王 燕
(青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院,山東 青島 266109)
在電信號(hào)通信領(lǐng)域中,載波是指由振蕩器輸出并可以直接在通訊信道上進(jìn)行自主傳輸?shù)碾姴ㄝd荷,經(jīng)過傳感器元件的調(diào)制與處理后,這些電波信號(hào)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(hào),因此在實(shí)際應(yīng)用過程中,載波信號(hào)的傳輸頻率始終高于輸入信號(hào)。有些未受調(diào)制的周期性振蕩信號(hào)也被稱為載波,故而載波信號(hào)的傳輸行為既可以是正弦波狀態(tài)也可以是非正弦波狀態(tài)[1]。經(jīng)過調(diào)制處理后的載波被統(tǒng)稱為已調(diào)信號(hào),因其含有調(diào)制信號(hào)的全部表現(xiàn)特征,所以載波參量的傳輸頻率遠(yuǎn)高于調(diào)制信號(hào)的初始帶寬水平,這也是載波信號(hào)能夠長期保持穩(wěn)定傳輸狀態(tài)的主要原因。一般來說,電量傳感器所需數(shù)據(jù)的頻率水平相對(duì)較低,如果完全按照初始頻率來傳輸,則不利于通信主機(jī)對(duì)其進(jìn)行接收與同步處理[2]。而在載波技術(shù)的作用下,原數(shù)據(jù)信號(hào)可被加載于載波信號(hào)之上,接收方也就可以按照載波頻率對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行接收,此時(shí)有意義信號(hào)與無意義信號(hào)的波幅是不同的,通信主機(jī)也就能夠直接將其所需的數(shù)據(jù)信號(hào)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(shí)時(shí)傳輸位置,還可以按照既定規(guī)律模型,將電信號(hào)參量整合成其他波形的輸出信息,從而滿足電信號(hào)通信主機(jī)對(duì)于信息參量的不同記錄、處理與存儲(chǔ)需求[3]。對(duì)于高頻電流傳感器元件來說,在電量傳輸網(wǎng)絡(luò)中,支路電流與總電流之間的數(shù)值配比關(guān)系能夠反映傳感器元件所表現(xiàn)出的電流占空輸出情況,在實(shí)際應(yīng)用過程中,受到其他干擾條件的影響,默認(rèn)只有在電流配比數(shù)值完全低于額定極值標(biāo)準(zhǔn)的情況下,高頻傳感器元件所表現(xiàn)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(fā)生,傳統(tǒng)控制系統(tǒng)在DC-DC變換器元件的作用下,分析電阻電容與電流驅(qū)動(dòng)設(shè)備之間的電量配比關(guān)系,又聯(lián)合滑動(dòng)變阻器、電流變頻設(shè)備等應(yīng)用元件,實(shí)現(xiàn)對(duì)電量均流效應(yīng)的有效控制[5]。然而此系統(tǒng)的實(shí)用能力有限,并不能有效控制高頻傳感器元件所表現(xiàn)出來的電流占空輸出情況。為解決此問題,設(shè)計(jì)一種基于載波頻率的新型高頻電流傳感器均流控制系統(tǒng),設(shè)計(jì)高頻電流傳感器均流控制系統(tǒng)硬件,包括驅(qū)動(dòng)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(huán)譜特征,計(jì)算一階載波參量、二階載波參量、頻率協(xié)方差指標(biāo),以此構(gòu)建高頻電流傳感器電流控制項(xiàng)判別條件,通過分析上述指標(biāo)的參量數(shù)值變化情況,計(jì)算支路電流與總電流數(shù)值配比是否超過額定極值標(biāo)準(zhǔn),若超過即可判定高頻傳感器元件在當(dāng)前情況下出現(xiàn)電流占空輸出行為的幾率相對(duì)較大。結(jié)合各級(jí)硬件結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)高頻電流傳感器均流控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
并通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)的方式,突出該系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
高頻電流傳感器均流控制系統(tǒng)的硬件應(yīng)用環(huán)境由IGBT驅(qū)動(dòng)電路、電容變壓器、均流電感元件、濾波電流傳感器等多個(gè)執(zhí)行結(jié)構(gòu)共同組成,具體設(shè)計(jì)方法如下。
