基于梯形波磁化電流的便攜式磁粉機能耗優化方案

麥志恒，王 杰，費躍農

(深圳大學 機電與控制工程學院，深圳 518060)

基于梯形波磁化電流的便攜式磁粉機能耗優化方案

麥志恒，王 杰，費躍農

(深圳大學 機電與控制工程學院，深圳 518060)

通過對便攜式磁粉機磁化電流的研究，發現在方波磁化電流模型下，磁軛線圈容易在電流換向時出現尖峰電流。提出了一種基于梯形波的優化磁化電流模型，使磁軛線圈電流平緩換向，解決了尖峰電流帶來的高能耗和潛在的對電路損害的問題。試驗結果表明，優化的磁化電流模型能減少電池輸出電流的31.96%，使磁粉機的續航時間提升46.98%，具有一定的參考價值。

梯形波；便攜式磁粉機；能耗優化；磁化電流

便攜式磁粉機的結構簡單、重量輕，適用于磁粉檢測的多種工作環境，在無損檢測中得到廣泛應用。

文中討論的便攜式磁粉機為交叉磁軛式，并由兩路不同相位的高壓直流方波信號進行磁化。其中，高壓直流信號由12 V鋰電池逆變而成。此交叉磁軛形成的磁場，同時具備交流磁化和直流磁化的優點，工件表面缺陷檢測靈敏度高，缺陷檢測深度大。

但在試驗過程中，發現磁軛線圈的電流換向時容易產生尖峰電流[1]。這不僅導致磁粉機耗能過高，降低了電池續航時間，而且容易損壞晶體管及驅動電路。

筆者提出了一種基于梯形波的磁化電流模型，在保證提升力和檢測靈敏度的前提下，解決了尖峰電流問題，提升了電池的續航能力。

1 便攜式磁粉機檢測原理

1.1便攜式磁粉機工作過程

圖1 便攜式磁粉機主電路示意

筆者介紹的便攜式磁粉機主要包括便攜電源和交叉磁軛兩部分[2]，其中，便攜電源由12 V鋰電池和主電路組成，便攜式磁粉機主電路如圖1所示；磁軛工作過程如圖2所示，交叉磁軛由兩個夾角為90°的磁軛AB、CD組成，如圖3所示。通過逆變器產生270 V高壓直流電源，4個N溝道MOS管組成單個磁軛的H橋驅動電路。

圖2 磁軛工作過程示意

圖3 交叉磁軛示意

以磁軛線圈AB為例，通過控制橋臂AH、BH、AL、BL的“閉合”或“斷開”狀態產生高壓方波，從而控制磁軛線圈的磁化電流。

磁軛工作過程可分為4個階段：

(1)t0t1階段，AH、BL閉合，BH、AL斷開，高壓信號通過線圈A到B產生正向磁化電流，并在t1時刻到達峰值電流Im。

(2)t1t2階段，AL、BL閉合，AH、BH斷開，此時磁軛線圈等效于RL零輸入模型，其電流響應曲線近似圖2中t1t2段。

(3)t2t3階段，BH、AL閉合，AH、BL斷開，高壓信號通過線圈B到A產生反向磁化電流，故IAB先減少為0，再反向增大到-Im。

(4) 不斷循環(1)(3)通電過程。由于電流上升/下降時間極短，所以磁化電流近似于方波。

同樣，磁軛CD中通有相同幅值和脈寬的方波磁化電流，并與磁軛AB有90°相位差。

1.2交叉磁軛形成的旋轉磁場

由便攜式磁粉機工作過程可知，兩磁軛在直流穩態情況下產生的直流磁場符合矢量疊加原則；同時方波磁化電流還可分解成各階奇次正弦諧波，又由于兩磁軛磁化電流存在相位差，所以能夠產生類似交流電磁軛所形成的旋轉磁場。

該旋轉磁場數學模型[3]可表示為

式中：Hx為磁場強度在x軸方向的分量；Hy為磁場強度在y軸方向的分量；N為線圈匝數；K為比例常數；θ為兩線圈夾角；φ為磁化電流的相位差。

圖4 旋轉磁場分布示意

1.3磁粉的受力運動在濕法磁粉檢測中，磁粉受到工件缺陷處變化的漏磁場磁力、重力、浮力和摩擦力的作用，而磁粉運動距離ΔS取決于所受到的合力及磁化時間Δt。當ΔS>S0(S0為磁粉移動的距離)時，磁粉能被吸引到缺陷處，產生明顯磁痕；反之，則不能形成明顯磁痕[4]。因此，保證磁粉所受到的合力能使其在磁化時間Δt內能運動到磁痕處，是磁粉檢測的基本要求。

