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doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2016.10.113
摘要：研制了一款采用交变磁场技术对农作物进行诱导育种的磁化装置。该磁化装置的设计分为激励部分和磁路部分，激励电路采用AC/DC/AC配有buck调功，逆变电路采用的是RLC全桥串联谐振形式，以DSP为核心的控制系统完成调频锁相，确保主电路安全高效工作，数字锁相环采用了模糊自适应PID算法使它跟传统锁相环相比具有频率跟踪响应快、跟踪误差小等优点。磁路选择绕有铜丝线圈的环回形铁氧体，环回形铁氧体中间开的气隙即为种子诱导区。对水稻种子进行了试验研究，由水稻种子的试验研究表明，不同的磁场环境对水稻种子的生物特性影响较为明显。最后用MATLAB/SIMULINK仿真工具验证了系统的可靠性。
关键词：交变磁场；诱导育种；磁化装置
中图分类号： TM15；S129文献标志码： A文章编号：1002-1302（2016）10-0387-03
收稿日期：2015-08-25
基金项目：江苏省自然科学基金（编号：BK20140467）。
作者简介：胡国文（1957—），男，江苏泰州人，教授，硕士生导师，主要从事电力电子技术与电力系统无功柔性补偿技术，新能源技术研究。E-mail：hugw@ycit.cn。
通信作者：李祥，硕士研究生，主要从事变频电源技术的研究。E-mail：554268448@qq.com。生物磁效应是最近几年一直很热门的研究方向，主要研究磁场对生物的生长规律以及内在特性的影响[1]。研究表明农作物种子通过不同形式的磁场处理后，在其生长过程中它们原本的生物内在特性会发生很大的改变，比如萌芽时间、生长速度、萌发率等特性[2]。磁场对种子的作用不是一种线性关系，存在频率、场强及脉宽的窗口效应。
鉴于此，设计了一款磁化装置，该磁化装置可以根据具体的应用环境实现无极调频，输出大小可以连续调节的交变磁场，具有体积小、功耗低、调节方便等优点[3]。
1系统设计
图1为系统整体框图。该主电路拓扑由单相不可控整流、直流斩波电路、全桥串联谐振逆变、磁路和系统控制5个部分组成[4]。由于本试验设计的是中频小功率交变磁场发生装置，因此逆变部分采用全桥谐振型振荡电路配置更具优势，通过切换谐振串联电容组和调节直流侧输出电压可以输出频率变化范围为50～3 000 Hz、磁场强度变化范围为0～50 mT 的交变磁场。
2磁路
图2为磁路示意图。要使磁化装置输出具有一定强度并且在空间分布均匀的磁场，负载磁路的设计尤为重要。将磁路设计为矩形，中间开气隙，则气隙中的磁场强度明显比棒状或U型磁路强。磁路材料的选取包括磁性介质和励磁线圈的选取，选取铜丝漆包线作为线圈材料，励磁线圈中加入铁氧体磁性介质将大大增加磁场强度，有助于降低整体功耗，考虑到线圈散热等因数装置的额定电流设定为10 A，线圈匝数的选择应尽量少于200匝。磁路中铁芯磁化曲线的非线性、磁路的漏磁通、交变磁场的磁饱和、涡流和磁滞对电流的影响，给磁路的计算带来很大麻烦。利用一些工程近似主磁通可以按磁路的求解方法求解。根据安培定律：∫lH·dl=N·I，將左边积分分为沿气隙和沿铁芯的2部分，则有：
3控制策略
要使逆变电路安全可靠运行，必须采用锁相环技术，保证
负载电路工作在准谐振状态。本装置以DSP作为控制电路的微处理器来完成调频锁相这一重要环节，逆变侧锁相控制采用的是基于模糊自适应PID的数字锁相环，克服了传统锁相环频率跟踪范围窄、高频跟踪性能差、受外界环境影响大等缺点[5]。图3为锁相环结构框图。
