基于載波頻率的高頻電流傳感器均流控制系統設計

王 燕

(青島農業大學 理學與信息科學學院，山東 青島 266109)

0 引言

在電信號通信領域中，載波是指由振蕩器輸出并可以直接在通訊信道上進行自主傳輸的電波載荷，經過傳感器元件的調制與處理后，這些電波信號可被用來傳送語音、視頻及其他類型的圖片與文字信息。電波載荷屬于一種高頻傳輸信號，因此在實際應用過程中，載波信號的傳輸頻率始終高于輸入信號。有些未受調制的周期性振蕩信號也被稱為載波，故而載波信號的傳輸行為既可以是正弦波狀態也可以是非正弦波狀態[1]。經過調制處理后的載波被統稱為已調信號，因其含有調制信號的全部表現特征，所以載波參量的傳輸頻率遠高于調制信號的初始帶寬水平，這也是載波信號能夠長期保持穩定傳輸狀態的主要原因。一般來說，電量傳感器所需數據的頻率水平相對較低，如果完全按照初始頻率來傳輸，則不利于通信主機對其進行接收與同步處理[2]。而在載波技術的作用下，原數據信號可被加載于載波信號之上，接收方也就可以按照載波頻率對數據信號進行接收，此時有意義信號與無意義信號的波幅是不同的，通信主機也就能夠直接將其所需的數據信號參量提取出來。

電流傳感器也被稱為磁傳感器，是一類功能較為完善的電流檢測裝置，不但能夠感受到被測電流信息所處的實時傳輸位置，還可以按照既定規律模型，將電信號參量整合成其他波形的輸出信息，從而滿足電信號通信主機對于信息參量的不同記錄、處理與存儲需求[3]。對于高頻電流傳感器元件來說，在電量傳輸網絡中，支路電流與總電流之間的數值配比關系能夠反映傳感器元件所表現出的電流占空輸出情況，在實際應用過程中，受到其他干擾條件的影響，默認只有在電流配比數值完全低于額定極值標準的情況下，高頻傳感器元件所表現出來的電流占空輸出問題才能得到較好解決[4]。為避免上述情況的發生，傳統控制系統在DC-DC變換器元件的作用下，分析電阻電容與電流驅動設備之間的電量配比關系，又聯合滑動變阻器、電流變頻設備等應用元件，實現對電量均流效應的有效控制[5]。然而此系統的實用能力有限，并不能有效控制高頻傳感器元件所表現出來的電流占空輸出情況。為解決此問題，設計一種基于載波頻率的新型高頻電流傳感器均流控制系統，設計高頻電流傳感器均流控制系統硬件，包括驅動電路、電容變壓器、均流電感元件、濾波電流傳感器。通過電流循環譜特征，計算一階載波參量、二階載波參量、頻率協方差指標，以此構建高頻電流傳感器電流控制項判別條件，通過分析上述指標的參量數值變化情況，計算支路電流與總電流數值配比是否超過額定極值標準，若超過即可判定高頻傳感器元件在當前情況下出現電流占空輸出行為的幾率相對較大。結合各級硬件結構，實現高頻電流傳感器均流控制系統的設計。

并通過對比實驗的方式，突出該系統的實際應用價值。

1 高頻電流傳感器均流控制系統的開發與實現

高頻電流傳感器均流控制系統的硬件應用環境由IGBT驅動電路、電容變壓器、均流電感元件、濾波電流傳感器等多個執行結構共同組成，具體設計方法如下。

1.1 IGBT驅動電路

高頻電流傳感器均流控制系統的驅動電路選擇以IGBT元件作為核心搭建設備，內部同時集成了過流和短路保護回路，可用較低水平的輸入電壓，為下級電容變壓器、均流電感元件等硬件設備結構提供較高水平的輸出電流，具體連接結構如圖1所示[6-7]。IGBT元件分別與IGD1、IGD2設備相連，且由于電量均流閉環體系的存在，所有電流脈沖信號都能得到隔離與保護，一方面使得INA、INB接入端輸入的電量信號得到完整利用，另一方面也可以避免傳輸電流經由SOA、SOB接口泄露到外界傳感環境中，從而使得高頻電流傳感器元件的電量均流作用效果得到有效保護。VCC作為IGBT驅動電路與外界電感元件的連接端口，能夠吸收大量的傳輸電量信號，以供下級IGD設備的直接利用[8]。VDD作為外部接地端口，能夠將剩余電量信號輸送至IGBT驅動電路外部，從而使得整個驅動電路中的電流傳輸作用始終保持相對穩定的表現狀態。

