dds的bh特征曲线测量装置的设计
摘 要 本文提出了一种基于DDS的B-H特征曲线测量装置的设计。系统共包含3大模块：励磁信号发生模块、磁芯材料耦合线圈测量模块、电源模块。本系统主要目的是将磁芯材料的B-H特征曲线通过本装置测量出来并显示在示波器上。本测量装置创新性地提出基于DDS的励磁信号发生电路设计，将数字信号合成器（DDS）产生的正弦小信号，经有源滤波电路，信号放大和功率放大电路最终得到能将磁芯材料磁化的正弦励磁信号。这样的设计可以得到十分稳定可靠的高频（1kHz-50kHz）励磁信号，能够将大部分的高频软磁材料磁化；而传统的磁芯材料测试装置大都采用50Hz工频的励磁信号来磁化磁芯材料，测量范围十分有限。此外励磁信号功率大也是本系统的一大特点，大的励磁电流可以将大部分的磁芯材料磁化并达到饱和，从而能有效提高测量稳定度和精确度。本测量装置的另一大特点是自行设计了电路的供电系统，主供电系统采用开关电源设计，拓扑结构采用反激变换器提供两路27V的电压信号。相比于线性电源采用开关电源可以有效提高系统供电效率，减小系统的体积，降低功耗和发热。
目录
摘 要 I
ABSTRACT II
第1章 绪论 1
1.1 课题背景和意义 1
1.2 国内外研究现状 2
1.2.1 国内研究现状 2
1.2.1 国外研究现状 2
1.3 课题研究内容 4
第2章 系统原理 5
2.1 系统整体方案 5
2.2 BH曲线测量原理 5
2.3反激电源基本原理 8
2.4 本章小结 9
第3章 系统硬件设计 10
3.1 励磁信号发生单元的设计与实现 10
3.1.1 励磁信号发生方案比较 10
3.1.2 DDS信号发生单元 10
3.1.3 二阶低通滤波 11
3.1.4 信号放大 12
3.1.5 功率放大 13
3.2 反激开关电源 14
3.2.1 电源拓扑结构的选择 14
3.2.2 反激电源输出电压反馈电路 16
3.2.3 反激电源关键元器件的选择 17
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
3.2.4 反激电源参数设计 20
3.3 辅助电源 23
3.4 频率调节及显示的设计与实现 24
3.5 本章小结 25
第4章 系统调试 26
4.1 BH特征曲线原理验证调试 26
4.2 反激电源的调试 28
4.3 反激变压器的绕制 28
第5章 总结与展望 29
5.1 总结 29
5.2 展望 30
致 谢 31
参考文献 32
附 录 34
附录一 实物图和电路原理图 34
附录二 Orign数据分析图 36
附录三 本科期间个人成果 37
附录四 英文原文 37
附录五 英文翻译 43
第1章 绪论
1.1 课题背景和意义
在功率电子学中，磁性元件作为能量转换器件，是最重要和最复杂的部分。磁芯材料成分的多样性、磁性元件结构的多样性、参数复杂性等因素，使得磁性材料的特性具有多样性和复杂性。这给实际应用带来了诸多困难和不确定性。磁芯材料在社会工业生产中有着广泛的应用，它广泛地应用在电子、电信、电力、航空航天、汽车等日常生产实践各个领域中[1]。在电磁教学实验中，其中有一个重要的实验内容就是测量磁芯材料的BH特征曲线，它是研究磁芯材料自身结构和特性参数的重要手段。目前，市面上存在的类似测量装置还比较少，并且此类装置还存在许多缺点，比如测量励磁信号频率低，励磁电流小，测量精确度不高，体积大，价格昂贵，有的甚至只能测量低频的硬磁材料，然而高频软磁材料在实际生产中的应用更广泛[24]。
常用测磁芯材料BH特征曲线的教学实验方法主要是利用坐标纸统计进行静态的BH特征曲线测量，此方法所用工具设备少，方法简单，但同时也存在着许多缺点，比如测试点数较多则会导致计算量很大，增加出错的概率，可靠性降低，同时测量速度大大减慢；若测试点数较少则会导致测量结果误差较大，精确度不足[56]。此外如果将这种测量方法应用于工程实践当中，测得的结果只能呈现为定标的曲线，如果从该定标曲线上读出磁芯材料的所需参数，难免带来人为误差，后果不堪设想。目前也有很多测量方法是利用数字积分器来实现的，它的出现大大提高了测量系统对磁通的测量分辨率，使许多在测量中遇到的技术难题得以解决，但是数字积分器也有明显的一个缺陷，即无论其磁通密度测量分辨率有多高，它始终存在一个下限阈值，当输入电压低于这个值时，数字式积分器将停止工作。存在下限阈值的主要原因是电压脉冲转化器在地输入信号下存在明显的非线性[7]。
