7分别表示第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻(R7)的阻值，//表示两个电阻并联，I表示流过第五电阻R5的峰值电流。
本发明提供的一种可控磁场发生装置，包括电流环控制电路以及电压环控制电路，电流环控制电路实现电流转电压功能并配合电压环控制回路进行电压环与电流环的双闭环纯模拟控制，可实现设备输出电流的低时延控制回路，控制时延的降低有利于理论最大输出频率的提高。本发明不需要额外的CPU进行***的控制，且只需要在传统的电源拓扑上附加电流环控制电路并按照电流控制环路进行控制即可实现设备输出磁场的控制，可提高设备的集成度，提高功率密度。
附图说明
图1是本发明提供的一种可控磁场发生装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
本发明提供的一种可控磁场发生装置，采用电压控制器配合电流环路控制器的双闭环控制方式进行设计，当负载在最大负载范围内时，通过控制限流值的大小控制输出脉冲的宽度、周期等参数。输出脉冲的宽度、周期等参数可通过接于R6的控制输入接口进行控制。一对磁极采用软线，可灵活的置于海洋中的任何位置，可在一对磁极间施加期望的磁场激励。本发明在传统电源拓扑的基础上引入模拟电流环控制回路，实现电压环与电流环的双闭环纯模拟控制，这种设计架构可降低设备的控制时延，提高设备的理论最大输出频率。本发明的可控磁场发生装置如图1所示：
本发明提供的一种可控磁场发生装置包括：电压环控制电路以及电流环控制电路，
电流环控制电路输出外接一对磁极，磁极可置于海洋的任何位置；
电流环控制电路受控制输入电压控制，用于将磁极输出的电流实时转化为电压信号，并与电压环控制电路输出的电压比较从而控制输出反馈至电压环路控制电路；
电压环控制电路，用于根据反馈的电压控制自身输入至电流环控制电路的电压，以与电流环控制电路以双闭环结构的方式实现一对磁极的电压、电流实时可靠控制。
参考图1，电压环控制电路包括：电压环控制器、第一mos管Q1、第二mos管Q2、第三mos管Q3、第四mos管Q4、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4以及第一电感L1；
电压环控制器的最大输出电流控制管脚Ilim连接第一电阻R1，第一电阻R1的另一端接地，电压环控制器的受第一电阻R1的配置控制最大输出电流；电压环控制器的工作频率控制管脚Freq连接第二电阻R2，第二电阻R2的另一端接地，电压环控制器的受第二电阻R2的配置控制自身的工作频率；
第一mos管Q1、第二mos管Q2、第三mos管Q3、第四mos管Q4的栅极分别连接电压环控制器的TG1、TG2、BG1、BG2管脚；第一mos管Q1的源极与第三mos管Q3的源极连接在一起，并连接电压环控制器的SW1的管脚，第二mos管Q2的源极与第四mos管Q4的源极连接在一起，并连接电压环控制器的SW2的管脚，第一电感L1作为续流电感跨接在第三mos管Q3的源极与第四mos管Q4的源极之间；第一mos管Q1的漏极连接分别连接第一电容C1、第二电容C2的一端以及电源，第一电容C1与第二电容C2的另一端接地；第二mos管Q2的漏极连接分别连接第三电容C3、第四电容C4的一端、第四电阻R4的一端Vout以及电流环控制电路的正输入端IN+，第三电容C3与第四电容C4的另一端接地；电压环控制器的VFB管脚接入电流环控制电路通过输出电阻接入的电压信号，并连接第三电阻R3的一端以及第四电阻R4的一端；第三电阻R3的另一端接地；电压环控制器的电源端接入电源。
其中，电流环控制电路包括：电流环控制器、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7以及第八电阻R8，第五电阻R5跨接在电流环控制器的正输入端+IN以及负输入端-IN之间，电流环控制器的正输入端+IN连接电压环控制电路的通过输出电阻输入的电压信号，电流环控制器的负输入端-IN接入一对磁极输入的电流信号，电流环控制器的控制端接入通过第六电阻R6以及第七电阻(R7)控制输入电压信号与磁极输出磁场的线性关系，输入电压信号连接第六电阻R6的一端，第六电阻R6的另一端连接第七电阻R7的一端以及电流环控制器的控制端，第七电阻R7的另一端接地。
