劉漫霞，張 輝，陳古典，龔 文

(中山大學智能交通研究中心，廣州510006)

近年來，電路系統(tǒng)的數(shù)字化控制需求日益增加，因此往往需要電路中的各種原件參數(shù)也能夠進行數(shù)字化調(diào)節(jié)和控制，數(shù)控電阻［1］、數(shù)控電容［2］等可以通過數(shù)字控制參數(shù)的電路元器件應運而生。但是，由于電感換路過程中出現(xiàn)的過壓等問題［3］，使得電感量數(shù)字可控的電感元件難以實現(xiàn)。

目前，電感元件電感量的改變通常采用機械式調(diào)節(jié)，其基本方式包括:磁芯可調(diào)電感器、銅芯可調(diào)電感器、滑動接點可調(diào)電感器、串聯(lián)互感可調(diào)電感器和多抽頭可調(diào)電感器［4-7］等。這些方式很難實現(xiàn)實時在線自動調(diào)節(jié)，且不能夠按照使用者需求來精確定量控制電感值的大小。因此在實際應用中存在很大的局限性。因此，需要設計一種電感量電子可調(diào)的結構和方法，才能實現(xiàn)電感量的數(shù)字化控制。已有一些學者應用電力電子技術設計，實現(xiàn)電感量的電子調(diào)節(jié)［8］，但是由于其結構和成本方面的原因，通常應用于電力網(wǎng)絡中，并不適合一般電子線路的使用。

為此，本文針對這一問題，應用電感間的互感特性，設計了一種結構簡單，適用于一般電子線路的新型數(shù)控可變電感，實現(xiàn)了電路中電感量的數(shù)字化控制。

1 數(shù)控可變電感設計原理

由一般電路知識［3］可知，當兩個電感距離比較近，且其中都有電流流過時，兩者電磁場會相互影響導致兩個電感的特性發(fā)生改變，兩者之間影響的大小即為兩個電感之間的互感。本文設計的可變電感就是應用了這一基本特性。其基本原理如圖1所示。

圖1中，電感L1即為接入電路的被控制電感稱為主電感;電感L2稱為附屬電感，用于調(diào)節(jié)和控制，且電感L1和電感L2之間的互感為M。設L1接入電路后兩端的電壓為ui，流經(jīng)L2的電流為i1;控制電路按照ui的大小產(chǎn)生一個電壓kui加載在附屬電感L2兩端，流經(jīng)L2的電流為i2。

圖1 可變電感原理結構圖

此時，圖1的原理結構圖中主電感L1和附屬電感L2兩個回路中可以推導出以下兩個等式:

對于正弦交流輸入［9］，不考慮瞬態(tài)過程［10］的情況下，式(1)和式(2)的穩(wěn)態(tài)表達式為:

其中，I1是流經(jīng)電感L1的穩(wěn)態(tài)電流，I2是流經(jīng)電感L2的穩(wěn)態(tài)電流，Ui是L1接入電路后的穩(wěn)態(tài)電壓。

由式(3)、式(4)可得到主電感輸入端的等效電抗為:

對比式(5)和一般電感Lx的感抗特性:

其中，UL為電感上交流電壓的幅值，IL為電感上交流電流的幅值，可以發(fā)現(xiàn)對于主電感輸入端，其等效電感為:

由式(7)可知，L1，L2，M都是定值，等效電感L值的只與放大倍數(shù)k值的大小相關。因此可以通過改變k值的大小來調(diào)節(jié)等效電感L的電感量。

根據(jù)以上討論，只需設計一個數(shù)字可控的放大器，對主電感的電壓進行k倍的放大作為附屬電感的驅動信號，即可實現(xiàn)對電感參數(shù)的數(shù)字化控制。

2 電感調(diào)節(jié)控制電路模塊設計

為了實現(xiàn)式(7)的電感量控制，本設計如圖2所示的數(shù)控可變電感電路，其主要包括:主電感L1，附屬電感L2，以及控制電路——電壓跟隨器電路、比例運算電路、數(shù)字電位器電路和功率放大電路。

(1)電壓跟隨器電路一

電壓跟隨器電路的主要功能是提高輸入阻抗，減小對前級電路的負擔，在所設計的電路結構中，電壓跟隨器1主要保證控制電路不對主電感所在的主回路電壓電流造成額外干擾;電壓跟隨器2主要用于減小數(shù)字電位器的負載，降低輸出電流。這兩個跟隨器電路可以統(tǒng)一采用運算放大器構成的跟隨器(結構如圖3所示)，它不僅結構簡單，而且輸入輸出之間沒有相位差，不會對式(7)的實現(xiàn)造成不利影響。

