生物育種用無極調(diào)頻可變磁場發(fā)生器的研究

李　祥,胡國文,林　萍

(1.安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院， 安徽 淮南　232001；2.鹽城工學(xué)院 電氣學(xué)院，江蘇 鹽城　224000)

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生物育種用無極調(diào)頻可變磁場發(fā)生器的研究

李祥1,胡國文2,林萍2

(1.安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院， 安徽 淮南232001；2.鹽城工學(xué)院 電氣學(xué)院，江蘇 鹽城224000)

摘要：裝置分為輸出磁場的磁路部分、激勵(lì)磁場的電路部分，以及以DSP為控制核心的控制部分。磁路部分設(shè)計(jì)為帶氣隙的環(huán)回形，勵(lì)磁線圈中配有鐵氧體磁芯可以大大增強(qiáng)裝置輸出的磁場強(qiáng)度，交變磁場產(chǎn)生于氣隙即為實(shí)驗(yàn)區(qū)。電路部分采用的是橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，控制部分采用改進(jìn)的鎖相環(huán)使得逆變器工作在小感性的準(zhǔn)諧振狀態(tài)，確保整個(gè)裝置安全、穩(wěn)定、高效的運(yùn)行。最后通過仿真驗(yàn)證了裝置的可行性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該交變磁場發(fā)生裝置能夠連續(xù)地調(diào)節(jié)磁場頻率和場強(qiáng)，育種效果得到認(rèn)可。

關(guān)鍵詞：磁路;生物育種;鎖相環(huán);交變磁場

0引言

磁場生物效應(yīng)是近年來生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域研究的熱門課題之一，基于交變磁場的醫(yī)療設(shè)備、育種設(shè)備也被廣泛應(yīng)用于人類疾病的治療和生物育種當(dāng)中。隨著社會(huì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，我們生活的環(huán)境被各種電場、電氣化產(chǎn)品包圍著，變化的電場往往會(huì)產(chǎn)生磁場，人類及生物體的周圍或多或少的存在電磁場。因此，人們開始關(guān)注電磁場，電磁場的生物效應(yīng)也隨之成為研究的熱點(diǎn)。研究表明：電磁場可使細(xì)胞形態(tài)、DNA、RNA、蛋白質(zhì)合成、跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)、霉活性，以及生物遺傳等產(chǎn)生顯著變化，并且磁場對細(xì)胞作用不是一種線性關(guān)系，存在頻率、場強(qiáng)及脈寬的窗口效應(yīng)[1]。

目前，和磁學(xué)有關(guān)的研究有很多，大多數(shù)集中在醫(yī)學(xué)、農(nóng)學(xué)、生物工程等領(lǐng)域。例如，在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用：磁性液體熱療法(MFH)即是將磁性納米微粒注入人體腫瘤部位然后通過外部交變磁場加熱，當(dāng)溫度達(dá)到一定高度時(shí)，即可以將癌細(xì)胞殺死且不會(huì)損害健康的組織；在生物育種上的應(yīng)用：利用交變磁場作用于平菇及一些微生物上可以使這些生物發(fā)生意想不到的生長效果。本文設(shè)計(jì)了一款基于DSP控制的生物育種用交變磁場發(fā)生器，其頻率和場強(qiáng)可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)對象的不同進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)，通過頻率和場強(qiáng)的控制，實(shí)現(xiàn)對生物不同磁場環(huán)境的處理。磁場輸出部分設(shè)計(jì)為帶氣隙的環(huán)回形狀，內(nèi)部配合鐵氧體磁芯可以顯著地增強(qiáng)裝置輸出的磁場強(qiáng)度，降低了設(shè)備功耗；主電路采用半橋串聯(lián)諧振逆變使裝置的結(jié)構(gòu)和控制策略變得簡單，降低了設(shè)計(jì)成本；控制方法則采用改進(jìn)的鎖相環(huán)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了良好的頻率跟蹤、相位鎖定，使逆變器工作在功率因數(shù)接近1的準(zhǔn)諧振狀態(tài)，確保開關(guān)器件工作在安全狀態(tài)，提高了設(shè)備的效率。最后，通過Matlab/Simulink仿真驗(yàn)證了該方法的可行性。