正是由于磁芯材料在生产实践中的广泛应用，以及现有测量装置的许多不足，因此研究设计一款测量精度高，范围宽，价格合理的针对高频软磁材料的BH特征曲线测量的装置，也就变得十分紧迫。测量磁芯材料的BH特征曲线在电磁学中有重要意义，是研究磁芯材料诸多特性十分有效的方法之一[8]。测定磁芯材料的BH特征曲线可以得到该磁芯材料特性的几个重要的参数：剩磁、矫顽力、磁导率、磁化曲线、饱和磁感应强度。这些特性参数对磁芯材料在工程中的应用有着十分重要的指导意义。本文提出一种对励磁信号源的优化方案，即通过具有高电压（VPPmax=55V）、大电流（Imax=2A）、高频且可调（1kHz50kHz）的励磁信号来磁化磁性材料，利用示波器强大的信号动态分析能力可以单独分析磁感应强度B和磁场强度H信号的动态变化过程，以及BH曲线对应的电压信号的合成过程，方便深入研究磁性材料的特性。这样的设计可使系统集成度大大提高，体积大大减小，成本较低。上述各项改进对磁性材料的BH特征曲线测量具有重要意义。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 国内研究现状
目前国内常用的磁性材料BH特征曲线测试装置有电子积分法和示波器法[9]。随着计算机技术的快速发展，大量有关科学实验相关的专业数据分析软件和科学绘图软件以及仿真软件如Labview和Orign软件等的出现大大方便了对磁芯材料的数据测量。近年来出现了利用这些软件对所测的数据进行线性拟合，在软件上绘制出BH特征曲线[10]。可是，目前国内仍有一部分高等院校的电磁教学实验仍采用坐标纸手工绘图，手工绘制拟合曲线，再对曲线求斜率和截距等参数的方法[11]。这种方法缺点明显：费时费力而且测出的BH特征曲线的精确度也很低，测量范围窄,通常只能测量一些硬磁材料。
湖北第二师范学院物理与电子信息学院, 王世芳[12]等人采用数字示波器光标的实时跟踪功能测量了磁滞回线上的42个点的坐标值, 利用数字电流表和电压表记录B和H 的定标值, 然后采用Origin软件对所测的数据进行线性拟合、绘制磁滞回线的图形。
佛山大学的陈闯杰[13]和佛山科技学院的周有平[14]等人用单片机采集数据, 将采集的数据在液晶显示磁滞回线, 研制静态磁滞回线测试仪。
目录
摘 要 I
ABSTRACT II
第1章 绪论 1
1.1 课题背景和意义 1
1.2 国内外研究现状 2
1.2.1 国内研究现状 2
1.2.1 国外研究现状 2
1.3 课题研究内容 4
第2章 系统原理 5
2.1 系统整体方案 5
2.2 BH曲线测量原理 5
2.3反激电源基本原理 8
2.4 本章小结 9
第3章 系统硬件设计 10
3.1 励磁信号发生单元的设计与实现 10
3.1.1 励磁信号发生方案比较 10
3.1.2 DDS信号发生单元 10
3.1.3 二阶低通滤波 11
3.1.4 信号放大 12
3.1.5 功率放大 13
3.2 反激开关电源 14
3.2.1 电源拓扑结构的选择 14
3.2.2 反激电源输出电压反馈电路 16
3.2.3 反激电源关键元器件的选择 17
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
3.2.4 反激电源参数设计 20
3.3 辅助电源 23
3.4 频率调节及显示的设计与实现 24
3.5 本章小结 25
第4章 系统调试 26
4.1 BH特征曲线原理验证调试 26
4.2 反激电源的调试 28
4.3 反激变压器的绕制 28
第5章 总结与展望 29
5.1 总结 29
5.2 展望 30
致 谢 31
参考文献 32
附 录 34
附录一 实物图和电路原理图 34
附录二 Orign数据分析图 36
附录三 本科期间个人成果 37
附录四 英文原文 37
附录五 英文翻译 43
