DRSSTC特斯拉线圈的自动化数控系统设计

注：此项目为本人中学时代的自由研究，距今已有较长时间，无法保证其独创性、严谨性、可行性等，仅供参考。若需要详细源代码资料等可评论联系博主。

1. 前言

高频串联谐振逆变器又名特斯拉线圈。是一种分布参数高频串联谐振变压器，可以产生很高的高频电压，被广泛用于高压试验、闪电形成机理探究、脉冲功率技术、无线电能传输等许多科研生产领域。

特斯拉线圈的早期原型主要采用高压电源、高压电容并利用火花放电对次级线圈进行激励。如今，火花间隙特斯拉线圈已逐渐退出了历史舞台，取而代之的是一些例如DRSSTC（双谐振固态特斯拉线圈）、SSTC（单谐振固态特斯拉线圈）、CWDRSSTC（连续波的双谐振特斯拉线圈）、QCWDRSSTC（带有电源调制的双谐振特斯拉线圈）等多种新型的高压发生器。在这些类型中，较为常见的是DRSSTC类型。

DRSSTC是一种短脉宽工作的双谐振高压发生器，这种线圈在初次级线圈同时发生串联谐振。其放电时长一般在几十微秒至几百微秒，打火频率较高，一般可达2000Hz。但由于其自身产生的干扰大，缺少保护装置等缺点，其经常会发生失控，烧毁等问题。

因此，本项目针对此类逆变器的控制问题进行了分析，设计了一套具有自保护功能、高精度、具有良好人机UI界面的特斯拉线圈数控系统。

2. 特斯拉线圈控制的理论分析

2.1 问题

特斯拉线圈的目的就是在输出端产生尽可能大的电压。与传统SGTC型逆变器一样，目前DRSSTC型谐振逆变器普遍存在工作过程易发生失控烧毁、操控精度低等问题。

通过对DRSSTC设计方案的文献和资料检索，发现目前关于此类问题的改进方案多集中在硬件层面，例如加装过流保护装置等措施。由于其控制方式仍然以手动调节为主，精度仍较差，并未从根本解决问题。主要表现为：

1.此类设备主要功能是在次级线圈输出尽可能高的电压，因此较难实现对输出电压控制，限制了其在精密科研等方面应用。

2.此类设备中通常采用了ne555时钟IC对放电频率、时间进行控制，该芯片在作为脉冲发生器使用时，普遍具有较大的误差，容易出现灭弧时间不均匀，电弧突然变大等问题。

3.此类设备通常没有数据采集与保护措施。在发生故障时，设备不会采取防护措施。在故障发生后，由于缺少故障发生时的信息，无法对故障原因进行快速诊断和维修。

4.此类设备通常采用手动调节电位器的控制方式，因此系统操作难度大，用户需要很长时间熟悉操作；精度差，无法对数据进行参数控制。在某些需要使用计算机进行远程操作的特定领域，目前的设备无法应用。

5.由于特斯拉线圈自身特点，设备控制系统经常受自身激发出的电磁场影响，出现控制失灵、全桥损坏等问题，造成硬件损坏等损失。

2.2 特斯拉线圈输出电压控制的理论分析

图1为DRSSTC型谐振逆变器的电路原理。根据DRSSTC型谐振逆变器的工作原理，可知：为了使输出端产生的电压最大，由电阻分压得出，次级线圈的复电抗X需要尽可能小。

