李　祥,胡國文,林　萍

(1.安徽理工大學 電氣與信息工程學院， 安徽 淮南　232001；2.鹽城工學院 電氣學院，江蘇 鹽城　224000)

?

生物育種用無極調頻可變磁場發(fā)生器的研究

李祥1,胡國文2,林萍2

(1.安徽理工大學 電氣與信息工程學院， 安徽 淮南232001；2.鹽城工學院 電氣學院，江蘇 鹽城224000)

摘要：裝置分為輸出磁場的磁路部分、激勵磁場的電路部分，以及以DSP為控制核心的控制部分。磁路部分設計為帶氣隙的環(huán)回形，勵磁線圈中配有鐵氧體磁芯可以大大增強裝置輸出的磁場強度，交變磁場產(chǎn)生于氣隙即為實驗區(qū)。電路部分采用的是橋式拓撲結構，控制部分采用改進的鎖相環(huán)使得逆變器工作在小感性的準諧振狀態(tài)，確保整個裝置安全、穩(wěn)定、高效的運行。最后通過仿真驗證了裝置的可行性，實驗結果表明:該交變磁場發(fā)生裝置能夠連續(xù)地調節(jié)磁場頻率和場強，育種效果得到認可。

關鍵詞：磁路;生物育種;鎖相環(huán);交變磁場

0引言

磁場生物效應是近年來生物醫(yī)學領域研究的熱門課題之一，基于交變磁場的醫(yī)療設備、育種設備也被廣泛應用于人類疾病的治療和生物育種當中。隨著社會的發(fā)展和科技的進步，我們生活的環(huán)境被各種電場、電氣化產(chǎn)品包圍著，變化的電場往往會產(chǎn)生磁場，人類及生物體的周圍或多或少的存在電磁場。因此，人們開始關注電磁場，電磁場的生物效應也隨之成為研究的熱點。研究表明：電磁場可使細胞形態(tài)、DNA、RNA、蛋白質合成、跨膜轉運、霉活性，以及生物遺傳等產(chǎn)生顯著變化，并且磁場對細胞作用不是一種線性關系，存在頻率、場強及脈寬的窗口效應[1]。

目前，和磁學有關的研究有很多，大多數(shù)集中在醫(yī)學、農(nóng)學、生物工程等領域。例如，在醫(yī)學上的應用：磁性液體熱療法(MFH)即是將磁性納米微粒注入人體腫瘤部位然后通過外部交變磁場加熱，當溫度達到一定高度時，即可以將癌細胞殺死且不會損害健康的組織；在生物育種上的應用：利用交變磁場作用于平菇及一些微生物上可以使這些生物發(fā)生意想不到的生長效果。本文設計了一款基于DSP控制的生物育種用交變磁場發(fā)生器，其頻率和場強可以根據(jù)實驗對象的不同進行連續(xù)調節(jié)，通過頻率和場強的控制，實現(xiàn)對生物不同磁場環(huán)境的處理。磁場輸出部分設計為帶氣隙的環(huán)回形狀，內部配合鐵氧體磁芯可以顯著地增強裝置輸出的磁場強度，降低了設備功耗；主電路采用半橋串聯(lián)諧振逆變使裝置的結構和控制策略變得簡單，降低了設計成本；控制方法則采用改進的鎖相環(huán)技術實現(xiàn)了良好的頻率跟蹤、相位鎖定，使逆變器工作在功率因數(shù)接近1的準諧振狀態(tài)，確保開關器件工作在安全狀態(tài)，提高了設備的效率。最后，通過Matlab/Simulink仿真驗證了該方法的可行性。

1系統(tǒng)整體設計

圖1給出了基于DSP控制的交變磁場發(fā)生器整體設計方案。

圖1　系統(tǒng)整體設計方案

圖1中只給出一組諧振電容器組的設計。工作時，單相交流電壓(220V，50Hz)經(jīng)整流橋整流后經(jīng)過濾波電路變?yōu)槠交闹绷麟姽步o與逆變側，逆變單元采用典型的串聯(lián)諧振形式，通過2個MOSFET功率開關器件交替導通實現(xiàn)逆變。為了消除開關器件關斷過程中浪涌電流和浪涌電壓的影響，加入了RCD緩沖電路以保護功率開關器件；開關器件通過兩互補并帶有一定死區(qū)時間的PWM脈沖信號驅動；通過切換諧振電容器組可以輸出頻率變化范圍為0～2 000Hz的交流電，負載線圈上的場強變化范圍為0～50mT。激勵電路是參考高頻感應加熱電源設計得來，是一種固定的 AC/DC/AC模式且技術已經(jīng)相當成熟，這里就不做過多介紹，下面分別對磁場輸出部分和激勵電路的控制部分作進一步的詳述。