高頻電流傳感器均流控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電路選擇以IGBT元件作為核心搭建設(shè)備,內(nèi)部同時(shí)集成了過流和短路保護(hù)回路,可用較低水平的輸入電壓,為下級(jí)電容變壓器、均流電感元件等硬件設(shè)備結(jié)構(gòu)提供較高水平的輸出電流,具體連接結(jié)構(gòu)如圖1所示[6-7]。IGBT元件分別與IGD1、IGD2設(shè)備相連,且由于電量均流閉環(huán)體系的存在,所有電流脈沖信號(hào)都能得到隔離與保護(hù),一方面使得INA、INB接入端輸入的電量信號(hào)得到完整利用,另一方面也可以避免傳輸電流經(jīng)由SOA、SOB接口泄露到外界傳感環(huán)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(hù)。VCC作為IGBT驅(qū)動(dòng)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(hào),以供下級(jí)IGD設(shè)備的直接利用[8]。VDD作為外部接地端口,能夠?qū)⑹S嚯娏啃盘?hào)輸送至IGBT驅(qū)動(dòng)電路外部,從而使得整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路中的電流傳輸作用始終保持相對(duì)穩(wěn)定的表現(xiàn)狀態(tài)。
圖1 IGBT驅(qū)動(dòng)電路的連接結(jié)構(gòu)
G、S作為不同的電流信號(hào)負(fù)載結(jié)構(gòu),可以在R電阻元件的作用下,對(duì)傳輸電量進(jìn)行聚合處理,從而保證電量均流閉環(huán)體系中產(chǎn)生的感應(yīng)電流不會(huì)發(fā)生明顯外泄。
在高頻電流傳感器均流控制系統(tǒng)中,電容變壓器負(fù)責(zé)將不同輸入形式的電量信號(hào)轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)的電量信號(hào)輸出形式,并可以在電路板、散熱片等多個(gè)元件結(jié)構(gòu)的作用下,對(duì)傳輸電流進(jìn)行暫時(shí)存儲(chǔ)[9]。完整的電容變壓器結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 電容變壓器結(jié)構(gòu)詳解圖
在圖2中,金屬接頭作為導(dǎo)線連接端口,能夠?qū)⒄麄€(gè)變壓器元件與其他設(shè)備連接起來。端子墊片能夠穩(wěn)定電路板與接線端子之間的連接關(guān)系,且在底層連接底角設(shè)置方向保持不變的情況下,設(shè)備之間的連接空隙越小,就表示電容變壓器元件在當(dāng)前情況下的運(yùn)行能力越強(qiáng)[10]。繞組設(shè)備由多個(gè)物理線圈組成,對(duì)電容變壓器元件而言,其內(nèi)阻數(shù)值與多個(gè)繞組線圈的電阻值之和相等。散熱片負(fù)責(zé)將電路板元件產(chǎn)生的物理熱量傳導(dǎo)至電容變壓器元件外部,從而保證高頻電流傳感器不會(huì)因受熱而出現(xiàn)不良運(yùn)行的情況。
均流電感元件也叫敏感性電流負(fù)荷感應(yīng)裝置,存在于底層電量驅(qū)動(dòng)回路與上層電量控制設(shè)備之間,能夠改變電流信號(hào)的初始傳輸形式,并可以借助基礎(chǔ)電路板上方負(fù)載的電阻絲,完成對(duì)傳輸電量的聚合處理,不但可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電流信號(hào)的平均劃分,還可以提取存儲(chǔ)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(tǒng)中保持相對(duì)活躍的傳輸狀態(tài)[11-12]。一般來說,負(fù)載于電路板上方電阻絲的內(nèi)阻水平相對(duì)較高,在高水平傳輸電壓的作用下,依然可使整個(gè)均流電感元件內(nèi)部的傳輸電流保持較低的數(shù)值狀態(tài)。
在實(shí)際應(yīng)用過程中,均流電感元件具有兩種運(yùn)行狀態(tài):在高頻電流輸入量較大的情況下,均流電感元件兩端的負(fù)載電壓數(shù)值相對(duì)較大,此時(shí)相鄰電阻絲快速分擔(dān)負(fù)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(fù)載電壓數(shù)值相對(duì)較小,此時(shí)存儲(chǔ)于電阻絲內(nèi)部的負(fù)載電壓釋放出來[13]。
濾波電流傳感器是一個(gè)極為細(xì)微的控制系統(tǒng)連接結(jié)構(gòu),由物理線圈、磁芯、霍爾元件等多個(gè)物理元件共同組成。