圖2 數(shù)控可變電感結構示意圖

圖3 電壓跟隨器電路

(2)數(shù)字電位器電路模塊

數(shù)控可變電感的核心在于設計數(shù)字可控的放大器，根據(jù)輸入的數(shù)字量調(diào)節(jié)放大系數(shù)k以實現(xiàn)電感參數(shù)的數(shù)字可控。而數(shù)字電位器正是這樣一種器件，他可以根據(jù)輸入數(shù)字指令準確地進行電阻值調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)對輸入信號的分壓。本文采用X9241數(shù)字電位器實現(xiàn)這一過程。

圖4 數(shù)字電位器X9241電路圖

數(shù)字電位器X9241的電路圖如圖4所示，其中，SCL和SDA分別為I2C總線的時鐘線和數(shù)據(jù)線，用于接收外部的數(shù)字指令，需要加上拉電阻，起限流和輸出高電平的作用［11］。數(shù)字電位器X9241里有4個電位器，本電路中使用第3個電位器，即高端、低端和滑動端分別為VH2、VL2和VW2。VL2接經(jīng)過跟隨器隔離的輸入信號ui，VH2接地，VW2端則輸出經(jīng)過數(shù)字電位器改變的輸出信號kui。

外部控制系統(tǒng)通過SDA和SCL給X9241發(fā)送數(shù)據(jù)指令，改變數(shù)字電位器滑動計數(shù)寄存器(WCR)的數(shù)值(最大為63，最小為0)，k1隨即發(fā)生變化，其具體表達式可以表示為:

因此0≤k1≤1。例如，當滑動端的數(shù)據(jù)內(nèi)容為10時，k1=10/63。

(3)比例運算電路

由于數(shù)字電位器只能實現(xiàn)分壓的功能，即它的調(diào)節(jié)系數(shù)0≤k1≤1，數(shù)值范圍過小，往往難以滿足實際需要，為此加入比例運算環(huán)節(jié)，將數(shù)字電位器的輸出信號進行k2倍放大，進而得到附屬電感上的加載電壓值kui=k1k2ui。其中k2可以通過同相比例運算電路實現(xiàn)，結構如圖5所示。同相比例運算電路中，輸出電壓與輸入電壓成正比關系，且二者相位相同［11］，放大系數(shù)k2為:

圖5 同相比例運算電路

(4)功率放大電路

通過數(shù)字電位器和比例運算電路初步的確定了一個變化系數(shù)k值之后，需要功率放大電路來放大電路的輸出功率，從而推動電感L2工作，使其與電感L1產(chǎn)生互感效應，最終實現(xiàn)可變電感的數(shù)字可控。

功率放大電路采用的無輸出電容的功率放大電路(OCL電路)，如圖6所示。這一電路不對輸入信號的電壓幅度進行放大(即放大系數(shù)為1)，只提高電流的輸出能力用以驅動較重的負荷。其特點是結構簡單，輸入輸出之間沒有相位差。

圖6 功率放大電路

3 實驗測試結果與分析

為了驗證電路的有效性，應用第2節(jié)所述電路進行實驗測試，在L1=L2=65 μH，k2=10的條件下，調(diào)節(jié)WCR值，通過諧振頻率法測得對應的電感值如表1所示。從表1中可見，電感值與WCR的數(shù)值呈反比，即電感值隨著k值的增大而減小，與式(7)的規(guī)律一致。

表1 數(shù)控可變電感調(diào)節(jié)實驗結果

通過對WCR的階梯性調(diào)節(jié)改變電感值，記錄結果如圖7所示。從結果中可以看出其響應較為迅速，不存在顯著的過渡過程，可以適應連續(xù)調(diào)節(jié)。

圖7 數(shù)控可變電感連續(xù)調(diào)節(jié)實驗

實驗結果表明，所設計的數(shù)控可變電感完全可以實現(xiàn)電感的數(shù)字可控。但是，由于互感值比較小，因此在k2=10的情況下，調(diào)節(jié)范圍比較小，想獲得大的調(diào)節(jié)范圍可以增大k2，或者將比例運算電路改為反相比例放大器。另外，由于控制量k位于式(7)的分母上，它與等效電感值之間不是線性關系，實際使用中需要注意。

4 總結

所設計的數(shù)控可變電感在克服了傳統(tǒng)機械式可變電感不能實時在線數(shù)字化控制的缺點，而且結構簡單，設計靈活，可以針對不同的主電感電流、電壓要求進行設計，是一種較為方便的電感數(shù)字化調(diào)節(jié)方案。另外，需要指出的是，本文設計的數(shù)控可變電感采用了多個集成運算放大器來實現(xiàn)，其適用電壓范圍、工作頻率范圍均受集成運算放大器對應性能的影響。

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