2磁路的設計

圖2為磁路示意圖。要使整個裝置能夠輸出適合育種用的交變磁場，其必須能輸出有一定強度且在空間分布均勻的磁場，因此磁路的設計尤為重要。首先是磁路的材料選擇，通常包括勵磁線圈和磁性介質的選擇，由于設備工作在變頻狀態(tài)且頻率連續(xù)可調，因此會引起趨膚效應線圈發(fā)熱，所以選擇薄銅帶繞制線圈作為勵磁線圈的材料。勵磁線圈中加入磁導率高的磁介質將大大增加磁場強度，有助于降低整體功耗，可供選擇的磁介質材料有玻鏌合金和軟磁鐵氧體，本設計選擇的介質為初始磁導率為5 000的錳鋅鐵氧體。因為空氣磁阻遠遠大于磁介質，磁場在空氣處衰減的非常快，所以將磁路設計為矩形狀，中間開氣隙，則氣隙中磁場強度比棒狀或U型磁路明顯增強，氣隙中的強磁場區(qū)域即為試驗區(qū)。線圈選用直徑2mm的漆包線，允許最大電流10A，線圈取匝數(shù)為300匝。實驗結果表明：此磁路設計符合實驗要求。

圖2　磁路示意圖

3控制策略設計

鑒于數(shù)字信號處理器(DSP)具有集成度高、運算速度快等優(yōu)點，本裝置以DSP作為控制電路的微處理器用以實現(xiàn)過壓過流保護、數(shù)字鎖相環(huán)控制(DPLL控制)及脈沖信號輸出控制等。閉環(huán)反饋系統(tǒng)通過A/D模塊采集負載線圈的輸出電流和輸出電壓信號進行反饋控制，主要過程如下：采集負載線圈電流和電壓的相位進行鎖相，通過DPLL進行頻率自動跟蹤，根據(jù)得到的數(shù)值賦給DSP中事件管理器EV的周期寄存器；每個采樣周期結束后根據(jù)電壓誤差計算PID調節(jié)控制量，根據(jù)PID調節(jié)控制量實時更新半橋逆變器的兩路PWM信號；經(jīng)過隔離驅動電路升壓后驅動MOSFET開關器件，以得到穩(wěn)定的頻率和磁場強度輸出。

3.1改進的數(shù)字鎖相環(huán)設計

串聯(lián)諧振型逆變器有3種工作狀態(tài),其負載諧振頻率為

(1)

1)當f

2)當f=f0時，負載工作頻率等于負載諧振頻率，負載工作在諧振狀態(tài)是一種理想的工作狀態(tài)。此時，負載線圈輸出磁場強度最大，但是由于電路復雜的參數(shù)變化、鎖相環(huán)的精確度及負載的變化使這種狀態(tài)很難達到。

3)當f>f0時，負載工作頻率大于負載諧振頻率，負載工作在感性狀態(tài)。此時，負載電壓相位超前于負載電流相位，換流過程會在即將開通的功率開關器件上產(chǎn)生尖峰電壓；但由于直流側濾波電容器的作用，使得功率器件可以安全工作。因此，在工作時采用數(shù)字鎖相環(huán)保證逆變器工作在準諧振的感性狀態(tài)是至關重要的。數(shù)字鎖相環(huán)較傳統(tǒng)的模擬鎖相環(huán)具有跟蹤速度快、穩(wěn)定性好及易于智能化控制等優(yōu)點，其工作原理如圖3所示。

圖3　改進的數(shù)字鎖相環(huán)工作原理圖

其主要由鑒相器(PD)、數(shù)字環(huán)路濾波器(DLF)和數(shù)字壓控振蕩器(DCO)3部分組成。鑒相器(PD)有兩路輸入信號：一路取自負載電流信號經(jīng)過過零檢測后的電壓信號；另一路取自壓控振蕩器的輸出經(jīng)相位補償后的電壓信號。這兩路信號經(jīng)過鑒相器鑒相后得到一個電壓信號，此電壓信號用來反映負載電流和負載電壓之間的相位差。該電壓信號經(jīng)過低通濾波器和單神經(jīng)元PID調節(jié)器后實現(xiàn)無靜差跟蹤，輸出一個電壓信號，壓控振蕩器將此電壓信號轉換為頻率信號；該頻率信號經(jīng)過PWM信號控制環(huán)節(jié)后產(chǎn)生兩路帶有死區(qū)互補的驅動脈沖，用來觸發(fā)逆變器的功率開關器件開斷，從而實現(xiàn)頻率和相位的調節(jié)。

