一种发射线圈的多频点最大功率控制电路
阅读说明：本技术 一种发射线圈的多频点最大功率控制电路 (Multi-frequency-point maximum power control circuit of transmitting coil ) 是由 陈德传 管力明 陈雪亭 于 2021-06-30 设计创作，主要内容包括：本发明属于工业测控领域,特别涉及一种发射线圈的多频点最大功率控制电路,适用于各类基于发射线圈发射电磁波信号的应用场合。本发明包括连接件CN1、乘法器IC1、功率运放IC2、指令RMS/DC芯片IC3、反馈RMS/DC芯片IC4、偏差运放IC5、调节运放IC6、译码器IC7、反相器IC8、驱动芯片IC9、继电器1KA1、继电器2KA2、继电器3KA3、继电器4KA4、谐振电容1C01、谐振电容2C02、谐振电容3C03、谐振电容4C04等。本发明电路利用数字逻辑控制电路选择不同频点的谐振电容,并对发射线圈电流进行无静差闭环控制,实现了基于一个发射线圈进行谐振频点可选、发射电流可控的电磁波信号最大功率发射及安全保护控制。本发明电路简单、可靠性高、成本低、安全性好、易于产品化。(The invention belongs to the field of industrial measurement and control, and particularly relates to a multi-frequency-point maximum power control circuit of a transmitting coil, which is suitable for various application occasions based on transmitting electromagnetic wave signals by the transmitting coil. The invention comprises a connecting piece CN1, a multiplier IC1, a power operational amplifier IC2, a command RMS/DC chip IC3, a feedback RMS/DC chip IC4, a deviation operational amplifier IC5, an adjusting operational amplifier IC6, a decoder IC7, an inverter IC8, a driving chip IC9, a relay 1KA1, a relay 2KA2, a relay 3KA3, a relay 4KA4, a resonant capacitor 1C01, a resonant capacitor 2C02, a resonant capacitor 3C03, a resonant capacitor 4C04 and the like. The circuit of the invention utilizes the digital logic control circuit to select the resonant capacitors with different frequency points and carry out the non-static closed-loop control on the current of the transmitting coil, thereby realizing the maximum power transmission and the safety protection control of the electromagnetic wave signal with selectable resonant frequency points and controllable transmitting current based on one transmitting coil. The invention has the advantages of simple circuit, high reliability, low cost, good safety and easy production.)