1系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

圖1給出了基于DSP控制的交變磁場發(fā)生器整體設(shè)計(jì)方案。

圖1　系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

圖1中只給出一組諧振電容器組的設(shè)計(jì)。工作時(shí)，單相交流電壓(220V，50Hz)經(jīng)整流橋整流后經(jīng)過濾波電路變?yōu)槠交闹绷麟姽步o與逆變側(cè)，逆變單元采用典型的串聯(lián)諧振形式，通過2個(gè)MOSFET功率開關(guān)器件交替導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)逆變。為了消除開關(guān)器件關(guān)斷過程中浪涌電流和浪涌電壓的影響，加入了RCD緩沖電路以保護(hù)功率開關(guān)器件；開關(guān)器件通過兩互補(bǔ)并帶有一定死區(qū)時(shí)間的PWM脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)；通過切換諧振電容器組可以輸出頻率變化范圍為0～2 000Hz的交流電，負(fù)載線圈上的場強(qiáng)變化范圍為0～50mT。激勵(lì)電路是參考高頻感應(yīng)加熱電源設(shè)計(jì)得來，是一種固定的 AC/DC/AC模式且技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，這里就不做過多介紹，下面分別對磁場輸出部分和激勵(lì)電路的控制部分作進(jìn)一步的詳述。

2磁路的設(shè)計(jì)

圖2為磁路示意圖。要使整個(gè)裝置能夠輸出適合育種用的交變磁場，其必須能輸出有一定強(qiáng)度且在空間分布均勻的磁場，因此磁路的設(shè)計(jì)尤為重要。首先是磁路的材料選擇，通常包括勵(lì)磁線圈和磁性介質(zhì)的選擇，由于設(shè)備工作在變頻狀態(tài)且頻率連續(xù)可調(diào)，因此會(huì)引起趨膚效應(yīng)線圈發(fā)熱，所以選擇薄銅帶繞制線圈作為勵(lì)磁線圈的材料。勵(lì)磁線圈中加入磁導(dǎo)率高的磁介質(zhì)將大大增加磁場強(qiáng)度，有助于降低整體功耗，可供選擇的磁介質(zhì)材料有玻鏌合金和軟磁鐵氧體，本設(shè)計(jì)選擇的介質(zhì)為初始磁導(dǎo)率為5 000的錳鋅鐵氧體。因?yàn)榭諝獯抛柽h(yuǎn)遠(yuǎn)大于磁介質(zhì)，磁場在空氣處衰減的非常快，所以將磁路設(shè)計(jì)為矩形狀，中間開氣隙，則氣隙中磁場強(qiáng)度比棒狀或U型磁路明顯增強(qiáng)，氣隙中的強(qiáng)磁場區(qū)域即為試驗(yàn)區(qū)。線圈選用直徑2mm的漆包線，允許最大電流10A，線圈取匝數(shù)為300匝。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：此磁路設(shè)計(jì)符合實(shí)驗(yàn)要求。

圖2　磁路示意圖

3控制策略設(shè)計(jì)

鑒于數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)具有集成度高、運(yùn)算速度快等優(yōu)點(diǎn)，本裝置以DSP作為控制電路的微處理器用以實(shí)現(xiàn)過壓過流保護(hù)、數(shù)字鎖相環(huán)控制(DPLL控制)及脈沖信號(hào)輸出控制等。閉環(huán)反饋系統(tǒng)通過A/D模塊采集負(fù)載線圈的輸出電流和輸出電壓信號(hào)進(jìn)行反饋控制，主要過程如下：采集負(fù)載線圈電流和電壓的相位進(jìn)行鎖相，通過DPLL進(jìn)行頻率自動(dòng)跟蹤，根據(jù)得到的數(shù)值賦給DSP中事件管理器EV的周期寄存器；每個(gè)采樣周期結(jié)束后根據(jù)電壓誤差計(jì)算PID調(diào)節(jié)控制量，根據(jù)PID調(diào)節(jié)控制量實(shí)時(shí)更新半橋逆變器的兩路PWM信號(hào)；經(jīng)過隔離驅(qū)動(dòng)電路升壓后驅(qū)動(dòng)MOSFET開關(guān)器件，以得到穩(wěn)定的頻率和磁場強(qiáng)度輸出。