3.2單神經(jīng)元PID控制算法設計

鎖相環(huán)的設計是磁場發(fā)生裝置中一個重要的環(huán)節(jié),可以確保逆變器安全的工作在感性工作狀態(tài)來提高逆變器的功率因數(shù)避免開關器件損壞，但單一靠鎖相環(huán)進行頻率跟蹤和相位鎖定存在跟蹤速率慢、跟蹤誤差大、跟蹤范圍小等缺點。因此，在傳統(tǒng)數(shù)字鎖相環(huán)的基礎上加入了單神經(jīng)元自適應PID控制算法，既可以增強頻率跟蹤的自適應性和魯棒性，且在諧振電容器組切換過程中加快了頻率的跟蹤速度，進一步確保了裝置可靠安全的運行。單神經(jīng)元自適應性PID控制原理如圖4所示。

圖4　自適應性PID控制原理圖

轉換器的輸入為設定值r(k)和輸出值y(k)；轉換器的輸出為神經(jīng)元學習控制所需要的狀態(tài)量x1(k)、x2(k)、x3(k)，則

i=1,2,3

(2)

z(k)=r(k)-y(k)=e(k)

(3)

其中，z(k)為性能指標或遞進信號。圖4中，K為神經(jīng)元的比例系數(shù)，K>0。神經(jīng)元通過關聯(lián)搜索來產(chǎn)生控制信號u(k)，即

(4)

其中，wi(k)為對應于xi(k)的加權系數(shù)。自適應PID控制器就是通過對加權系數(shù)的調整來實現(xiàn)自適應和自學習功能的。加權系數(shù)的調整可以采用不同的學習規(guī)律，進而構成不同的算法，常用的算法有3種：無監(jiān)督Hebb學習規(guī)則、有監(jiān)督δ學習規(guī)則或Widow-Hoff學習規(guī)則及有監(jiān)督Hebb學習規(guī)則。其中，有監(jiān)督Hebb學習規(guī)則是將前兩種學習規(guī)則結合起來，得到的一種改進的學習規(guī)則，這里采用有監(jiān)督Hebb學習規(guī)則。

4仿真模型的建立與分析

本文以MatLab/Simulink為仿真工具，對所搭主電路和控制電路的模型進行了仿真，整臺裝置設置了5組諧振電容，這里選擇其中一組諧振電容進行仿真。所搭建的半橋逆變器的主電路模型如圖5所示。

圖5　半橋逆變器主電路仿真模型

所搭建的采用單神經(jīng)元PID算法的數(shù)字鎖相環(huán)(DPLL)子系統(tǒng)模塊如圖6所示。

圖6　DPLL仿真模型

鑒相器采用的是異或門鑒相器用來檢測輸入信號和輸出信號相位差，其傳遞函數(shù)為

(5)

其中，Kd為鑒相器的增益。

環(huán)路濾波器一般為低通濾波器(LPF)，通常是由電感、電阻，電容或者是它們的組合構成。系統(tǒng)建模時采用的是無源比例積分濾波器，其傳遞函數(shù)為

(6)

其中，τ1=R1C,τ2=R2C通過調節(jié)這兩個參數(shù)可以調節(jié)鎖相環(huán)的跟蹤速度。

單神經(jīng)元PID采用了有監(jiān)督Hebb學習規(guī)則,其中

(7)

(8)

i=1，2，3

(9)

其中，ηP、ηI、ηD分別為比例、積分、微分的學習速率；Δe(k)=e(k)-e(k-1)，z(k)=e(k)。

壓控振蕩器是將輸入控制電壓轉換成相應的頻率信號，實現(xiàn)的是電壓-頻率的變換。其傳遞函數(shù)為

(10)

其中，Ko為壓控振蕩器的控制靈敏度。

驅動脈沖輸出(PWM GENERATOR)子系統(tǒng)模塊如圖7所示。

圖7　脈沖輸出仿真模型

由它產(chǎn)生的兩路互補PWM驅動脈沖波形如圖8所示。

圖8　脈沖波形

取定仿真模型中的濾波電感為10-1H,濾波電容為 10-6F,諧振電容為1×10-6F,諧振電感L=10-2H,R=0.1Ω。因為仿真的重點是放在逆變以及控制部分所以整流輸出部分用一個308V的恒壓源代替，逆變器的固有諧振頻率為1 592Hz,仿真時長為0.25s。圖9、圖10分別為由鎖相環(huán)將頻率鎖定在1 650Hz(準諧振狀態(tài))和2 000Hz(大感性狀態(tài))兩種狀態(tài)下負載線圈電壓和電流波形。由此可以看出經(jīng)鎖相后，逆變器工作在準諧振狀態(tài),此時負載電流已經(jīng)接近正弦波且輸出值為最大，由它激勵磁路產(chǎn)生的磁場強度也為最大值，逆變器工作在最佳狀態(tài)。