完整的濾波電流傳感器模擬結(jié)構(gòu)如圖3所示。磁芯結(jié)構(gòu)存在于物理線圈內(nèi)部,可在傳輸電流信號(hào)的作用下,呈現(xiàn)出往復(fù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài),此過程中,會(huì)產(chǎn)生大量交變電流,其中正向交變電流借助高壓驅(qū)動(dòng)端傳輸回均流傳感器控制主機(jī),負(fù)向交變電流則借助低壓驅(qū)動(dòng)端傳輸回均流傳感器控制主機(jī)[14]。線圈能夠承載大量的傳輸電流,并可以隨著電流信號(hào)的波動(dòng)形式出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)動(dòng)的表現(xiàn)行為,此時(shí)由于線圈結(jié)構(gòu)與磁芯結(jié)構(gòu)間存在摩擦作用,所以高頻電流會(huì)快速聚合在一起,并借助模態(tài)電路反饋至下級(jí)硬件應(yīng)用結(jié)構(gòu)之中[15-16]。霍爾元件負(fù)責(zé)檢測傳輸電流信號(hào)的頻率水平,由于元件自身具有一定的電信號(hào)區(qū)分能力,所以只有頻率水平相對(duì)適中的電流參量能夠進(jìn)入濾波傳感器內(nèi)部,而頻率過高或過低的電流參量則會(huì)直接被霍爾元件所過濾。
圖3 濾波電流傳感器的模擬結(jié)構(gòu)示意圖
濾波電流傳感器的模態(tài)電路由低壓驅(qū)動(dòng)端、高壓驅(qū)動(dòng)端共同組成,前者負(fù)責(zé)聚集負(fù)向傳輸電流信號(hào),后者負(fù)責(zé)聚集正向傳輸電流信號(hào)。
DSP控制單元舍棄了傳統(tǒng)的擴(kuò)展地址總線,利用KSS-6AF芯片,對(duì)高頻電流信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)載處理,又通過關(guān)聯(lián)引腳設(shè)備,將均流電量分子轉(zhuǎn)存至SAA7324H-DSP-CE1424主芯片之中。與傳統(tǒng)的傳感器控制設(shè)備相比,DSP控制單元在處理高頻電流信號(hào)的過程中,不需消耗額外的感應(yīng)電壓,因此在維護(hù)電路均流傳輸效果方面具備較強(qiáng)的實(shí)用性價(jià)值[17]。
在高頻電流傳感器均流控制系統(tǒng)的DSP控制單元中,SAA7324H-DSP-CE1424主芯片、KSS-6AF芯片之間只負(fù)責(zé)傳輸處于高頻狀態(tài)的電流信號(hào),且對(duì)于傳感器元件來說,這些電流信號(hào)與濾波電流傳感器之間的電量均流關(guān)系能夠長期保持穩(wěn)定。
電量變換器作為傳感器均流控制系統(tǒng)中的高頻電流信號(hào)篩選裝置,能夠借助CAN元件對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采集,并可以將所采集到的信號(hào)參量分別整合成多個(gè)不同的傳輸形式。DC/DC選擇器負(fù)責(zé)對(duì)CAN元件采集到的電流信號(hào)進(jìn)行按需篩選,一般來說,只有同時(shí)滿足高頻與穩(wěn)定傳輸需求的信號(hào)參量,才能成為傳感器均流控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫主機(jī)的核心存儲(chǔ)對(duì)象[18-19]。完成篩選后的高頻電流信號(hào)會(huì)自發(fā)進(jìn)入可編程負(fù)載元件之中,并可在傳輸信道組織的作用下,將這些信號(hào)參量再次反饋回DSP控制單元中,以供其他系統(tǒng)硬件應(yīng)用結(jié)構(gòu)的調(diào)取與利用。圖4展示了電量變換器元件的實(shí)際連接原理。
圖4 電量變換器元件的連接原理
與其他系統(tǒng)應(yīng)用元件相比,電量變換器的連接適應(yīng)能力更強(qiáng),可在聚合高頻電流信號(hào)的同時(shí),為DSP控制單元提供足量的供應(yīng)電子。
為改善高頻傳感器元件所表現(xiàn)出來的電流占空輸出情況,在上述硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)高頻電流傳感器均流控制系統(tǒng)軟件算法。分析電流循環(huán)譜特征,分別計(jì)算一階載波參量、二階載波參量、頻率協(xié)方差指標(biāo)的具體數(shù)值結(jié)果,據(jù)此構(gòu)建高頻電流傳感器電流控制項(xiàng)判別條件,通過分析上述指標(biāo)的參量數(shù)值變化情況,計(jì)算支路電流與總電流數(shù)值配比是否超過額定極值標(biāo)準(zhǔn),若超過即可判定高頻傳感器元件在當(dāng)前情況下出現(xiàn)電流占空輸出行為的幾率相對(duì)較大,從而實(shí)現(xiàn)基于載波頻率的電流傳輸行為估計(jì),再聯(lián)合各級(jí)硬件應(yīng)用結(jié)構(gòu),完成高頻電流傳感器均流控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