技术领域
本发明属于工业测控领域，涉及一种电路，特别涉及一种发射线圈的多频点最大功率控制电路，适用于各类基于发射线圈发射电磁波信号的应用场合。
背景技术
基于电磁感应原理，利用发射线圈发射电磁波信号的一种无线信号传输技术得以日益广泛的重视，其用途遍及民用及军事等各行各业。目前该项无线信号传输技术主要是基于单频点的谐振发射线圈及其控制电路，不仅成本高，且不易于整个信号发射传输装置的小型化、便携化。因此，设计一种利用数字逻辑控制不同频点谐振的发射设置，实现电磁波信号最大功率发射的控制电路将具有广泛的应用前景。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提出一种发射线圈的多频点最大功率控制电路，本发明电路的核心是利用数字逻辑控制电路选择不同频点的谐振电容，并对发射线圈电流进行无静差闭环控制，实现了基于一个发射线圈进行谐振频点可选、发射电流可控的电磁波信号最大功率发射及安全保护控制。本发明电路简单、可靠性高、成本低、安全性好、易于产品化。
一种发射线圈的多频点最大功率控制电路，包括谐振主电路和控制电路，
谐振主电路包括连接件CN1、发射线圈TC1、乘法器IC1、功率运放IC2、译码器IC7、反相器IC8、驱动芯片IC9、继电器1KA1、继电器2KA2、继电器3KA3、继电器4KA4，输出电阻R1、放大电阻R2、取样电阻Rs、降噪电容C1、正电源电容C10、负电源电容C11、谐振电容1C01、谐振电容2C02、谐振电容3C03和谐振电容4C04，连接件CN1的正弦指令端Ui *端与上分压电阻R3的一端、乘法器IC1的输入1正端X1端连接，乘法器IC1的输入1负端X2端、乘法器IC1的输入2负端Y2端、乘法器IC1的偏置端Z端均接地，乘法器IC1的输入2正端Y1端与调节运放IC6的输出端OUT端、积分电容C8的一端连接，乘法器IC1的正电源端+V端与电路正电源端+VCC端连接，乘法器IC1的负电源端-V端与电路负电源端-VSS端连接，乘法器IC1的输出端OUT与输出电阻R1的一端连接，输出电阻R1的另一端与功率运放IC2的负输入端IN-、放大电阻R2的一端、降噪电容C1的一端连接，功率运放IC2的正输入端IN+端接地，功率运放IC2的正电源端+V端与电路正电源端+VCC端连接，功率运放IC2的负电源端-V端与电路负电源端-VSS端连接，功率运放IC2的输出端OUT与放大电阻R2的另一端、降噪电容C1的另一端、发射线圈TC1的一端连接，发射线圈TC1的另一端与谐振电容1C01的一端、谐振电容2C02的一端、谐振电容3C03的一端、谐振电容4C04的一端连接，谐振电容1C01的另一端与继电器1KA1常开触点的一端P2端连接，谐振电容2C02的另一端与继电器2KA2常开触点的一端P2端连接，谐振电容3C03的另一端与继电器3KA3常开触点的一端P2端连接，谐振电容4C04的另一端与继电器4KA4常开触点的一端P2端连接，取样电阻Rs的一端与反馈电阻R5的一端、继电器1KA1常开触点的另一端P1端、继电器2KA2常开触点的另一端P1端、继电器3KA3常开触点的另一端P1端、继电器4KA4常开触点的另一端P1端连接，取样电阻Rs的另一端接地，连接件CN1的正电源端VCC端与电路正电源端+VCC端、正电源电容正电源电容C10的一端连接，连接件CN1的负电源端VSS端与电路负电源端+VSS端、负电源电容负电源电容C11的一端连接，连接件CN1的地端GND端与正电源电容正电源电容C10的另一端、负电源电容负电源电容C11的另一端均接地，连接件CN1的谐振地址A端与译码器IC7的第1地址端A端连接，连接件CN1的谐振地址B端与译码器IC7的第2地址端B端连接，译码器IC7的正电源端+V端与电路正电源端+VCC端连接，译码器IC7的地端GND端接地，译码器IC7的第1输出端Y1端与反相器IC8的第1输入端I1端连接，译码器IC7的第2输出端Y2端与反相器IC8的第2输入端I2端连接