其中，第一mos管Q1、第二mos管Q2、第三mos管Q3以及第四mos管Q4为NMOS管，第一电容C1以及第四电容C4为电解电容；第二电容C2、以及第三电容C3为瓷片电容。电压环控制器的型号为LTC3777。设本发明一种可控磁场发生装置最大输出电压可通过修改R3、R4的比值设置理论输出电压，输出电压V与R3、R4满足一种关系，即电压环控制电路的输出电压V与第三电阻R3、第四电阻R4的关系为：V=1.2*1+R4/R3。其中，R3和R4分别表示第三电阻R3、第四电阻R4的阻值。
电流环控制器的型号为LMP8646，电流环控制器的控制端接入通过第六电阻R6、第七电阻(R7)控制输入电压信号Vctr，控制输入电压VCtr控制设备输出电流I的原理为：根据图1***组成架构，由于U1所用的LTC3777芯片反馈引脚电压恒等于1.2V，即电压环控制器的VFB管脚输入的电压信号恒定为1.2V。在U2所用的LMP8646限流器的内部增益存在等式关系，即电流环控制器的控制端的输入电压信号、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7以及内部峰值电流关系表示为
（VCtrR7）/(R6+R7) + I*R5 (R6//R7)/5000=1.2；其中，*表示乘号，R5、R6、R7分别表示第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7的阻值，//表示两个电阻并联，I表示流过第五电阻R5的峰值电流。
增大VCtr则I*R5减小，此时流过R5的峰值电流I也会减小，反之降低VCtr则I* R5增大，此时峰值电流I也会增大。这样即可实现由VCtr控制输出电流I的目的，从而在磁极上产生受控的磁场波形。
如上图1所示，C1、C2、C3、C4用于输入和输出电源的滤波，其中C1、C4为电解电容，C2、C3为陶瓷电容，采用电解电容和陶瓷电容配合的方式可降低电源线上的纹波抖动。Q1、Q2、Q3、Q4为N沟道MOSFET，通过U1配合对Q1～Q4的控制，设备可工作在升、降压的两种工作状态。L1为续流电感，R1用于设置U1的最大输出电流，R2用于设置U1的工作频率。R3、R4的不同分压比以及R8的不同取值可用于配置可控磁场发生装置的最大输出电压。R5用于配置设备的理论最大输出电流，R6、R7用于配置控制输入电压与磁极输出磁场的线性关系。U2是一个电流环控制器，可将磁极输出的电流实时转换为电压信号参与到U1的电压环控制回路，这种电流环与电压环配合的双闭环结构可实现输出电压、电流的实时可靠控制。且电流环与电压环完全采用模拟控制，具有控制时延低、动态响应效果好的特点。
本发明提供的一种可控磁场发生装置，包括电流环控制电路以及电压环控制电路，电流环控制电路实现电流转电压功能并配合电压环控制回路进行电压环与电流环的双闭环纯模拟控制，可实现设备输出电流的低时延控制回路，控制时延的降低有利于理论最大输出频率的提高。本发明不需要额外的CPU进行***的控制，且只需要在传统的电源拓扑上附加电流环控制电路并按照电流控制环路进行控制即可实现设备输出磁场的控制，可提高设备的集成度，提高功率密度。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种可控磁场发生装置，其特征在于，包括：电压环控制电路以及电流环控制电路，
所述电流环控制电路输出外接一对磁极，所述磁极可置于海洋的任何位置；
所述电流环控制电路受控制输入电压控制，用于将磁极输出的电流实时转化为电压信号，并与所述电压环控制电路输出的电压比较从而控制输出反馈至电压环路控制电路；
所述电压环控制电路，用于根据反馈的电压控制自身输入至所述电流环控制电路的电压，以与所述电流环控制电路以双闭环结构的方式实现一对磁极的电压、电流实时可靠控制。