電流循環(huán)譜特征描述了高頻電流信號(hào)在傳感器內(nèi)環(huán)中的分布形式,隨著信號(hào)載波量的增大,循環(huán)譜特征在既定節(jié)點(diǎn)處的數(shù)值水平也會(huì)不斷增大[20]。規(guī)定e表示一個(gè)隨機(jī)選取的電流信號(hào)載波系數(shù),we表示當(dāng)前情況下的電流信號(hào)載頻,oe表示電流信號(hào)的傳輸幅值。聯(lián)立上述物理量,可將高頻電流信號(hào)的初始循環(huán)譜相位表示為:
(1)
式中,w0表示電流信號(hào)載頻的初始賦值,λ表示電流信號(hào)的頻率系數(shù)。
(2)
電流循環(huán)譜特征作為載波頻率判別條件的構(gòu)建基礎(chǔ),可為一階載波系數(shù)求解、二階載波系數(shù)求解提供可參考數(shù)據(jù)信息。
一階載波系數(shù)、二階載波系數(shù)是兩個(gè)相互關(guān)聯(lián)的高頻電流控制項(xiàng)判別條件,前者的等級(jí)水平相對(duì)較低,而后者的等級(jí)水平則相對(duì)較高。在載波頻率的認(rèn)知范疇中,一階載波系數(shù)的表達(dá)形式更為直觀,對(duì)于高頻電流而言,該項(xiàng)系數(shù)指標(biāo)的物理取值越大,就表示控制系統(tǒng)內(nèi)傳輸電流所具備的均流表現(xiàn)能力越強(qiáng),反之則越弱[21-22]。
(3)
在傳感器均流控制系統(tǒng)中,一階載波系數(shù)的實(shí)際計(jì)算結(jié)果始終小于二階載波系數(shù)。
二階載波系數(shù)對(duì)于高頻電流信號(hào)的約束能力更強(qiáng),與一階載波系數(shù)相比,該項(xiàng)物理量注重對(duì)電流信號(hào)之間的頻率賦值關(guān)系進(jìn)行區(qū)分,可在保證電流信號(hào)傳輸能力的同時(shí),使得相關(guān)均流向量之間的制約行為強(qiáng)度不斷減弱,直至任何一個(gè)電信號(hào)均流傳輸行為都不會(huì)受到影響[23]。
設(shè)k2表示傳感器控制主機(jī)中高頻傳輸電流的二階偏導(dǎo)系數(shù),g1、g2表示兩個(gè)不相關(guān)的電信號(hào)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(jī)所遵循的電量均流控制條件,β表示單位時(shí)間內(nèi)的高頻電流傳輸方向向量。聯(lián)立上述物理量,可將二階載波系數(shù)計(jì)算表達(dá)式定義為:
(4)
在電流載波頻率數(shù)值保持不變的情況下,聯(lián)立一階載波系數(shù)、二階載波系數(shù),才能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)傳感器均流信號(hào)的按需調(diào)度與控制。
頻率協(xié)方差指標(biāo)能夠表述出高頻電流信號(hào)在傳感器循環(huán)譜中的基本分布形式。從宏觀性角度來看,協(xié)方差指標(biāo)的物理取值越大,高頻信號(hào)之間的電流差數(shù)值也就越大,此時(shí)整個(gè)傳感器循環(huán)譜中的電流場分布強(qiáng)度也就相對(duì)較低[24-25];而當(dāng)協(xié)方差指標(biāo)的物理取值相對(duì)較小時(shí),高頻信號(hào)之間的電流差數(shù)值也相對(duì)較小,此時(shí)整個(gè)傳感器循環(huán)譜中的電流場分布強(qiáng)度也較高。
(5)
高頻電流傳感器均流控制系統(tǒng)是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境,在確保相關(guān)指標(biāo)參量數(shù)值發(fā)生改變的情況下,聯(lián)合各級(jí)硬件設(shè)備結(jié)構(gòu),從而實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的順利應(yīng)用。
支路電流與總電流之間的數(shù)值配比關(guān)系(κ),能夠反映高頻傳感器元件出現(xiàn)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(shù)值配比指標(biāo),能夠始終低于額定極值標(biāo)準(zhǔn),則可判定高頻傳感器元件在當(dāng)前情況下出現(xiàn)電流占空輸出行為的幾率相對(duì)較??;如若支路電流與總電流之間的數(shù)值配比指標(biāo),超過額定極值標(biāo)準(zhǔn),則可判定高頻傳感器元件在當(dāng)前情況下出現(xiàn)電流占空輸出行為的幾率相對(duì)較大。
本次實(shí)驗(yàn)選取基于載波頻率的高頻電流傳感器均流控制系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)組應(yīng)用方法,選取DC-DC變換器控制系統(tǒng)作為對(duì)照組應(yīng)用方法。
