一种神经网络控制的地表探测发射装置的制作方法

本实用新型涉及电力电子技术领域，尤其是涉及一种神经网络控制的地表探测发射装置。

背景技术：

在浅地表探测中，为了节省人力物力，降低探测成本，避免对地面造成不必要的挖掘与破坏，频率域电磁探测技术被广泛使用：频率域电磁探测技术能够探测较宽的频率范围，它是通过发射线圈在探测区域内形成一次场，当探测区域有异常体出现时，通过探测由异常体内部涡流产生的二次场确定异常体的位置。

在实际探测中，频率的变化范围较大，变化范围从几十赫兹可扩大至几十千赫兹。当频率较高时，输出电压需要对应提高很大等级，在野外条件下，携带并更换直流电源是不可行的，而普通的便携式直流电源无法提供足够的电压。常用的方法是通过pwm调节占空比，这种方法虽然可以使得逆变电路输出电压增大，但当电压过大，器件的耐压等级不够会引起发热，严重时会烧毁电路，并且输出电压中的谐波含量不能有效控制。

当频率较低时，在调节电流稳定过程中，传统方法是在结合buck电路与全桥逆变电路，然后利用pid技术调节buck电路占空比，但使用这种方法具有较低的灵敏度，调节速度不够迅速。

技术实现要素：

本实用新型涉及一种神经网络控制的地表探测发射装置，目的在于解决浅地表探测过程中发射机输出电压不足，以及稳定输出电流过程不够迅速的问题。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的:

一种神经网络控制的地表探测发射装置，包括1号直流电源、2号直流电源、斩波稳流电路、三角波发生器、h桥级联逆变电路、负载线圈、上位机、半实物仿真器、逆变驱动电路、电流采样模块、电压采样模块、信号滤波电路；

1号直流电源的输出端连接斩波稳流电路的输入端，斩波稳流电路的输出端连接h桥级联逆变电路的输入端，三角波发生器的输出端连接h桥级联逆变电路的输入端，h桥级联逆变电路的输出端连接负载线圈的输入端；h桥级联逆变电路的输出端还分别与电流采样模块的输入端和电压采样模块的输入端连接；

电流采样模块的输出端与信号滤波电路的输入端连接；电压采样模块的输出端与所述信号滤波电路的输入端连接；信号滤波电路的输出端与半实物仿真器的输入端连接；上位机的输出端连接半实物仿真器的输入端；半实物仿真器的输出端分别与上位机的输入端以及逆变驱动电路的输入端连接；逆变驱动电路的输入端还与2号直流电源的输出端连接，h桥级联逆变电路的输入端与逆变驱动电路的输出端连接。

进一步的技术方案包括：

h桥级联逆变电路由三个h桥h1桥、h2桥和h3桥串联组成，且h1桥、h2桥和h3桥均分别由udc供电；h1桥由开关管s11、开关管s12、开关管s13和开关管s14构成，开关管s11的源极与开关管s13的漏极相连，开关管s12的源极与开关管s14的漏极相连，且在开关管s11,开关管s12、开关管s13和开关管s14中的每个开关管两端各自并联一个反馈二极管；h2桥由开关管s21、开关管s22、开关管s23和开关管s24构成，开关管s21的源极与开关管s23的漏极相连，开关管s22的源极与开关管s24的漏极相连，且在开关管s21、开关管s22、开关管s23和开关管s24中的每个开关管两端各自并联一个反馈二极管；h3桥由开关管s31、开关管s32、开关管s33和开关管s34构成，开关管s31的源极与开关管s33的漏极相连，开关管s32的源极与开关管s34的漏极相连，且在开关管s31、开关管s32、开关管s33和开关管s34中的每个开关管两端各自并联一个反馈二极管；开关管s11的源极与开关管s13的漏极连线的中点与负载线圈的正极相连，开关管s12的源极和开关管s14的漏极的连线的中点与开关管s21的源极和开关管s23的漏极的连线的中点相连，开关管s22的源极和开关管s24的漏极连线的中点与开关管s31的源极和开关管s33的漏极的连线的中点相连，开关管s32的源极与开关管s34的漏极的连线的中点与负载线圈的负极相连。

斩波稳流电路包括电阻r1、开关管q、二极管d1、电感l1、和电容c1，使用buck拓扑结构。

逆变驱动电路包括型号为ir2110的光耦隔离驱动器、电容c2、电容c3、电容c4、电容c5和二极管d2；光耦隔离驱动器的vdd管脚连接+5v电压，光耦隔离驱动器的hin管脚和lin管脚连接pwm输入端，光耦隔离驱动器的sd和vss管脚接地，+5v电压在连接电容c2后接地，光耦隔离驱动器的h0管脚连接h桥级联逆变电路的s11的栅极，光耦隔离驱动器的l0管脚连接h桥级联逆变电路的s13的栅极，光耦隔离驱动器的vb管脚连接电容c3和电容c4的并联结构的正极，光耦隔离驱动器的vs管脚连接电容c3和电容c4并联结构的负极，光耦隔离驱动器的vcc管脚连接+12v电压，+12v电压通过电容c5连接光耦隔离驱动器的com管脚，+12v电压连接二极管d2的阳极，经过二极管d2后连接电容c3和电容c4并联结构的正极。

