無級型交變磁場發生裝置的設計

胡國文+陸志峰+林萍+李超+李祥

摘要：研制了1款交變磁場發生裝置，采用DSP控制，可以實現無級調節。采用鐵氧體作為導磁介質設計了磁路，介紹了控制電路以及相關的反饋電路。逆變電路中，采用正弦脈寬調制（SPWM）信號控制，可以有效地調節逆變輸出，提高利用率。結果表明：該裝置能穩定地發出交變磁場，有效模擬生活中的不同磁場環境，可以應用于生物試驗，幫助研究交變磁場對生物的影響。

關鍵詞：交變磁場；SPWM；生物試驗

中圖分類號：S24

文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）04-0377-03

隨著科技的進步與發展、電氣化程度的不斷提高，所有生物的生存環境將充斥越來越多的電磁場，這引起人們的重視，因此研究電磁場對生物產生的影響逐漸成為焦點。研究表明，電磁輻射嚴重影響人類乃至其他生物體的健康，電磁場生物效應與生物組織的電磁學特性密切相關[1-2]。電磁場可使細胞形態、DNA、蛋白質合成、細胞活性及生物遺傳產生明顯變化[3]。

現階段，對于電磁場生物效應的研究有很多，主要集中在醫學、生物工程等領域。但是，可以模擬人類生活環境中的各類磁場的發生裝置并不多，而且大多數只能發出恒定磁場，或者不能實現無級調節，對于進行電磁場生物效應的研究有一定的局限性[4-5]。本研究設計的電磁場發生裝置可以分別調節頻率磁場，模擬不同環境、不同磁場對生物的影響，并且可以實現無級調節，從而提高了裝置的使用靈活性。1 工作原理分析

圖1為系統的總體設計框架，可以看出本設計主要由逆變電路、控制電路和磁路輸出組成。由于對輸出交變磁場的頻率要求較高，所以采用單相交流電源（220 V、50 Hz）經過整流、濾波，變為直流電源，由直流斬波電路按需整定，再送入逆變器。在控制電路中，調節作用于逆變模塊的驅動信號，采用正弦脈寬調制（SPWM）控制技術[6-7]，將直流電流源再轉化為高頻交流電源。為了將裝置內電壓穩定在期望值內，防止過壓，需要將輸出電壓、電流進行隔離采樣，經調理后將調理信號送給DSP，再經過其內部的控制算法處理，獲得修正后的SPWM信號，實現穩壓。輸出的交流電源通過線圈，激勵線圈內的鐵氧體，從而發出可控的交變磁場，可以應用于生物育苗，模擬電磁場對生物體的影響。為了確保電路的穩定，系統設定了相應的短路保護，以及過壓、過流保護等。

2 磁路設計

本裝置的磁路設計及尺寸見圖2。由于空氣的磁阻遠大于磁介質，磁場在空氣中衰減很快，因此本設計的氣隙磁場強度相比棒狀或者“U”形磁路可以得到明顯增強。根據系統的工作頻率，主要有3種材料可供選擇：鐵氧體、波莫合金及非晶態軟磁材料。就導磁性能而言，波莫合金、非晶軟磁材料明顯優于鐵氧體，但是考慮到系統的制作成本及精度要求，鐵氧體更適合此裝置。經討論，最終選取鋅錳鐵氧體，初始磁導率為5 000。采用高導磁性能的導磁材料作為磁芯，可以起到集磁作用，將磁通約束在磁芯內部，增加電磁轉化率，提高整個系統的工作效率[8]。

由于漏磁的存在以及磁化曲線的非線性等因素，使得磁路計算比較復雜，此處假設了部分近似條件：（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，各段磁路中的磁場強度相同，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，磁滯回線狹長、電導率小，在諧振狀態下，勵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，近似作為磁路設計的理論依據[9]。線圈采用2 mm2漆包線，允許最大電流可以達到10 A，線圈數選用200匝。

3 控制方案設計

3.1 驅動電路

逆變電路中的開關器件（MOSFET）由DSP發出的SPWM信號控制其開通或者關斷。為了系統的穩定性、安全性，需要將弱電側與強電側進行隔離。圖3給出了系統的驅動電路，其中隔離裝置采用高速隔離光耦6N137，輸入、輸出分別采用2個獨立的電源。

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

之間采用上拉電阻，改善輸出能力。驅動芯片采用IR2110，該芯片可以驅動雙通道高速、高壓功率開關器件，只需要簡單的外圍電路就可構成性能良好的驅動電路。在實際的電路中，C4、C5 2邊可以并聯1個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的快恢復二極管11DF6。

3.2 反饋

3.2.1 采樣電路 系統需要對輸出電壓、電流實時采樣，進而對MOSFET驅動信號修正，實現對輸出的控制。系統的反饋電路由傳感器采樣電路、信號調理電路轉化為弱電信號，送入DSP的AD口進行數據采集。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為CSM025A，原邊輸入的額定電流為25 A，測量范圍-50～50 A，副邊額定輸出電流為25 mA，輸出側接1個采樣電阻，當霍爾傳感器工作在額定狀態時，可以提供1個最大為2.5 V的電壓信號。霍爾電壓傳感器選型為VSM025A，額定輸入10 mA，測量范圍-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個采樣電阻，經過適當保護后輸入DSP。

3.2.2 調理電路 輸入DSP的信號應為0～3 V直流信號，由于霍爾電壓傳感器所檢測的是經整理后的直流側電壓，經采樣后，只需接上相應隔離保護電路便可輸入DSP；但是，霍爾電流傳感器測得的電流信號為交流信號，因此需要加相應的調理電路（圖4）。調理電路采用的主要芯片為AD736，頻率范圍0～460 Hz，精度較準，測量速度快。C1、C5為0.1 μF濾波電容，D1、D2為高速開關二極管（1N4148），起保護作用。

4 軟件設計

系統通過改變SPWM的參數，可以有效地控制系統的輸出。通過改變SPWM信號的頻率，可以實現改變交變磁場的頻率，而磁場的強度，隨線圈中電流大小的改變而改變。圖5為系統的工作流程。

系統上電后，首先對系統進行初始化設置，初始頻率設為50 Hz，發出SPWM信號的同時，系統進行AD采樣，并根據采樣值采取相應的調節。當DSP接收到新的控制命令后，便開始重新載入電壓及頻率參數，修正SPWM信號。

5 結果與分析

根據上述方案研制的交變磁場發生裝置，能夠實現對交變磁場的場強和頻率的調節，線圈中電流大小決定場強的大小，也可以通過電壓幅值間接地反映出來。此裝置的頻率調節范圍30～2 000 Hz，場強變化范圍為0～40 mT。

在實際工作中，選擇的諧振頻率應略大于理論值，使裝置工作在準諧振狀態，防止裝置工作于容性狀態，導致裝置燒毀。圖6為系統工作時的繞組電壓電流波形。

由于試驗環境的干擾，存在一定的毛刺，經過校正并不影響該裝置的使用。經試驗驗證，可以到應用于研究電磁場的生物磁效應。考慮到此裝置所產生的電磁場強度有限，在后期試驗中，可以增加線圈匝數、提高系統的工作電流以提高裝置所產生的磁場強度，總之，該設計方案完全可行。

6 結論

本設計的交變磁場發生裝置可以分別調節磁場的強度、頻率，在生物育種或者生物試驗中所需要的低頻段實現無級調節。該裝置簡單可靠，完全可應用于研究生物育種以及相關的生物試驗，具有一定的實用價值。

參考文獻：

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