首先,將載波頻率控制算法輸入實(shí)驗(yàn)用傳感器主機(jī)中,通過人工測試的方式,記錄在此系統(tǒng)運(yùn)行過程中,支路電流與總電流的數(shù)值變化情況,將所得數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)組變量;其次,將DC-DC控制算法輸入實(shí)驗(yàn)用傳感器主機(jī)中,通過人工測試的方式,記錄在此系統(tǒng)運(yùn)行過程中,支路電流與總電流的數(shù)值變化情況,將所得數(shù)據(jù)作為對(duì)照組變量;然后,按照公式(6)計(jì)算實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組κ指標(biāo)的具體數(shù)值;
(6)
最后,對(duì)比實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組數(shù)值結(jié)果,總結(jié)實(shí)驗(yàn)規(guī)律。
圖5反映了實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組支路電流與總電流之間的數(shù)值對(duì)比情況。
圖5 實(shí)驗(yàn)組電流對(duì)比曲線
分析圖5可知,在實(shí)驗(yàn)組控制系統(tǒng)的作用下,支路電流、總電流均呈現(xiàn)出不斷增大的數(shù)值變化狀態(tài),但明顯總電流的上升幅度更大。整個(gè)實(shí)驗(yàn)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(duì)照組電流對(duì)比曲線
分析圖6可知,在對(duì)照組控制系統(tǒng)的作用下,支路電流呈現(xiàn)出先增大、再減小的數(shù)值變化趨勢;而總電流則呈現(xiàn)出不斷增大的數(shù)值變化趨勢。整個(gè)實(shí)驗(yàn)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(duì)照圖5、圖6對(duì)實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組κ指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算,具體計(jì)算結(jié)果及其與額定極值之間的對(duì)比情況如表1所示。
表1 κ指標(biāo)對(duì)比表
分析表1可知,隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的延長,κ指標(biāo)額定極值呈現(xiàn)出不斷增大的變化狀態(tài),其最大值0.54與初始值0.35相比,上升了0.19;實(shí)驗(yàn)組κ指標(biāo)數(shù)值也呈現(xiàn)出不斷增大的變化狀態(tài),整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中,其數(shù)值水平始終沒有超過額定極值;對(duì)照組κ指標(biāo)數(shù)值則出現(xiàn)了先上升、再下降的變化趨勢,在實(shí)驗(yàn)時(shí)間達(dá)到50 min之前,其κ指標(biāo)數(shù)值始終高于額定極值,而當(dāng)實(shí)驗(yàn)時(shí)間等于60 min時(shí),其κ指標(biāo)數(shù)值才處于額定極值水平之下。
綜合上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,隨著基于載波頻率的高頻電流傳感器均流控制系統(tǒng)的應(yīng)用,支路電流與總電流之間的配比指標(biāo)數(shù)值始終小于額定極值標(biāo)準(zhǔn),與DC-DC變換器控制系統(tǒng)相比,確實(shí)能夠抑制高頻傳感器元件出現(xiàn)電流占空輸出的情況。
新型高頻電流傳感器均流控制系統(tǒng)在DC-DC變換器控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,對(duì)載波頻率理論進(jìn)行探索,聯(lián)合濾波電流傳感器、電量變換器等多個(gè)硬件應(yīng)用設(shè)備,對(duì)電流循環(huán)譜特征進(jìn)行重新定義,又借助一階載波系數(shù)、二階載波系數(shù),計(jì)算頻率協(xié)方差指標(biāo)的具體數(shù)值結(jié)果。在實(shí)用性方面,這種新型控制系統(tǒng)注重對(duì)支路電流與總電流之間的數(shù)值配比關(guān)系進(jìn)行調(diào)試,使其數(shù)值水平始終低于額定極值標(biāo)準(zhǔn),這恰好解決了現(xiàn)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(shí)際應(yīng)用需求。