电流采样模块由型号为lts25-np的电流传感器、电容c6、电阻r2、电阻r3、电阻r4、电阻r5和运算放大器组成，采样电流从电流传感器的in管脚流入并从电流传感器的out管脚流出，电流传感器的+5v管脚连接+5v电压，电流传感器的gnd管脚接地，+5v电压连接电容c6后接地，电流传感器的out管脚连接电阻r4后连接运算放大器的同相输入端，运算放大器的同相输入端在连接电阻r5后接地，+5v电压连接电阻r2后接入运算放大器的反相输入端，运算放大器的反相输入端连接电阻r3后连接运算放大器的输出端。

电压采样模块由包括型号为lv28-p的电压传感器、电阻r6、电阻r7、电阻r8、电容c7、电容c8、电容c9和电感l2，采样电压经过电阻r6和电阻r7的并联结构后连接电压传感器的+ht管脚，电压传感器的-ht管脚接地，电压传感器的-15管脚连接-15v电压，电压传感器的-15管脚还在连接电容c7后接地，电压传感器的+15管脚连接+15v电压，电压传感器的+15管脚还在连接电容c8后接地，电压传感器的m管脚连接电阻r8和电容c9的并联结构，电阻r8和电容c9的并联结构连接电感l2后接地。

信号滤波电路包括运算放大器、电阻r9、电阻r10、电阻r11、电阻r12、电容c10和电容c11组成；采样输入连接电阻r9，电阻r9连接电阻r10，电阻r10连接运算放大器的同相输入端，电阻r9还连接电容c11的正极，电容c11的负极连接运算放大器的输出端，运算放大器的同相输入端连接电容c10后接地，运算放大器的反相输入端连接电阻r11后接地，运算放大器的反相输入端连接电阻r12后连接运算放大器的输出端。

半实物仿真器为熠速公司的speedgoat仿真器，半实物仿真器的以太网接口与上位机的以太网接口连接，半实物仿真器的a/d接口连接信号滤波电路的滤波输出，半实物仿真器的驱动接口连接逆变驱动电路的hin管脚与lin管脚。

本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型提供的一种神经网络控制的地表探测发射装置，通过h桥级联逆变电路能够大幅扩大逆变电压的最高输出值，并且h桥级联电路可以有效的去除谐波，在电路中可以节约掉后续滤波电路部分直接连接负载线圈，简化电路结构；当负载阻抗发生变化后，通过上位机中编写的神经网络程序实时处理接收到的输出电压与输出电流值，迅速调整输出电压达到稳流的效果。

附图说明

下面结合附图对本实用新型作进一步的说明：

图1为本实用新型提供过的一种神经网络控制的地表探测发射装置的结构示意图。

图2是本实用新型中的h桥级联逆变电路的电路原理图。

图3是本实用新型中的斩波稳流电路的电路原理图。

图4是本实用新型中的逆变驱动电路的电路原理图。

图5是本实用新型中的电流采样模块的电路原理图。

图6是本实用新型中的电压采样模块的电路原理图。

图7是本实用新型中的信号滤波电路的电路原理图。

图8是本实用新型中的半实物仿真器的接口示意图。

图中：1.1号直流电源，2.2号直流电源，3.斩波稳流电路，4.三角波发生器，5.h桥级联逆变电路，6.负载线圈，7.上位机，8.半实物仿真器，9.信号滤波电路，10.逆变驱动电路，11.电流采样模块，12.电压采样模块。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述。

传统方式面对负载阻抗激增时通过调节pwm的占空比使得逆变电路输出电压增大，但当电压过大时，器件发热严重甚至会烧毁电路，并且不能有效控制谐波含量。在调节电流稳定过程中，传统方法是在结合全桥逆变电路与buck电路，然后利用pid技术调节buck电路占空比，但使用这种方法具有较低的灵敏度。基于此，本实用新型通过h桥级联逆变电路扩大逆变电压的最高输出值，并且能够去除高次谐波，在电路中可以节约掉后续的滤波电路部分，达到简化电路结构的效果；当负载阻抗发生变化后，上位机中编写的神经网络程序能实时对输入的电压与电流值进行处理，迅速调整输出电压达到稳流的效果。