，译码器IC7的第3输出端Y3端与反相器IC8的第3输入端I3端连接，译码器IC7的第4输出端Y4端与反相器IC8的第4输入端I4端连接，反相器IC8的正电源端+V端与电路正电源端+VCC端连接，反相器IC8的地端GND端接地，反相器IC8的第1输出端O1端与驱动芯片IC9的第1输入端I1端连接，反相器IC8的第2输出端O2端与驱动芯片IC9的第2输入端I2端连接，反相器IC8的第3输出端O3端与驱动芯片IC9的第3输入端I3端连接，反相器IC8的第4输出端O4端与驱动芯片IC9的第4输入端I4端连接，驱动芯片IC9的正电源端+V端与电路正电源端+VCC端连接，驱动芯片IC9的地端GND端接地，驱动芯片IC9的第1输出端O1端与继电器1KA1线圈的一端A1端连接，驱动芯片IC9的第2输出端O2与继电器2KA2线圈的一端A1端连接，驱动芯片IC9的第3输出端O3端与继电器3KA3线圈的一端A1端连接，驱动芯片IC9的第4输出端O4端与继电器4KA4线圈的一端A1端连接，继电器1KA1线圈的另一端A2端、继电器2KA2线圈的另一端A2端、继电器3KA3线圈的另一端A2端、继电器4KA4线圈的另一端A2端均与电路正电源端+VCC端连接；
控制电路包括指令RMS/DC芯片IC3、反馈RMS/DC芯片IC4、偏差运放IC5、调节运放IC6、上分压电阻R3、下分压电阻R4、反馈电阻R5、给定电阻R6、正端电阻R7、负端电阻R8、偏差电阻R9、接地电阻R10、积分电阻R11、积分电位器RPI、比例电位器RPP、上滤波电容C2、上耦合电容C3、下滤波电容C4、下耦合电容C5、下输出电容C6、上输出电容C7、积分电容C8和比例电容C9，上分压电阻R3的另一端与下分压电阻R4的一端、上滤波电容C2的一端、指令RMS/DC芯片IC3的正输入端IN+端连接，指令RMS/DC芯片IC3的负输入端IN-端与上耦合电容C3的一端连接，下分压电阻R4的另一端、上滤波电容C2的另一端、上耦合电容C3的另一端均接地，指令RMS/DC芯片IC3的使能端/EN端、指令RMS/DC芯片IC3的负电源端-V端、指令RMS/DC芯片IC3的地端GND端均接地，指令RMS/DC芯片IC3的正电源端+V端与电路正电源端+VCC端连接，指令RMS/DC芯片IC3的正输出端OUT+端与上输出电容C7的一端、给定电阻R6的一端连接，指令RMS/DC芯片IC3的负输出端OUT-端、上输出电容C7的另一端均接地，反馈电阻R5的另一端与下滤波电容C4的一端、反馈RMS/DC芯片IC4的正输入端IN+端连接，反馈RMS/DC芯片IC4的负输入端IN-端与下耦合电容C5的一端连接，下滤波电容C4的另一端、下耦合电容C5的另一端均接地，反馈RMS/DC芯片IC4的使能端/EN端、反馈RMS/DC芯片IC4的负电源端-V端、反馈RMS/DC芯片IC4的地端GND端均接地，反馈RMS/DC芯片IC4的正输出端OUT+端与下输出电容C6的一端、负端电阻R8的一端连接，反馈RMS/DC芯片IC4的负输出端OUT-端、下输出电容C6的另一端均接地，反馈RMS/DC芯片IC4的正电源端+V端与电路正电源端+VCC端连接，负端电阻R8的另一端与偏差电阻R9的一端、偏差运放IC5的负输入端IN-端连接，给定电阻R6的另一端与正端电阻R7的一端、偏差运放IC5的正输入端IN+端连接，正端电阻R7的另一端接地，偏差运放IC5的输出端OUT端与比例电位器RPP的右端、偏差电阻R9的另一端连接，偏差运放IC5的正电源端+V端与电路正电源端+VCC端连接，偏差运放IC5的负电源端-V端与电路负电源端-VSS端连接，比例电位器RPP的左端与接地电阻R10的一端连接，接地电阻R10的另一端接地，比例电位器RPP的中心端与积分电阻R11的一端、比例电容C9的一端连接，积分电阻R11的另一端与积分电位器RPI的下端连接，积分电位器RPI的上端及其中心端与调节运放IC6的负输入端IN-端、比例电容C9的另一端、积分电容C8的另一端连接，调节运放IC6的正输入端IN+端接地，调节运放IC6的正电源端+V端与电路正电源端+VCC端连接，调节运放IC6的负电源端-V端与电路负电源端-VSS端连接。