3.1改進(jìn)的數(shù)字鎖相環(huán)設(shè)計(jì)

串聯(lián)諧振型逆變器有3種工作狀態(tài),其負(fù)載諧振頻率為

(1)

1)當(dāng)f

2)當(dāng)f=f0時(shí)，負(fù)載工作頻率等于負(fù)載諧振頻率，負(fù)載工作在諧振狀態(tài)是一種理想的工作狀態(tài)。此時(shí)，負(fù)載線圈輸出磁場強(qiáng)度最大，但是由于電路復(fù)雜的參數(shù)變化、鎖相環(huán)的精確度及負(fù)載的變化使這種狀態(tài)很難達(dá)到。

3)當(dāng)f>f0時(shí)，負(fù)載工作頻率大于負(fù)載諧振頻率，負(fù)載工作在感性狀態(tài)。此時(shí)，負(fù)載電壓相位超前于負(fù)載電流相位，換流過程會(huì)在即將開通的功率開關(guān)器件上產(chǎn)生尖峰電壓；但由于直流側(cè)濾波電容器的作用，使得功率器件可以安全工作。因此，在工作時(shí)采用數(shù)字鎖相環(huán)保證逆變器工作在準(zhǔn)諧振的感性狀態(tài)是至關(guān)重要的。數(shù)字鎖相環(huán)較傳統(tǒng)的模擬鎖相環(huán)具有跟蹤速度快、穩(wěn)定性好及易于智能化控制等優(yōu)點(diǎn)，其工作原理如圖3所示。

圖3　改進(jìn)的數(shù)字鎖相環(huán)工作原理圖

其主要由鑒相器(PD)、數(shù)字環(huán)路濾波器(DLF)和數(shù)字壓控振蕩器(DCO)3部分組成。鑒相器(PD)有兩路輸入信號(hào)：一路取自負(fù)載電流信號(hào)經(jīng)過過零檢測后的電壓信號(hào)；另一路取自壓控振蕩器的輸出經(jīng)相位補(bǔ)償后的電壓信號(hào)。這兩路信號(hào)經(jīng)過鑒相器鑒相后得到一個(gè)電壓信號(hào)，此電壓信號(hào)用來反映負(fù)載電流和負(fù)載電壓之間的相位差。該電壓信號(hào)經(jīng)過低通濾波器和單神經(jīng)元PID調(diào)節(jié)器后實(shí)現(xiàn)無靜差跟蹤，輸出一個(gè)電壓信號(hào)，壓控振蕩器將此電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)；該頻率信號(hào)經(jīng)過PWM信號(hào)控制環(huán)節(jié)后產(chǎn)生兩路帶有死區(qū)互補(bǔ)的驅(qū)動(dòng)脈沖，用來觸發(fā)逆變器的功率開關(guān)器件開斷，從而實(shí)現(xiàn)頻率和相位的調(diào)節(jié)。

3.2單神經(jīng)元PID控制算法設(shè)計(jì)

鎖相環(huán)的設(shè)計(jì)是磁場發(fā)生裝置中一個(gè)重要的環(huán)節(jié),可以確保逆變器安全的工作在感性工作狀態(tài)來提高逆變器的功率因數(shù)避免開關(guān)器件損壞，但單一靠鎖相環(huán)進(jìn)行頻率跟蹤和相位鎖定存在跟蹤速率慢、跟蹤誤差大、跟蹤范圍小等缺點(diǎn)。因此，在傳統(tǒng)數(shù)字鎖相環(huán)的基礎(chǔ)上加入了單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制算法，既可以增強(qiáng)頻率跟蹤的自適應(yīng)性和魯棒性，且在諧振電容器組切換過程中加快了頻率的跟蹤速度，進(jìn)一步確保了裝置可靠安全的運(yùn)行。單神經(jīng)元自適應(yīng)性PID控制原理如圖4所示。