第1章 绪论
1.1 课题背景和意义
在功率电子学中，磁性元件作为能量转换器件，是最重要和最复杂的部分。磁芯材料成分的多样性、磁性元件结构的多样性、参数复杂性等因素，使得磁性材料的特性具有多样性和复杂性。这给实际应用带来了诸多困难和不确定性。磁芯材料在社会工业生产中有着广泛的应用，它广泛地应用在电子、电信、电力、航空航天、汽车等日常生产实践各个领域中[1]。在电磁教学实验中，其中有一个重要的实验内容就是测量磁芯材料的BH特征曲线，它是研究磁芯材料自身结构和特性参数的重要手段。目前，市面上存在的类似测量装置还比较少，并且此类装置还存在许多缺点，比如测量励磁信号频率低，励磁电流小，测量精确度不高，体积大，价格昂贵，有的甚至只能测量低频的硬磁材料，然而高频软磁材料在实际生产中的应用更广泛[24]。
常用测磁芯材料BH特征曲线的教学实验方法主要是利用坐标纸统计进行静态的BH特征曲线测量，此方法所用工具设备少，方法简单，但同时也存在着许多缺点，比如测试点数较多则会导致计算量很大，增加出错的概率，可靠性降低，同时测量速度大大减慢；若测试点数较少则会导致测量结果误差较大，精确度不足[56]。此外如果将这种测量方法应用于工程实践当中，测得的结果只能呈现为定标的曲线，如果从该定标曲线上读出磁芯材料的所需参数，难免带来人为误差，后果不堪设想。目前也有很多测量方法是利用数字积分器来实现的，它的出现大大提高了测量系统对磁通的测量分辨率，使许多在测量中遇到的技术难题得以解决，但是数字积分器也有明显的一个缺陷，即无论其磁通密度测量分辨率有多高，它始终存在一个下限阈值，当输入电压低于这个值时，数字式积分器将停止工作。存在下限阈值的主要原因是电压脉冲转化器在地输入信号下存在明显的非线性[7]。
正是由于磁芯材料在生产实践中的广泛应用，以及现有测量装置的许多不足，因此研究设计一款测量精度高，范围宽，价格合理的针对高频软磁材料的BH特征曲线测量的装置，也就变得十分紧迫。测量磁芯材料的BH特征曲线在电磁学中有重要意义，是研究磁芯材料诸多特性十分有效的方法之一[8]。测定磁芯材料的BH特征曲线可以得到该磁芯材料特性的几个重要的参数：剩磁、矫顽力、磁导率、磁化曲线、饱和磁感应强度。这些特性参数对磁芯材料在工程中的应用有着十分重要的指导意义。本文提出一种对励磁信号源的优化方案，即通过具有高电压（VPPmax=55V）、大电流（Imax=2A）、高频且可调（1kHz50kHz）的励磁信号来磁化磁性材料，利用示波器强大的信号动态分析能力可以单独分析磁感应强度B和磁场强度H信号的动态变化过程，以及BH曲线对应的电压信号的合成过程，方便深入研究磁性材料的特性。这样的设计可使系统集成度大大提高，体积大大减小，成本较低。上述各项改进对磁性材料的BH特征曲线测量具有重要意义。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 国内研究现状
目前国内常用的磁性材料BH特征曲线测试装置有电子积分法和示波器法[9]。随着计算机技术的快速发展，大量有关科学实验相关的专业数据分析软件和科学绘图软件以及仿真软件如Labview和Orign软件等的出现大大方便了对磁芯材料的数据测量。近年来出现了利用这些软件对所测的数据进行线性拟合，在软件上绘制出BH特征曲线[10]。可是，目前国内仍有一部分高等院校的电磁教学实验仍采用坐标纸手工绘图，手工绘制拟合曲线，再对曲线求斜率和截距等参数的方法[11]。这种方法缺点明显：费时费力而且测出的BH特征曲线的精确度也很低，测量范围窄,通常只能测量一些硬磁材料。
湖北第二师范学院物理与电子信息学院, 王世芳[12]等人采用数字示波器光标的实时跟踪功能测量了磁滞回线上的42个点的坐标值, 利用数字电流表和电压表记录B和H 的定标值, 然后采用Origin软件对所测的数据进行线性拟合、绘制磁滞回线的图形。
佛山大学的陈闯杰[13]和佛山科技学院的周有平[14]等人用单片机采集数据, 将采集的数据在液晶显示磁滞回线, 研制静态磁滞回线测试仪。
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