为便于对本实施例进行理解，首先对本实用新型实施例所公开的一种神经网络控制的地表探测发射装置进行详细介绍，如图1所示，一种神经网络控制的地表探测发射装置包括:1号直流电源1、2号直流电源2、斩波稳流电路3、三角波发生器4、h桥级联逆变电路5、负载线圈6、上位机7、半实物仿真器8、信号滤波电路9、逆变驱动电路10、电流采样模块11、电压采样模块12；

1号直流电源1的输出端连接斩波稳流电路3的输入端，斩波稳流电路3的输出端连接h桥级联逆变电路5的输入端，三角波发生器4的输出端连接h桥级联逆变电路5的输入端，h桥级联逆变电路5的输出端连接负载线圈6的输入端，h桥级联逆变电路5的输出端还与电流采样模块11和电压采样模块12的输入端连接，电流采样模块11与电压采样模块12的输出端与信号滤波电路9的输入端连接。

斩波稳流电路3为降压斩波电路，使用buck拓扑结构，由电阻r1，开关管q，二极管d1，电感l1，电容c1组成。斩波稳流电路选择pwm方式调整占空比来驱动开关管关断：当pwm控制信号为高电平时，开关管导通；当pwm控制信号为低电平，开关管关断，从而达到调节降压斩波电路输出电压的作用。斩波电路输出电压即为h桥级联逆变电路5的输入电压，从而间接稳定输出电流。三角波发生器4设定的载波比公式为n＝f1/f2，其中f1为载波频率即三角波发生器4发出的三角波的频率，f2为调制信号频率，调制出正弦波后用于spwm控制，三角波发生器4的输出端连接h桥级联逆变电路5的输入端。

h桥级联逆变电路5由三个h桥逆变电路h1,h2,h3串联而成，且h1桥、h2桥和h3桥均分别由udc供电；h1桥由开关管s11、开关管s12、开关管s13和开关管s14构成，开关管s11的源极与开关管s13的漏极相连，开关管s12的源极与开关管s14的漏极相连，且在开关管s11,开关管s12、开关管s13和开关管s14中的每个开关管两端各自并联一个反馈二极管；h2桥由开关管s21、开关管s22、开关管s23和开关管s24构成，开关管s21的源极与开关管s23的漏极相连，开关管s22的源极与开关管s24的漏极相连，且在开关管s21、开关管s22、开关管s23和开关管s24中的每个开关管两端各自并联一个反馈二极管；h3桥由开关管s31、开关管s32、开关管s33和开关管s34构成，开关管s31的源极与开关管s33的漏极相连，开关管s32的源极与开关管s34的漏极相连，且在开关管s31、开关管s32、开关管s33和开关管s34中的每个开关管两端各自并联一个反馈二极管；开关管s11的源极与开关管s13的漏极连线的中点与负载线圈6的正极相连，开关管s12的源极和开关管s14的漏极的连线的中点与开关管s21的源极和开关管s23的漏极的连线的中点相连，开关管s22的源极和开关管s24的漏极连线的中点与开关管s31的源极和开关管s33的漏极的连线的中点相连，开关管s32的源极与开关管s34的漏极的连线的中点与负载线圈6的负极相连。

在探测电压变化较大的情况下，需要提高电路元器件的耐压等级，采用h桥级联电路可以平均元器件承受的电压，将单个元器件的电压降至安全范围。h桥级联逆变电路采用三角载波spwm方式进行控制，对于3级的h桥级联电路，级联电路采用单极性调制时，每个h桥中载波依次移相2π/3；采用双极性调制时，每个h桥中载波依次移相π/3，移相后的各三角载波与同一正弦调制波比较，交流侧的3个电压波形进行叠加输出总的交流侧电压。

以3级的h桥逆变电路为例，交流电压谐波为：

级联电路交流总电压为：

式中，n为调制比，m为载波比，u为直流电压

由上式可知：3级的h桥级联电路交流侧输出为七电平电压，即h桥级联逆变电路5能有效提高电压等级，并且可以消除3m+1次以下的谐波，从而达到自动滤除输出电压低次谐波的效果。