作为优选，电路参数配合关系如下：
设：为正弦波电压信号，ω为角频率，ω∈[ωmin，ωmax]，ωi为各频点的角频率，β为电流变换系数,I0分别为线圈电流给定有效值与实际有效值,u0为发射线圈输出电压信号瞬时值，i0为发射线圈输出电流信号瞬时值，线圈电流滞后角，R0为发射线圈的内阻，L0为发射线圈的电感，Rr为比例电位器RPP左侧部分的阻值阻值，Ri为积分电位器RPI的下端阻值，C0i为各频点的谐振电容；
一、乘法器IC1和IC2：输入输出关系：
二、偏差运放IC5和调节运放IC6：
PI调节器：R6＝R8，R7＝R9，C8＝C9 (2)
PI调节器传递函数：
三、最大功率谐振条件：
令谐振频率：谐振电容：
四、谐振电容与谐振频率关系：
本发明的有益效果如下：
本发明采用简单的数字逻辑选频与模拟量闭环控制电路方案，实现了基于一个发射线圈进行谐振频点可选、发射电流可控的电磁波信号最大功率发射及安全保护控制。本发明电路简单、可靠性高、成本低、安全性好、易于产品化，应用范围广泛。
附图说明
图1为本发明的电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种发射线圈的多频点最大功率控制电路。
一种发射线圈的多频点最大功率控制电路，包括谐振主电路、控制电路。
谐振主电路包括连接件CN1、发射线圈TC1、乘法器IC1、功率运放IC2、译码器IC7、反相器IC8、驱动芯片IC9、继电器1KA1、继电器2KA2、继电器3KA3、继电器4KA4，输出电阻R1、放大电阻R2、取样电阻Rs、降噪电容C1、正电源电容C10、负电源电容C11、谐振电容1C01、谐振电容2C02、谐振电容3C03、谐振电容4C04，连接件CN1的正弦指令端Ui *端与上分压电阻R3的一端、乘法器IC1的输入1正端X1端连接，乘法器IC1的输入1负端X2端、乘法器IC1的输入2负端Y2端、乘法器IC1的偏置端Z端均接地，乘法器IC1的输入2正端Y1端与调节运放IC6的输出端OUT端、积分电容C8的一端连接，乘法器IC1的正电源端+V端与电路正电源端+VCC端连接，乘法器IC1的负电源端-V端与电路负电源端-VSS端连接，乘法器IC1的输出端OUT与输出电阻R1的一端连接，输出电阻R1的另一端与功率运放IC2的负输入端IN-的、放大电阻R2的一端、降噪电容C1的一端连接，功率运放IC2的正输入端IN+端接地，功率运放IC2的正电源端+V端与电路正电源端+VCC端连接，功率运放IC2的负电源端-V端与电路负电源端-VSS端连接，功率运放IC2的输出端OUT与放大电阻R2的另一端、降噪电容C1的另一端、发射线圈TC1的一端连接，发射线圈TC1的另一端与谐振电容1C01的一端、谐振电容2C02的一端、谐振电容3C03的一端、谐振电容4C04的一端连接，谐振电容1C01的另一端与继电器1KA1常开触点的一端P2端连接，谐振电容2C02的另一端与继电器2KA2常开触点的一端P2端连接，谐振电容3C03的另一端与继电器3KA3常开触点的一端P2端连接，谐振电容4C04的另一端与继电器4KA4常开触点的一端P2端连接，取样电阻Rs的一端与反馈电阻R5的一端、继电器1KA1常开触点的另一端P1端、继电器2KA2常开触点的另一端P1端、继电器3KA3常开触点的另一端P1端、继电器4KA4常开触点的另一端P1端连接，取样电阻Rs的另一端接地，连接件CN1的正电源端VCC端与电路正电源端+VCC端、正电源电容正电源电容C10的一端连接，连接件CN1的负电源端VSS端与电路负电源端+VSS端、负电源电容负电源电容C11的一端连接，连接件CN1的地端GND端与正电源电容正电源电容C10的另一端、负电源电容负电源电容C11的另一端均接地，连接件CN1的谐振地址A端与译码器IC7的第1地址端A端连接，连接件CN1的谐振地址B端与译码器IC7的第2地址端B端连接，译码器IC7的正电源端+V端与电路正电源端+VCC端连接，译码器IC7的地端GND端接地，译码器IC7的第1输出端Y1端与反相器IC8的第1输入端I1端连接，译码器IC7的第2输出端Y2端与反相器IC8的第2输入端