圖1 IGBT驅動電路的連接結構

G、S作為不同的電流信號負載結構，可以在R電阻元件的作用下，對傳輸電量進行聚合處理，從而保證電量均流閉環體系中產生的感應電流不會發生明顯外泄。

1.2 電容變壓器

在高頻電流傳感器均流控制系統中，電容變壓器負責將不同輸入形式的電量信號轉化成標準的電量信號輸出形式，并可以在電路板、散熱片等多個元件結構的作用下，對傳輸電流進行暫時存儲[9]。完整的電容變壓器結構如圖2所示。

圖2 電容變壓器結構詳解圖

在圖2中，金屬接頭作為導線連接端口，能夠將整個變壓器元件與其他設備連接起來。端子墊片能夠穩定電路板與接線端子之間的連接關系，且在底層連接底角設置方向保持不變的情況下，設備之間的連接空隙越小，就表示電容變壓器元件在當前情況下的運行能力越強[10]。繞組設備由多個物理線圈組成，對電容變壓器元件而言，其內阻數值與多個繞組線圈的電阻值之和相等。散熱片負責將電路板元件產生的物理熱量傳導至電容變壓器元件外部，從而保證高頻電流傳感器不會因受熱而出現不良運行的情況。

1.3 均流電感元件

均流電感元件也叫敏感性電流負荷感應裝置，存在于底層電量驅動回路與上層電量控制設備之間，能夠改變電流信號的初始傳輸形式，并可以借助基礎電路板上方負載的電阻絲，完成對傳輸電量的聚合處理，不但可以實現對電流信號的平均劃分，還可以提取存儲于電容變壓器元件中的電量信息，使其在高頻電流傳感器均流控制系統中保持相對活躍的傳輸狀態[11-12]。一般來說，負載于電路板上方電阻絲的內阻水平相對較高，在高水平傳輸電壓的作用下，依然可使整個均流電感元件內部的傳輸電流保持較低的數值狀態。

在實際應用過程中，均流電感元件具有兩種運行狀態：在高頻電流輸入量較大的情況下，均流電感元件兩端的負載電壓數值相對較大，此時相鄰電阻絲快速分擔負載電壓；在高頻電流輸入量較小的情況下，均流電感元件兩端的負載電壓數值相對較小，此時存儲于電阻絲內部的負載電壓釋放出來[13]。

1.4 濾波電流傳感器

濾波電流傳感器是一個極為細微的控制系統連接結構，由物理線圈、磁芯、霍爾元件等多個物理元件共同組成。

完整的濾波電流傳感器模擬結構如圖3所示。磁芯結構存在于物理線圈內部，可在傳輸電流信號的作用下，呈現出往復運動狀態，此過程中，會產生大量交變電流，其中正向交變電流借助高壓驅動端傳輸回均流傳感器控制主機，負向交變電流則借助低壓驅動端傳輸回均流傳感器控制主機[14]。線圈能夠承載大量的傳輸電流，并可以隨著電流信號的波動形式出現明顯轉動的表現行為，此時由于線圈結構與磁芯結構間存在摩擦作用，所以高頻電流會快速聚合在一起，并借助模態電路反饋至下級硬件應用結構之中[15-16]。霍爾元件負責檢測傳輸電流信號的頻率水平，由于元件自身具有一定的電信號區分能力，所以只有頻率水平相對適中的電流參量能夠進入濾波傳感器內部，而頻率過高或過低的電流參量則會直接被霍爾元件所過濾。

圖3 濾波電流傳感器的模擬結構示意圖

濾波電流傳感器的模態電路由低壓驅動端、高壓驅動端共同組成，前者負責聚集負向傳輸電流信號，后者負責聚集正向傳輸電流信號。

1.5 DSP控制單元

DSP控制單元舍棄了傳統的擴展地址總線，利用KSS-6AF芯片，對高頻電流信號進行轉載處理，又通過關聯引腳設備，將均流電量分子轉存至SAA7324H-DSP-CE1424主芯片之中。與傳統的傳感器控制設備相比，DSP控制單元在處理高頻電流信號的過程中，不需消耗額外的感應電壓，因此在維護電路均流傳輸效果方面具備較強的實用性價值[17]。