负载线圈6为感性负载，可视为负载电感l0与负载电阻r0串联。当线圈流经变化的电流时，会向周围的空间发射磁场。

本装置通过电流采样模块和电压采样模块对流经负载线圈的电压和电流进行测量：电流采样模块11由型号为lts25-np的电流传感器、电容c6、电阻r2、电阻r3、电阻r4、电阻r5和运算放大器组成，采样电流从电流传感器的in管脚流入并从电流传感器的out管脚流出，电流传感器的+5v管脚连接+5v电压，电流传感器的gnd管脚接地，+5v电压连接电容c6后接地，电流传感器的out管脚连接电阻r4后连接运算放大器的同相输入端，运算放大器的同相输入端还在连接电阻r5后接地，+5v电压连接电阻r2后接入运算放大器的反相输入端，运算放大器的反相输入端连接电阻r3后连接运算放大器的输出端。电压采样模块12由包括型号为lv28-p的电压传感器、电阻r6、电阻r7、电阻r8、电容c7、电容c8、电容c9和电感l2组成，采样电压经过电阻r6和电阻r7的并联结构后连接电压传感器的+ht管脚，电压传感器的-ht管脚接地，电压传感器的-15管脚连接-15v电压，电压传感器的-15管脚还在连接电容c7后接地，电压传感器的+15管脚连接+15v电压，电压传感器的+15管脚还在连接电容c8后接地，电压传感器的m管脚连接电阻r8和电容c9的并联结构，电阻r8和电容c9的并联结构连接电感l2后接地。

经由电流采样模块和电压采样模块测量到的电流与电压含有一定量的高次谐波，信号滤波电路9是一个低通滤波器，用来滤除采集到的电流和电压信号中含有的高次谐波。信号滤波电路9包括运算放大器、电阻r9、电阻r10、电阻r11、电阻r12、电容c10和电容c11组成；采样输入连接电阻r9，电阻r9连接电阻r10，电阻r10连接运算放大器的同相输入端，电阻r9还连接电容c11的正极，电容c11的负极连接运算放大器的输出端，运算放大器的同相输入端连接电容c10后接地，运算放大器的反相输入端连接电阻r11后接地，运算放大器的反相输入端连接电阻r12后连接运算放大器的输出端。

半实物仿真器8的输入端分别与信号滤波电路9的输出端与上位机7的输出端连接，半实物仿真器8的输出端分别与上位机7的输入端和逆变驱动电路10的输入端相连接。半实物仿真器8选择熠速公司的speedgoat仿真器，半实物仿真器8的以太网接口与上位机7的以太网接口连接，半实物仿真器8的a/d接口连接信号滤波电路9的滤波输出，半实物仿真器8的驱动接口连接逆变驱动电路10的hin管脚与lin管脚。信号滤波电路9的输出信号通过a/d接口输入至半实物仿真器后，半实物仿真器8通过以太网与上位机7进行通讯，在上位机7内编写的matlab神经网络程序中将信号作为神经网络的输入，神经网络通过局部寻优寻找适宜的控制载波信号与调制信号均为高电平的时长值，并将时长值输出至半实物仿真器8，再通过逆变驱动电路10驱动改变h桥逆变电路中各开关管开断时间，从而改变输出电压，间接实现电路稳流的效果。

逆变驱动电路10的输入端与半实物仿真器8的输出端以及2号直流电源2的输出端相连接，逆变驱动电路10的输出端与h桥级联逆变电路5的输入端连接。逆变驱动电路10包括型号为ir2110的光耦隔离驱动器、电容c2、电容c3、电容c4、电容c5和二极管d2组成；光耦隔离驱动器的vdd管脚连接+5v电压，光耦隔离驱动器的hin管脚和lin管脚连接pwm输入端，光耦隔离驱动器的sd和vss管脚接地，+5v电压在连接电容c1后接地，光耦隔离驱动器的h0管脚连接h桥级联逆变电路5的s11的栅极，光耦隔离驱动器的l0管脚连接h桥级联逆变电路5的s13的栅极，光耦隔离驱动器的vb管脚连接电容c3和电容c4的并联结构的正极，光耦隔离驱动器的vs管脚连接电容c3和电容c4并联结构的负极，光耦隔离驱动器的vcc管脚连接+12v电压，+12v电压通过电容c5连接光耦隔离驱动器的com管脚，+12v电压连接二极管d2的阳极，经过二极管d2后连接电容c3和电容c4并联结构的正极。驱动芯片ir2110为达到隔离目的所需的外设电路简单，并且体积小速度快，因此采用ir2110驱动h桥级联逆变电路。其中，逆变驱动电路10单独供电，避免驱动电路电压波动影响以半实物仿真器为中心的控制电路部分，为了去除各部分间地线电位的差值使用了接地线，避免了模拟电路与数字电路之间的相互影响。

上位机7的输出端连接半实物仿真器8的输入端，在上位机7中matlab软件编写神经网络的程序。半实物仿真器8通过以太网与上位机7进行双向通讯。神经网络的输入为装置在(k-1)时刻的输出电流与输出电压状态量，根据输入值对神经网络进行训练，利用神经网络对系统局部模型进行训练，然后使用训练后的网络对未来(k+1)时刻的状态量进行预测，并利用神经网络指标对预测量进行评估，最终将输入量指标最优的对应的逆变器控制量在k时刻传递给逆变器，从而达到电流稳定的效果。