图1 DRSSTC型谐振逆变器电路原理图

通过对感抗、容抗性质的分析得出，当次级线圈发生串联谐振时，其复电抗最小，即满足：

$$X_L=-X_C\tag{1}$$

此时总体上线圈的感抗和容抗相互抵消，线圈的电抗为零，阻抗最小，最小阻抗即为导线的固有电阻。并将上式将带入感抗和容抗的公式：

$$X_L=j2πfL\tag{2}$$

$$X_c=\frac{-j}{2πfC}\tag{3}$$

式中：$j=\sqrt{-1}$；f为输入电流的频率(Hz)；C为串联电路中的电容(F)；L为串联电路中的电感(H)。由上两式(2)、(3)整理得：

$$j2πfL=\frac{j}{2πfC}\tag{4}$$

在此情况下，次级线圈发生串联谐振。其次，由变压器公式：

$$\frac{V_P}{V_S} =\frac{N_P}{N_S}\tag{5}$$

得出，为了使次级输出电压最大，初级线圈的激励Vp也需要达到最大。

为了便于分析，忽略线圈和导线的固有电阻。由欧姆定律得：

$$V_P=IX_L\tag{6}$$

$$I=\frac{V_p}{X_L}\tag{7}$$

将容抗、感抗公式(2)、(3)带入上式(6)，联立得：

$$V_p=\frac{U_{input}}{\frac{-j}{2πfC}+j2πfL}j2πfL\tag{8}$$

结合物理量的实际意义，为了使Vp达到最大，需满足以下条件：

$$(j2πfL+\frac{-j}{2πfC})→0\tag{9}$$

即：$X_L=-X_C$。

因此，为了使输出电压最大，初级线圈也需要发生串联谐振。

综上所述，只有当初级线圈和次级线圈同时发生串联谐振时，在放电尖端会产生最大的电压。从而实现电弧放电。另外，由于次级线圈需要由初级线圈激励，所以次级线圈中感应电压的频率应等于初级线圈的频率。所以在设计线圈时，要注意初次级线圈的谐振频率要相等。

联立式(5)、(6)可以得出：

$$U_{output}=V_s=\frac{N_s \sdot V_p}{N_p} =\frac{N_s \sdot IX_L}{N_p}$$

由此可见，尽管线圈输出电压看似难以控制，但除去初次级线圈匝数比等常量后，初级线圈的谐振电流是输出电压最主要的影响因素。因此，如果能有效地控制初级线圈的谐振电流，即可实现对输出电压的精确控制。

3. 谐振逆变器自动化数控系统的设计与实现

针对上述问题，本项目对谐振逆变器的保护系统、控制电路进行了设计改进，并且使用Arduino UNO单片机为控制核心，串口触摸屏为人机界面，设计制作了串联谐振逆变器的自动化数控系统。系统控制程序采用Visual Studio C++编程。

3.1 关键问题的改进方案

针对目前DRSSTC型谐振逆变器存在的问题，主要在如下方面进行了改进：

（1）原先的方案无法对初级谐振电流进行精确控制。本项目使用了DAC芯片对全桥驱动进行改装，使用单片机对DAC芯片进行控制，使其可以对初级线圈的谐振电流实时进行调节。
通过多次实验，证实该种控制方式可以有效地控制初级线圈的谐振电流，进而实现对次级线圈输出电压进行精确控制。

（2）针对ne555时钟IC作为脉冲发生器存在的缺陷，将ne555时钟IC换为专业的函数发生器，通过串口协议与中央处理器通信，实现了对灭弧周期和脉宽的精确控制。提高设备性能及设备稳定性。

（3）为了快速获得设备故障信息，便于设备调试和改进，本项目采用了温度、电压、电流等多种信息变送器，并通过数据采集模块实时对数据进行采集。为了提高设备对错误信息的响应速度，本项目设计了特殊的中断模式，将设备自身的故障分析放在主循环外，使中央处理器能够第一时间对故障做出响应。

另外，中央处理器内也分配了专用的内存来对设备信息进行存储，可将这些信息在屏幕上绘制成波形图，或将数据导出，进行进一步分析。

（4）为了实现参数数值化和设备自动化控制，方案中采用了串口屏，设计一套完整的UI控制系统，将设备中的微调旋钮等更换为数字电位器，或DAC芯片，使用单片机对设置值进行二次检验，防止电位器或芯片出现故障。降低设备的操作难度，同时应避免用户误操作带来的危害。

（5）为了增强设备抗干扰能力。本方案通过两个措施尽可能减少相关的干扰。（a）将重要信号的传输方式改为光纤传输，防止电磁辐射的干扰。（b）信号的发送和接收过程中，数据块采用校验、标记等措施，保证数据包传输完整、准确。