在高頻電流傳感器均流控制系統的DSP控制單元中，SAA7324H-DSP-CE1424主芯片、KSS-6AF芯片之間只負責傳輸處于高頻狀態的電流信號，且對于傳感器元件來說，這些電流信號與濾波電流傳感器之間的電量均流關系能夠長期保持穩定。

1.6 電量變換器

電量變換器作為傳感器均流控制系統中的高頻電流信號篩選裝置，能夠借助CAN元件對輸入信號進行采集，并可以將所采集到的信號參量分別整合成多個不同的傳輸形式。DC/DC選擇器負責對CAN元件采集到的電流信號進行按需篩選，一般來說，只有同時滿足高頻與穩定傳輸需求的信號參量，才能成為傳感器均流控制系統數據庫主機的核心存儲對象[18-19]。完成篩選后的高頻電流信號會自發進入可編程負載元件之中，并可在傳輸信道組織的作用下，將這些信號參量再次反饋回DSP控制單元中，以供其他系統硬件應用結構的調取與利用。圖4展示了電量變換器元件的實際連接原理。

圖4 電量變換器元件的連接原理

與其他系統應用元件相比，電量變換器的連接適應能力更強，可在聚合高頻電流信號的同時，為DSP控制單元提供足量的供應電子。

2 基于載波頻率的高頻電流傳感器均流控制系統

為改善高頻傳感器元件所表現出來的電流占空輸出情況，在上述硬件設計的基礎上，設計高頻電流傳感器均流控制系統軟件算法。分析電流循環譜特征，分別計算一階載波參量、二階載波參量、頻率協方差指標的具體數值結果，據此構建高頻電流傳感器電流控制項判別條件，通過分析上述指標的參量數值變化情況，計算支路電流與總電流數值配比是否超過額定極值標準，若超過即可判定高頻傳感器元件在當前情況下出現電流占空輸出行為的幾率相對較大，從而實現基于載波頻率的電流傳輸行為估計，再聯合各級硬件應用結構，完成高頻電流傳感器均流控制系統的設計。

2.1 電流循環譜特征

電流循環譜特征描述了高頻電流信號在傳感器內環中的分布形式，隨著信號載波量的增大，循環譜特征在既定節點處的數值水平也會不斷增大[20]。規定e表示一個隨機選取的電流信號載波系數，we表示當前情況下的電流信號載頻，oe表示電流信號的傳輸幅值。聯立上述物理量，可將高頻電流信號的初始循環譜相位表示為：

(1)

式中，w0表示電流信號載頻的初始賦值，λ表示電流信號的頻率系數。

(2)

電流循環譜特征作為載波頻率判別條件的構建基礎，可為一階載波系數求解、二階載波系數求解提供可參考數據信息。

2.2 一階載波系數

一階載波系數、二階載波系數是兩個相互關聯的高頻電流控制項判別條件，前者的等級水平相對較低，而后者的等級水平則相對較高。在載波頻率的認知范疇中，一階載波系數的表達形式更為直觀，對于高頻電流而言，該項系數指標的物理取值越大，就表示控制系統內傳輸電流所具備的均流表現能力越強，反之則越弱[21-22]。

(3)

在傳感器均流控制系統中，一階載波系數的實際計算結果始終小于二階載波系數。

2.3 二階載波系數

二階載波系數對于高頻電流信號的約束能力更強，與一階載波系數相比，該項物理量注重對電流信號之間的頻率賦值關系進行區分，可在保證電流信號傳輸能力的同時，使得相關均流向量之間的制約行為強度不斷減弱，直至任何一個電信號均流傳輸行為都不會受到影響[23]。

設k2表示傳感器控制主機中高頻傳輸電流的二階偏導系數，g1、g2表示兩個不相關的電信號均流行為向量，且g1≠g2的不等式條件恒成立，λ表示傳感器主機所遵循的電量均流控制條件，β表示單位時間內的高頻電流傳輸方向向量。聯立上述物理量，可將二階載波系數計算表達式定義為：

(4)