I2端连接，译码器IC7的第3输出端Y3端与反相器IC8的第3输入端I3端连接，译码器IC7的第4输出端Y4端与反相器IC8的第4输入端I4端连接，反相器IC8的正电源端+V端与电路正电源端+VCC端连接，反相器IC8的地端GND端接地，反相器IC8的第1输出端O1端与驱动芯片IC9的第1输入端I1端连接，反相器IC8的第2输出端O2端与驱动芯片IC9的第2输入端I2端连接，反相器IC8的第3输出端O3端与驱动芯片IC9的第3输入端I3端连接，反相器IC8的第4输出端O4端与驱动芯片IC9的第4输入端I4端连接，驱动芯片IC9的正电源端+V端与电路正电源端+VCC端连接，驱动芯片IC9的地端GND端接地，驱动芯片IC9的第1输出端O1端与继电器1KA1线圈的一端A1端连接，驱动芯片IC9的第2输出端O2与继电器2KA2线圈的一端A1端连接，驱动芯片IC9的第3输出端O3端与继电器3KA3线圈的一端A1端连接，驱动芯片IC9的第4输出端O4端与继电器4KA4线圈的一端A1端连接，继电器1KA1线圈的另一端A2端、继电器2KA2线圈的另一端A2端、继电器3KA3线圈的另一端A2端、继电器4KA4线圈的另一端A2端均与电路正电源端+VCC端连接。
控制电路包括指令RMS/DC芯片IC3、反馈RMS/DC芯片IC4、偏差运放IC5、调节运放IC6、上分压电阻R3、下分压电阻R4、反馈电阻R5、给定电阻R6、正端电阻R7、负端电阻R8、偏差电阻R9、接地电阻R10、积分电阻R11、积分电位器RPI、比例电位器RPP、上滤波电容C2、上耦合电容C3、下滤波电容C4、下耦合电容C5、下输出电容C6、上输出电容C7、积分电容C8、比例电容C9，上分压电阻R3的另一端与下分压电阻R4的一端、上滤波电容C2的一端、指令RMS/DC芯片IC3的正输入端IN+端连接，指令RMS/DC芯片IC3的负输入端IN-端与上耦合电容C3的一端连接，下分压电阻R4的另一端、上滤波电容C2的另一端、上耦合电容C3的另一端均接地，指令RMS/DC芯片IC3的使能端/EN端、指令RMS/DC芯片IC3的负电源端-V端、指令RMS/DC芯片IC3的地端GND端均接地，指令RMS/DC芯片IC3的正电源端+V端与电路正电源端+VCC端连接，指令RMS/DC芯片IC3的正输出端OUT+端与上输出电容C7的一端、给定电阻R6的一端连接，指令RMS/DC芯片IC3的负输出端OUT-端、上输出电容C7的另一端均接地，反馈电阻R5的另一端与下滤波电容C4的一端、反馈RMS/DC芯片IC4的正输入端IN+端连接，反馈RMS/DC芯片IC4的负输入端IN-端与下耦合电容C5的一端连接，下滤波电容C4的另一端、下耦合电容C5的另一端均接地，反馈RMS/DC芯片IC4的使能端/EN端、反馈RMS/DC芯片IC4的负电源端-V端、反馈RMS/DC芯片IC4的地端GND端均接地，反馈RMS/DC芯片IC4的正输出端OUT+端与下输出电容C6的一端、负端电阻R8的一端连接，反馈RMS/DC芯片IC4的负输出端OUT-端、下输出电容C6的另一端均接地，反馈RMS/DC芯片IC4的正电源端+V端与电路正电源端+VCC端连接，负端电阻R8的另一端与偏差电阻R9的一端、偏差运放IC5的负输入端IN-端连接，给定电阻R6的另一端与正端电阻R7的一端、偏差运放IC5的正输入端IN+端连接，正端电阻R7的另一端接地，偏差运放IC5的输出端OUT端与比例电位器RPP的右端、偏差电阻R9的另一端连接，偏差运放IC5的正电源端+V端与电路正电源端+VCC端连接，偏差运放IC5的负电源端-V端与电路负电源端-VSS端连接，比例电位器RPP的左端与接地电阻R10的一端连接，接地电阻R10的另一端接地，比例电位器RPP的中心端与积分电阻R11的一端、比例电容C9的一端连接，积分电阻R11的另一端与积分电位器RPI的下端连接，积分电位器RPI的上端及其中心端与调节运放IC6的负输入端IN-端、比例电容C9的另一端、积分电容C8的另一端连接，调节运放IC6的正输入端IN+端接地，调节运放IC6的正电源端+V端与电路正电源端+VCC端连接，调节运放IC6的负电源端-V端与电路负电源端-VSS端连接。