2 方波磁化電流模型

2.1方波磁化電流模型傅里葉級數展開

任何周期函數f(t)都可以用正弦函數構成的無窮級數來表示，在驗證性試驗中，交叉磁軛線圈的磁化電流近似為周期和幅值固定，且有90°相位差的方波電流，方波磁化電流模型如圖5所示。

圖5 方波磁化電流模型

將方波電流IAB展開為傅里葉級數：

由式(2)可知，方波電流IAB和ICD中包含了各頻率的奇次正弦諧波。根據1.2節描述的旋轉磁場產生原理，該方波電流符合形成旋轉磁場的條件。

2.2方波磁化電流模型試驗

為了驗證方波磁化電流在實際應用中的可行性，筆者進行了試驗，試驗條件如下所述。

(1) 磁軛提升力不小于118 N，即能平穩提起質量為12 kg的鐵塊。

(2) 靈敏度：使用A1-15/50試片，人工缺陷能清晰顯示。

(3) 使用12 V、8 A的鋰電池進行測試。

(4) 交叉磁軛的間距為80 mm，磁軛截面為20 mm×20 mm。

(5) 磁軛線圈匝數保持不變。

經過反復試驗，確定該磁軛的最佳工作頻率為25 Hz。在該頻率下能夠平衡檢測靈敏度和整機能耗到最優，因此選取25 Hz控制信號進行試驗具有代表性。方波電流模型試驗結果如表1所示。

表1 方波電流模型試驗結果

方波磁化電流如圖6所示，由表1和圖6可見，在方波磁化電流模型試驗中，磁軛AB或CD在每次電流換向時出現尖峰電流IP-AB和IP-CD，該電流為磁軛線圈有效電流值的1.55倍。當負載端(線圈電流)急速上升并出現尖峰電流時，瞬時功率P增大，負載端需要從逆變器獲取更多的能量，使逆變器的導通時間也增加，從而引起電池電流也出現瞬時尖峰電流，根據表1可知，電池尖峰電流達到了12.6 A。由于電池容量的限制，過大的電流輸出會嚴重損害鋰電池，不利于長期使用，同時瞬時電流過大也有燒壞保險絲、擊穿電路等危害。

圖6 方波磁化電流

為了消除線圈尖峰電流，減小電池電流輸出，最大程度提高便攜式磁粉機續航時間，并保護驅動電路，考慮采用一種分段控制信號的策略來抑制尖峰電流的出現，達到優化磁化電流的效果。

3 梯形波磁化電流模型

3.1梯形波磁化電流模型構建

將單個方波脈沖信號分為15段短脈沖，總脈寬為10 ms，周期依舊為40 ms。根據線圈電流反饋，將15段脈沖信號設置為不同脈寬。前幾個脈寬較大，使線圈電流快速換向；后幾個脈寬小，使線圈電流平緩上升到最大值Im。這樣既抑制住了尖峰電流，也保證了線圈電流的有效值，從而保證了磁軛檢測的提升力。在這種分段控制策略下，電流換向時間延長，上升變平緩，可等效為梯形波磁化電流。梯形波磁化電流如圖7所示。

圖7 梯形波磁化電流

3.2梯形波磁化電流模型傅里葉級數展開

圖8 梯形波函數模型

構建梯形波函數模型如圖8所示。

將梯形波電流IAB按傅里葉級數展開：

由式(3)可知，梯形波電流IAB和ICD也可展開成含有奇次項的正弦諧波[5]。

3.3方波與梯形波的頻譜對比

繪制方波和梯形波信號的頻譜圖，如圖9所示。方波信號和梯形波信號的頻譜幅值趨勢大致相同，即都是隨著頻率的增大，奇次諧波衰減得更快。在磁粉檢測中，低頻主要表現在穿透力上，高頻主要表現為趨膚效應，但就整體頻率分布而言，梯形波與方波信號的磁粉檢測能力相當。只是在低頻階段，方波具有更好的穿透力。