3.2 自动化数控系统的设计与实现

根据上述解决方案，我设计并制作了一套高频串联谐振逆变器的数控系统。整个设备分为DRSSTC型谐振逆变器和自动化数控系统两部分。其工作原理如图2所示。图3谐振逆变器实物外观

DRSSTC型谐振逆变器主要由全桥，由L、C组成的串联谐振负载组成，内部装有各类变送器实时采集自身的电压、电流等信息，并通过特定的串口协议发送回控制系统。

图4为DRSSTC型谐振逆变器电路的外观，主要元件组成见表1。

自动化数控系统主要由Arduino MEGA单片机为控制核心，根据触摸屏设置或RS232串口数据的进行设置参数，对变送器返回的数据进行分析处理，按照程序设定实现对DRSSTC型谐振逆变器的运行控制。

主要元件组成见表2。图5为自动化数控系统的实物照片。

针对特斯拉线圈系统的手动控制精度低，不能数字化设置参数且无法储存等问题，我使用Visual Studio C++开发了自动化数控系统的程序，设计了一套友好的UI操作界面。用户可通过触摸屏直观地对线圈的参数进行监控、调节。

控制程序主要界面如图6所示。

另外，本设备还设置了RS232串口。计算机可以通过串口发送控制指令，设备可将工作状态和相关数据实时传回电脑，可实现计算机远程操控。该功能大大拓宽了设备的应用范围。例如，应用于科技馆远程演示或电子元件耐高压测试等科研领域。

3.3 自动化数控系统的运行效果

设备制作完成后，经过较长时间的压力测试。结果表明，本项目开发并制作的自动化数控系统较好的实现了对高频串联谐振逆变器运行控制，主要表现在：

（1）稳定性：本设备在过压、过流、过载等情况下的自我保护功能运行良好。设备未出现全桥损坏、控制系统失控、放电失控等问题。

（2）控制精度：由于本设备使用波形发生器替换了原设计中的ne555芯片。可以实现对输出频率，脉宽的数字化精确控制。本设备还可以使用任意信号对其进行灭弧调制，甚至可以通过对放电频率的控制进而实现“电弧放音乐”的功能。

（3）可操作性：设备全部采用UI交互控制，除了使用UI之外，也可以使用电脑通过RS232串口进行控制。具有操作简便，抗干扰，精确控制等多方面的优点。
总体来说，本项目设计的谐振逆变器自动化数控系统克服了传统逆变器的缺点。高频串联谐振逆变器的自动化、智能化，设备参数的数字化。在安全性能，控制方式，控制精度等方面相比其他特斯拉线圈均有了极大的提升。

通过分析设备的工作数据发现，由于设备的交流输入电流波形有畸变，因此电流变送器对电流的检测不够精确，存在1A以内的误差等问题，有待改进。

4. 结论及展望

本研究分析了目前谐振逆变器存在的主要问题，对谐振逆变器进行了改进设计；使用Arduino MEGA单片机为控制核心，通过波形发生器、数字电位器等对设备的放电时间、放电频率等参数进行调整，有效地实现了谐振逆变器的数字化控制。

本项目设计的高频串联谐振逆变器的数控系统具有以下主要特性：

（1）具有良好的自保护功能。当检测到系统异常或者功能不正常时，能够自动对故障进行判断，并采取保护措施；

（2）控制精度高，能够精确地控制线圈的放电周期、时间等参数；

（3）具有良好的人机界面。使用触摸屏控制，操作简单；

（4）工作稳定，具有很高的抗干扰能力。

本项目开发的数控系统可以准确控制谐振逆变器的放电频率和电压，且具有非常完善的自动保护功能，可以直接运用到科技馆的相关展览中。此外，在电缆的绝缘试验、高压变压器性能测试、高压绝缘子的火花放电试验、模拟雷电放电试验等科研领域，也有明显优势。相较于大型的高压发生器，该设备体积小，成本低，便于灵活安置和使用。

本项目的解决方案具有较强通用性，对于类似高压高频的逆变设备控制具有一定参考价值。