本发明所使用的包括乘法器IC1、功率运放IC2、指令RMS/DC芯片IC3、反馈RMS/DC芯片IC4、偏差运放IC5、调节运放IC6、译码器IC7、反相器IC8、驱动芯片IC9，以及继电器1、继电器2、继电器3、继电器4等在内的所有器件均采用现有的成熟器件产品，可通过市场取得。例如：乘法器采用AD633，功率运放采用LM18751，RMS/DC芯片采用LTC1918，运放采用TLC2262，译码器采用74HC139，反相器采用CD40106，驱动芯片采用ULN2065B，继电器采用G5V-2系列等。
本发明中的主要电路参数配合关系如下：
设：为正弦波电压信号(单位：V)，ω为角频率(单位：rad/s)，ω∈[ωmin，ωmax]，ωi为各频点的角频率(i＝1，2，3，4)，β为电流变换系数(单位：A/V),I0分别为线圈电流给定有效值与实际有效值(单位：A),u0为发射线圈输出电压瞬时值(单位：V)，i0为发射线圈输出电流信号瞬时值(单位：A)，线圈电流滞后角(rad)，R0为发射线圈的内阻(单位：Ω)，L0为发射线圈的电感(单位：H)，Rr为比例电位器RPP左侧部分的阻值阻值(单位：Ω)，Ri为积分电位器RPI的下端阻值(单位：Ω)，C0i为各频点的谐振电容(单位：F)(i＝1，2，3，4)。
(一)IC1、IC2：输入输出关系：
(二)IC5--IC6：PI调节器：R6＝R8，R7＝R9，C8＝C9 (2)
PI调节器传递函数：
(三)最大功率谐振条件：
令谐振频率：谐振电容：
(四)谐振电容与谐振频率关系：
本发明工作过程如下：
如图1所示。
(1)谐振主电路工作过程：谐振主电路主要由发射线圈TC1、乘法器IC1、功率运放IC2(注：为例便于说明发射线圈电流的闭环控制原理，故在控制电路部分再叙述乘法器IC1、功率运放IC2的作用)，以及译码器IC7、反相器IC8、驱动芯片IC9、继电器1KA1、继电器2KA2、继电器3KA3、继电器4KA4、谐振电容1C01、谐振电容2C02、谐振电容3C03、谐振电容4C04等组成。来自上级控制器的选频指令经连接件CN1的谐振地址A端、谐振地址B端输入二进制指令(UAUB＝00、01、10、11)经译码器IC7后输出谐振电容选择指令(如：Y1Y2Y3Y4＝0111、1011、1101、1110)，再经反相器IC8及驱动芯片IC9后控制继电器1KA1、继电器2KA2、继电器3KA3、继电器4KA4按指令要求将对应的谐振电容1C01、谐振电容2C02、谐振电容3C03、谐振电容4C04与发射线圈TC1串联构成所需发射频点的谐振发射回路，以实现在给定线圈电流条件下的最大功率发射。
(2)控制电路工作过程：控制电路主要由取样电阻Rs、指令RMS/DC芯片IC3、反馈RMS/DC芯片IC4、偏差运放IC5、调节运放IC6等及其外围电阻、电容、电位器等组成。来自上级控制器的发射线圈电流指令信号 经连接件CN1的正弦指令端端后一路输入到乘法器IC1的输入1正端X1端，另一路经上分压电阻R3、下分压电阻R4分压后再经指令RMS/DC芯片IC3输出其电流指令有效值信号(单位：V)，由取样电阻Rs的端电压信号获取的实际线圈电流信号经反馈RMS/DC芯片IC4后输出其线圈电流实际有效值信号Ui(Ui＝βI0)(单位：V)，经偏差运放IC5运算后输出与成正比的偏差信号，该偏差信号经由调节运放IC6为主的比例积分调节器电路运算后输入到乘法器IC1的输入2正端Y1端并经乘法器IC1将其与电流指令信号相乘运算后由功率运放IC2给发射线圈输出电压u0(正弦波)(单位：V)，进而调节发射线圈的实际电流有效值I0(单位：A)，发射线圈电流闭环控制系统稳态时，其实际电流有效值I0由电流指令有效值信号决定，即：实现电流无静差控制。此外，由于发射线圈电流闭环控制系统的存在，使得发射线圈回路异常时，发射线圈电流也将得到有效控制从而也起到对发射线圈回路的安全保护。
本发明虽然以发射线圈主回路用四个谐振电容进行选频谐振控制为例，但同行能据此容易地拓展成对多个谐振电容及其串并联组合的多频点选频谐振控制方案，因此，类似的拓展也属于本发明的保护范围。