圖9 方波和梯形波磁化電流頻譜

在高頻段，為了說明電流密度在導體內的衰減程度，引入穿透深度δ，其定義是電流密度衰減到導體表面處的1/e時透入導體內的距離，可以證明δ為

式中：f為交流電頻率，Hz；u為導體的相對磁導率；?為導體的電導率，S·m-1。

在檢測的過程中，導體的相對磁導率和導體的電導率是固定不變的，所以當頻率增大時，檢測的穿透深度也會越來越集中在近表面。現假設一磁性鋼棒，半徑為2 cm，相對磁導率u為500，電導率?為1.27×106S·m-1。當f為100 Hz時，則由式(4)可得，穿透深度為1.99 mm；f為1 000 Hz時，穿透深度為0.63 mm，f為1 MHz時，穿透深度為0.02 mm。可見，隨著頻率的升高，電流密度也會集中在導體的極薄處，這種現象稱為趨膚效應[6]。

由此可知，梯形波和方波磁化電流模型一樣含有低頻和高頻的奇次諧波，可以用于磁粉檢測中。

3.4梯形波磁化電流試驗

對梯形波磁化電流進行試驗，在與方波磁化電流試驗條件一致的情況下，試驗結果如表2所示。

表2 梯形波磁化電流模型試驗結果

由表2和圖7可知，梯形波磁化電流模型中，磁軛原先出現尖峰電流的部分被緩慢增長的電流曲線代替了，尖峰電流被完全消除。而磁軛的有效電流與方波模型相當，保證了提升力和靈敏度的需求。同時可見整機電流顯著減小了31.96%。電池續航時間提升到46.98%，使得便攜式磁粉機的續航能力得到極大的提升。

4 結論

便攜式磁粉機在實際使用過程中，除了保證提升力、靈敏度基本參數外，最重要的是提升裝置的續航能力，從而提高檢測人員的現場作業效率。在保證便攜電源設備不變的情況下，所提出的梯形波電流模型在原有方波電流模型的基礎上續航時間增加了46.98%，大大地提高了裝置的使用效率。同時，通過分段控制信號很好地抑制了尖峰電流，在減少耗能的同時，保護了電路設備，尤其是避免了電池的過高輸出。所以該方案在便攜式磁粉機的實際設計中具有很好的參考價值。

[1] 李本事, 華娜, 趙希龍.電流波形和試塊對三相全波整流電磁粉檢測系統性能測試的影響[J]. 無損檢測, 2016, 38(5): 34-37.

[2] 朱萬欽, 張彥奎, 王恒迪,等. 多功能便攜式磁粉探傷儀的研制[J].無損探傷,2015,39(4):29-31.

[3] 楊文峰, 陳君平, 伊建鋒, 等. 磁粉檢測中交叉磁軛的靈敏度探討[J]. 無損檢測, 2010, 32(11): 868-876.

[4] 鄭國恒, 張柯, 周瑤,等. 便攜式磁粉探傷機設計的關鍵技術[J]. 無損檢測, 2010, 32(4): 267-270.

[5] 張其善, 王鋼, 韋玉川. 基于梯形波分析信號的一種新方法[J]. 電子學報, 2001(4): 560-562.

[6] 陶旺斌. 論磁化電流[J]. 無損檢測, 1995,17(3): 81-85.

EnergyConsumptionOptimizationSchemeofPortableMagneticPowderMachineBasedonTrapezoidalWaveMagnetizingCurrent

MAI Zhiheng, WANG Jie, FEI Yuenong

(College of Mechatronics and Control Engineering, Shenzhen University, Shenzhen 518060, China)

By the research of square wave magnetizing current model of portable magnetic powder machine, it is found that the yoke coil will cause the peak current when the current of coil is reversing. In this paper, a magnetization current model based on trapezoidal wave is proposed. It makes the coil current of the magnetic yoke reverse smoothly and reduces the peak current to avoid the peak current damage to the drive circuit. The experimental results show that the optimization model can reduce the average current of the battery by 31.96% and improve the life time of the magnetic powder machine by 46.98%. It has certain reference significance.

trapezoidal wave; portable magnetic powder machine; energy optimal; magnetization current

TG115.28

： A

：1000-6656(2017)09-0015-04

2016-12-18

麥志恒(1993—)，男，碩士研究生,主要從事嵌入式無損檢測設備研究工作

費躍農，feiyn@szu.edu.cn

10.11973/wsjc201709004