圖4　自適應(yīng)性PID控制原理圖

轉(zhuǎn)換器的輸入為設(shè)定值r(k)和輸出值y(k)；轉(zhuǎn)換器的輸出為神經(jīng)元學(xué)習(xí)控制所需要的狀態(tài)量x1(k)、x2(k)、x3(k)，則

i=1,2,3

(2)

z(k)=r(k)-y(k)=e(k)

(3)

其中，z(k)為性能指標(biāo)或遞進(jìn)信號(hào)。圖4中，K為神經(jīng)元的比例系數(shù)，K>0。神經(jīng)元通過關(guān)聯(lián)搜索來產(chǎn)生控制信號(hào)u(k)，即

(4)

其中，wi(k)為對應(yīng)于xi(k)的加權(quán)系數(shù)。自適應(yīng)PID控制器就是通過對加權(quán)系數(shù)的調(diào)整來實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)功能的。加權(quán)系數(shù)的調(diào)整可以采用不同的學(xué)習(xí)規(guī)律，進(jìn)而構(gòu)成不同的算法，常用的算法有3種：無監(jiān)督Hebb學(xué)習(xí)規(guī)則、有監(jiān)督δ學(xué)習(xí)規(guī)則或Widow-Hoff學(xué)習(xí)規(guī)則及有監(jiān)督Hebb學(xué)習(xí)規(guī)則。其中，有監(jiān)督Hebb學(xué)習(xí)規(guī)則是將前兩種學(xué)習(xí)規(guī)則結(jié)合起來，得到的一種改進(jìn)的學(xué)習(xí)規(guī)則，這里采用有監(jiān)督Hebb學(xué)習(xí)規(guī)則。

4仿真模型的建立與分析

本文以MatLab/Simulink為仿真工具，對所搭主電路和控制電路的模型進(jìn)行了仿真，整臺(tái)裝置設(shè)置了5組諧振電容，這里選擇其中一組諧振電容進(jìn)行仿真。所搭建的半橋逆變器的主電路模型如圖5所示。

圖5　半橋逆變器主電路仿真模型

所搭建的采用單神經(jīng)元PID算法的數(shù)字鎖相環(huán)(DPLL)子系統(tǒng)模塊如圖6所示。

圖6　DPLL仿真模型

鑒相器采用的是異或門鑒相器用來檢測輸入信號(hào)和輸出信號(hào)相位差，其傳遞函數(shù)為

(5)

其中，Kd為鑒相器的增益。

環(huán)路濾波器一般為低通濾波器(LPF)，通常是由電感、電阻，電容或者是它們的組合構(gòu)成。系統(tǒng)建模時(shí)采用的是無源比例積分濾波器，其傳遞函數(shù)為

(6)

其中，τ1=R1C,τ2=R2C通過調(diào)節(jié)這兩個(gè)參數(shù)可以調(diào)節(jié)鎖相環(huán)的跟蹤速度。

單神經(jīng)元PID采用了有監(jiān)督Hebb學(xué)習(xí)規(guī)則,其中

(7)

(8)

i=1，2，3

(9)

其中，ηP、ηI、ηD分別為比例、積分、微分的學(xué)習(xí)速率；Δe(k)=e(k)-e(k-1)，z(k)=e(k)。

壓控振蕩器是將輸入控制電壓轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的頻率信號(hào)，實(shí)現(xiàn)的是電壓-頻率的變換。其傳遞函數(shù)為

(10)