在電流載波頻率數值保持不變的情況下，聯立一階載波系數、二階載波系數，才能夠實現對傳感器均流信號的按需調度與控制。

2.4 頻率協方差

頻率協方差指標能夠表述出高頻電流信號在傳感器循環譜中的基本分布形式。從宏觀性角度來看，協方差指標的物理取值越大，高頻信號之間的電流差數值也就越大，此時整個傳感器循環譜中的電流場分布強度也就相對較低[24-25]；而當協方差指標的物理取值相對較小時，高頻信號之間的電流差數值也相對較小，此時整個傳感器循環譜中的電流場分布強度也較高。

(5)

高頻電流傳感器均流控制系統是一個相對復雜的應用環境，在確保相關指標參量數值發生改變的情況下，聯合各級硬件設備結構，從而實現控制系統的順利應用。

3 實驗分析

支路電流與總電流之間的數值配比關系(κ)，能夠反映高頻傳感器元件出現電流占空輸出行為的幾率。通常情況下，若支路電流與總電流之間的數值配比指標，能夠始終低于額定極值標準，則可判定高頻傳感器元件在當前情況下出現電流占空輸出行為的幾率相對較小；如若支路電流與總電流之間的數值配比指標，超過額定極值標準，則可判定高頻傳感器元件在當前情況下出現電流占空輸出行為的幾率相對較大。

本次實驗選取基于載波頻率的高頻電流傳感器均流控制系統作為實驗組應用方法，選取DC-DC變換器控制系統作為對照組應用方法。

首先，將載波頻率控制算法輸入實驗用傳感器主機中，通過人工測試的方式，記錄在此系統運行過程中，支路電流與總電流的數值變化情況，將所得數據作為實驗組變量；其次，將DC-DC控制算法輸入實驗用傳感器主機中，通過人工測試的方式，記錄在此系統運行過程中，支路電流與總電流的數值變化情況，將所得數據作為對照組變量；然后，按照公式(6)計算實驗組、對照組κ指標的具體數值；

(6)

最后，對比實驗組、對照組數值結果，總結實驗規律。

圖5反映了實驗組、對照組支路電流與總電流之間的數值對比情況。

圖5 實驗組電流對比曲線

分析圖5可知，在實驗組控制系統的作用下，支路電流、總電流均呈現出不斷增大的數值變化狀態，但明顯總電流的上升幅度更大。整個實驗過程中，支路電流極值差為17.04 A，總電流極值差為32.41 A，二者之間的物理差值為15.37 A。

圖6 對照組電流對比曲線

分析圖6可知，在對照組控制系統的作用下，支路電流呈現出先增大、再減小的數值變化趨勢；而總電流則呈現出不斷增大的數值變化趨勢。整個實驗過程中，支路電流極值差為20.92 A，總電流極值差為35.31 A，二者之間的物理差值為14.39 A。

對照圖5、圖6對實驗組、對照組κ指標進行計算，具體計算結果及其與額定極值之間的對比情況如表1所示。

表1 κ指標對比表

分析表1可知，隨著實驗時間的延長，κ指標額定極值呈現出不斷增大的變化狀態，其最大值0.54與初始值0.35相比，上升了0.19；實驗組κ指標數值也呈現出不斷增大的變化狀態，整個實驗過程中，其數值水平始終沒有超過額定極值；對照組κ指標數值則出現了先上升、再下降的變化趨勢，在實驗時間達到50 min之前，其κ指標數值始終高于額定極值，而當實驗時間等于60 min時，其κ指標數值才處于額定極值水平之下。

綜合上述實驗數據可知，隨著基于載波頻率的高頻電流傳感器均流控制系統的應用，支路電流與總電流之間的配比指標數值始終小于額定極值標準，與DC-DC變換器控制系統相比，確實能夠抑制高頻傳感器元件出現電流占空輸出的情況。

4 結束語

新型高頻電流傳感器均流控制系統在DC-DC變換器控制系統的基礎上，對載波頻率理論進行探索，聯合濾波電流傳感器、電量變換器等多個硬件應用設備，對電流循環譜特征進行重新定義，又借助一階載波系數、二階載波系數，計算頻率協方差指標的具體數值結果。在實用性方面，這種新型控制系統注重對支路電流與總電流之間的數值配比關系進行調試，使其數值水平始終低于額定極值標準，這恰好解決了現有的高頻傳感器元件電流占空輸出情況較為明顯的問題，符合實際應用需求。