圖9　準諧振狀態(tài)下電壓電流仿真波形

圖10　大感性狀態(tài)下電壓電流波形

5實驗結果及分析

根據(jù)上述方案并進行多次的實驗調試，該裝置已基本完成并投入育種實驗。裝置通過勵磁電路產(chǎn)生的正弦交變電流激勵磁路后可以實現(xiàn)對交變磁場頻率和場強的連續(xù)控制，通過切換不同的諧振電容組調節(jié)交變電流的頻率和大小從而控制磁場的頻率和場強。其頻率的變化范圍為0～2 000Hz,場強的變化范圍為0～50mT。

圖11為頻率1 650Hz、場強10mT時線圈電流電壓波形。

圖11　場強10mT、頻率1 600Hz時線圈電流電壓波形

從圖11中可以看出：實驗所測得波形和仿真波形基本相同，驗證了此設計方案的可行性。

6結論

設計的基于DSP控制的交變磁場發(fā)生器能夠對磁場頻率和強度連續(xù)進行調節(jié)，主電路設計為半橋逆變形式，結構簡單又能降低所耗功率，達到了節(jié)能環(huán)保的要求，且控制策略簡單易于實現(xiàn)，能夠完成智能化操作。目前，該裝置已經(jīng)應用到育種試驗當中。

參考文獻：

[1]楊麗，喬曉燕，董有爾.磁場生物效應的研究現(xiàn)狀與展望[J].中國醫(yī)學物理學雜志，2009,26(1)：1022-1037.

[2]吳亞，孫劍飛，郭全忠，等.腫瘤熱療用交變磁場發(fā)生器的研究[M].東南大學學報：自然科學版，2004,13(5)：34-6.

[3]張立生，胡國文.基于DSP控制的交變磁場裝置的研究[J].現(xiàn)代儀器，2012,18(3)：71-73.

[4]張學燕，張建峽.單神經(jīng)元自適應PID控制器的研究及MATLAB仿真[J].工業(yè)控制與應用，2007(2)：26-9.

[5]齊海潤，彭詠龍，李亞斌.串聯(lián)型逆變器鎖相控制技術研究[J].通信電源技術，2010，25(11)：27-6.

[6]王永星，彭詠龍，李亞斌.IGBT中頻感應加熱電源的研究[M].電源技術應用，2011，2(2):14-2.

[7]N S Bayindir,O Kukrer，M Yakup.DSP-based PLL-controlled 50-100khz 20Kw high-frequency induction heating system for surface hardening and welding applications[J].IEEE Pro-Electr. Power，2003,150(3)：365-371.

[8]Hammad Abo-Zied, A-R A M Makky, Peter Mutschler,et al.A modular IGBT converter system for high frequency induction heating applications [J].PowerElectronicIntelligent Motion Power Quality (PCIM Europe 2002), PowerElectronic, 2002，12-16:501-506.

[9]P V iriya，T T.homas Power transfer characteristics of a phaseshift controlled ZVS inverter for the application of induction heating,IEEE Proc. Int. Power electron[C]//Conf (IPEC), 2000:423-428.

[10]Jose M Burdio, Luis A Barragan, Fernando Monterde, et al.Asymmetrical voltage-cancellation control for full-bridge series resonant inverters[J].IEEE Transactions on Power electronics, 2004,19(2):461-469.

[11]吳明忠，趙振聲.磁場和磁性材料在腫瘤治療中的應用[J].磁性材料及器件，1998,29(4)：19-22,31.

The Research of Biological Breeding by Infinitely FM Variable Magnetic Field Generator

Li Xiang1， Hu Guowen2， Lin Ping2

(1.College of Electrical and Imformation Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China; 2.College of Electrical，Yancheng Institute of Technology, Yancheng 224000, China)

Abstract：The device is divided into the output magnetic field of magnetic circuit parts、 excitation the magnetic field of circuit part and the control section with the DSP as the core. Magnetic circuit part is designed for the loopback shape with the air gap， The magnet coil equipped with ferrite core can greatly enhance the output of the magnetic field strength, the alternating magnetic field generated by the air gap and it is the experimental area. Circuit part uses a bridge type topology structure, the control part adopts improved phase lock loop make the inverter works in a small perceptual quasi resonant state.To ensure the device safety ,stable and efficient operation.Finally, the simulation verify the feasibility of the device.The experimental results show that the device of the alternating magnetic field generator can continuous adjust magnetic field frequency and field strength.

Key words：magnetic circuit； biological breeding； phase-locked loop； alternating magnetic field

文章編號：1003-188X(2016)03-0124-05

中圖分類號：S24；S223.1

文獻標識碼：A

作者簡介：李祥(1992-)，男，安徽蚌埠人，碩士研究生，(E-mail)554268448@qq.com。通訊作者：胡國文(1957-)，男，江蘇泰州人，教授，碩士生導師，(E-mail)hugw@ycit.cn。

基金項目：江蘇省自然科學基金項目(BK20140467)

收稿日期：2015-03-04