其中，Ko為壓控振蕩器的控制靈敏度。

驅(qū)動(dòng)脈沖輸出(PWM GENERATOR)子系統(tǒng)模塊如圖7所示。

圖7　脈沖輸出仿真模型

由它產(chǎn)生的兩路互補(bǔ)PWM驅(qū)動(dòng)脈沖波形如圖8所示。

圖8　脈沖波形

取定仿真模型中的濾波電感為10-1H,濾波電容為 10-6F,諧振電容為1×10-6F,諧振電感L=10-2H,R=0.1Ω。因?yàn)榉抡娴闹攸c(diǎn)是放在逆變以及控制部分所以整流輸出部分用一個(gè)308V的恒壓源代替，逆變器的固有諧振頻率為1 592Hz,仿真時(shí)長為0.25s。圖9、圖10分別為由鎖相環(huán)將頻率鎖定在1 650Hz(準(zhǔn)諧振狀態(tài))和2 000Hz(大感性狀態(tài))兩種狀態(tài)下負(fù)載線圈電壓和電流波形。由此可以看出經(jīng)鎖相后，逆變器工作在準(zhǔn)諧振狀態(tài),此時(shí)負(fù)載電流已經(jīng)接近正弦波且輸出值為最大，由它激勵(lì)磁路產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度也為最大值，逆變器工作在最佳狀態(tài)。

圖9　準(zhǔn)諧振狀態(tài)下電壓電流仿真波形

圖10　大感性狀態(tài)下電壓電流波形

5實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)上述方案并進(jìn)行多次的實(shí)驗(yàn)調(diào)試，該裝置已基本完成并投入育種實(shí)驗(yàn)。裝置通過勵(lì)磁電路產(chǎn)生的正弦交變電流激勵(lì)磁路后可以實(shí)現(xiàn)對交變磁場頻率和場強(qiáng)的連續(xù)控制，通過切換不同的諧振電容組調(diào)節(jié)交變電流的頻率和大小從而控制磁場的頻率和場強(qiáng)。其頻率的變化范圍為0～2 000Hz,場強(qiáng)的變化范圍為0～50mT。

圖11為頻率1 650Hz、場強(qiáng)10mT時(shí)線圈電流電壓波形。

圖11　場強(qiáng)10mT、頻率1 600Hz時(shí)線圈電流電壓波形

從圖11中可以看出：實(shí)驗(yàn)所測得波形和仿真波形基本相同，驗(yàn)證了此設(shè)計(jì)方案的可行性。

6結(jié)論

設(shè)計(jì)的基于DSP控制的交變磁場發(fā)生器能夠?qū)Υ艌鲱l率和強(qiáng)度連續(xù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，主電路設(shè)計(jì)為半橋逆變形式，結(jié)構(gòu)簡單又能降低所耗功率，達(dá)到了節(jié)能環(huán)保的要求，且控制策略簡單易于實(shí)現(xiàn)，能夠完成智能化操作。目前，該裝置已經(jīng)應(yīng)用到育種試驗(yàn)當(dāng)中。

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The Research of Biological Breeding by Infinitely FM Variable Magnetic Field Generator

Li Xiang1， Hu Guowen2， Lin Ping2

(1.College of Electrical and Imformation Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China; 2.College of Electrical，Yancheng Institute of Technology, Yancheng 224000, China)

Abstract：The device is divided into the output magnetic field of magnetic circuit parts、 excitation the magnetic field of circuit part and the control section with the DSP as the core. Magnetic circuit part is designed for the loopback shape with the air gap， The magnet coil equipped with ferrite core can greatly enhance the output of the magnetic field strength, the alternating magnetic field generated by the air gap and it is the experimental area. Circuit part uses a bridge type topology structure, the control part adopts improved phase lock loop make the inverter works in a small perceptual quasi resonant state.To ensure the device safety ,stable and efficient operation.Finally, the simulation verify the feasibility of the device.The experimental results show that the device of the alternating magnetic field generator can continuous adjust magnetic field frequency and field strength.

Key words：magnetic circuit； biological breeding； phase-locked loop； alternating magnetic field

文章編號(hào)：1003-188X(2016)03-0124-05

中圖分類號(hào)：S24；S223.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡介：李祥(1992-)，男，安徽蚌埠人，碩士研究生，(E-mail)554268448@qq.com。通訊作者：胡國文(1957-)，男，江蘇泰州人，教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)hugw@ycit.cn。

基金項(xiàng)目：江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(BK20140467)

收稿日期：2015-03-04