2.根据权利要求1所述的可控磁场发生装置，其特征在于，所述电压环控制电路包括：电压环控制器、第一mos管（Q1）、第二mos管（Q2）、第三mos管（Q3）、第四mos管（Q4）、第一电容（C1）、第二电容（C2）、第三电容（C3）、第四电容（C4）、第一电阻（R1）、第二电阻（R2）、第三电阻（R3）、第四电阻（R4）以及第一电感（L1）；
所述电压环控制器的最大输出电流控制管脚（Ilim）连接第一电阻（R1），第一电阻（R1）的另一端接地，电压环控制器的受第一电阻（R1）的配置控制最大输出电流；所述电压环控制器的工作频率控制管脚（Freq）连接第二电阻（R2），第二电阻（R2）的另一端接地，电压环控制器的受第二电阻（R2）的配置控制自身的工作频率；
所述第一mos管（Q1）、第二mos管（Q2）、第三mos管（Q3）、第四mos管（Q4）的栅极分别连接电压环控制器的TG1、TG2、BG1、BG2管脚；所述第一mos管（Q1）的源极与第三mos管（Q3）的源极连接在一起，并连接电压环控制器的SW1的管脚，所述第二mos管（Q2）的源极与第四mos管（Q4）的源极连接在一起，并连接电压环控制器的SW2的管脚，第一电感（L1）作为续流电感跨接在第三mos管（Q3）的源极与第四mos管（Q4）的源极之间；所述第一mos管（Q1）的漏极连接分别连接第一电容（C1）、第二电容（C2）的一端以及电源，第一电容（C1）与第二电容（C2）的另一端接地；所述第二mos管（Q2）的漏极连接分别连接第三电容（C3）、第四电容（C4）的一端、第四电阻（R4）的一端（Vout）以及所述电流环控制电路的正输入端（IN+），第三电容（C3）与第四电容（C4）的另一端接地；电压环控制器的VFB管脚接入电流环控制电路通过输出电阻接入的电压信号，并连接第三电阻（R3）的一端以及第四电阻（R4）的一端；第三电阻（R3）的另一端接地；电压环控制器的电源端接入电源。
3.根据权利要求2所述的可控磁场发生装置，其特征在于，所述第一mos管（Q1）、第二mos管（Q2）、第三mos管（Q3）以及第四mos管（Q4）为NMOS管，第一电容（C1）以及第四电容（C4）为电解电容；所述第二电容（C2）、以及第三电容（C3）为瓷片电容。
4.根据权利要求2所述的可控磁场发生装置，其特征在于，所述电压环控制器的型号为LTC3777。
5.根据权利要求2所述的可控磁场发生装置，其特征在于，所述电压环控制电路的输出电压V与所述第三电阻（R3）、第四电阻（R4）的关系为：
V= 1.2*（1+R4/R3）；
其中，R3和R4分别表示第三电阻（R3）、第四电阻（R4）的阻值。
6.根据权利要求2所述的可控磁场发生装置，其特征在于，电压环控制器的VFB管脚输入的电压信号恒定为1.2V。
7.根据权利要求1所述的可控磁场发生装置，其特征在于，所述电流环控制电路包括：电流环控制器、第五电阻（R5）、第六电阻（R6）、第七电阻（R7）以及第八电阻（R8），所述第五电阻（R5）跨接在电流环控制器的正输入端（+IN）以及负输入端（-IN）之间，所述电流环控制器的正输入端（+IN）连接所述电压环控制电路的通过输出电阻输入的电压信号，所述电流环控制器的负输入端（-IN）接入一对磁极输入的电流信号，电流环控制器的控制端接入通过第六电阻（R6）以及第七电阻(R7)控制输入电压信号与磁极输出磁场的线性关系，输入电压信号连接第六电阻（R6）的一端，第六电阻（R6）的另一端连接第七电阻（R7）的一端以及电流环控制器的控制端，所述第七电阻（R7）的另一端接地。
8.根据权利要求6所述的可控磁场发生装置，其特征在于，所述电流环控制器的型号为LMP8646。
9.根据权利要求6所述的可控磁场发生装置，其特征在于，电流环控制器的控制端接入通过第六电阻（R6）、第七电阻(R7)控制输入电压信号（Vctr），电流环控制器的控制端的输入电压信号与第五电阻（R5）、第六电阻（R6）、以及第七电阻（R7）表示为：
（VCtrR7）/(R6+R7) + I*R5 (R6//R7)/5000=1.2；
其中，*表示乘号，R5、R6、R7分别表示第五电阻（R5）、第六电阻（R6）、第七电阻(R7)的阻值，//表示两个电阻并联，I表示流过第五电阻（R5）的峰值电流。
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