鉴相器（PD）有2路输入，1路来自负载正弦电流信号经过零检测后的方波信号，另1路来自压控振荡器输出的经延时补偿后的信号，2路输入经相位比较得到反应相位误差的信号，然后经模糊自适应PID实现快速准确跟踪，最终经压控振荡器实现电压到频率的转换，该频率信号1路经过相位补偿作为PD的输入信号，另1路经过PWM信号控制环节产生频率值更新的4路带有死区时间的驱动脉冲，用来触发开关的开断[6]。图4为模糊自适应PID控制原理图。
4仿真模型的建立与试验分析
本试验以Matlab/Simulink为仿真工具，对所搭建的主电路进行仿真[7]，取定仿真模型中的滤波电容为4e-3F，谐振电感为1 mH，谐振电容为10 μF，R=10 Ω。直流端用100 V恒压源代替，仿真时间为0.002 s。图5、图6分别为由锁相环将频率锁定在1.6 kHz（准谐振状态）和3.3 kHz（大感性状态）2种状态下负载线圈电流电压波形[8]。由图5、图6可以看出，加入锁相环电路后负载电流电压基本同相且输出电流达到最大值，此时产生的正弦电流激励磁路线圈产生的磁场强度也达到最大值。
通过谐振电容的切换实现对磁场频率的调节[9]，通过调节buck电路占空比可以调节输出给逆变侧的电压大小，从而可以调节输出磁场的强度[10]，磁路气隙处磁场频率的可调范围为50～3 000 Hz，磁场强度的可调范围为0～50 mT。
图7为装置完成通电后线圈电流试验波形。由试验波形可以看出，频率被锁定在准谐振状态1.6 kHz时输出的电流为标准的正弦波，磁场频率比较纯净，电磁转换效率最高，磁场强度高达40 mT。
图8为用高斯计测得的磁路气隙两极之间的B ∶F变化曲线。由图8可以看出，当电路工作在1.6 kHz准谐振状态下时磁场强度最大，而工作在大感性状态时磁感应强度会衰减。
由试验波形及所测得数据可以看出，本试验设计的磁化装置基本满足上述设计目标。
5种子萌发试验结果及分析
将上述磁场发生装置对水稻种子进行育种试验，并对得出的数据进行分析。随机取1 600粒水稻种子分为16组，每组各100粒，将其洗净消毒后，进行不同磁场环境下的试验，试验数据如图9、图10所示。 圖9试验数据是在上述交变磁场发生装置频率控制在200 Hz，磁场强度在5、10、15、20、25、30、35、40 mT这8个等级情况下，接受磁场处理5 min后，进行种子发芽试验，1周后所得到的试验数据。由图9可以看出，磁场频率控制在 200 Hz 时，经过8个等级磁场强度处理后的水稻种子萌芽率，其中磁场强度在20 mT时水稻种子萌发率明显比两边的要高。这是因为磁场强度过低种子内部细胞成分吸收不到足够的能量，激发不了细胞酶等活性发生变化，而当场强很高时细胞会因吸收了大量的能量，温度很快上升导致其内部酶等活性丧失，同样不利于种子萌发。
图10试验数据是在上述交变磁场发生器磁场强度控制在20 mT不变，频率在100、200、300、400、500、600、700、800 Hz 这8个等级情况下，处理5 min后，进行发芽试验，1周后所得到的试验数据。由图10可以看出，当磁场强度控制在20 mT不变时，经过8个不同等级磁场频率处理后的水稻种子萌发率，其中当磁场频率在100 Hz到400 Hz变动时种子萌发率提高，之后随着频率的继续增加种子萌发率却衰减，这是因为频率增大得越高种子从磁场环境吸收的能量越多，细胞温度超过了正常承受范围导致酶活性丧失，最终导致部分种子死亡。
6结论
本试验设计的交变磁场发生器能够对磁场频率和强度进行连续调节，交变磁场频率和场强的选择会对种子萌发产生影响，选择合适的磁场频率和场强对种子萌芽具有积极作用，种子萌发率明显比没经过磁场处理的要高出很多， 可见该装置对植物诱导育种具有很大的实用意义。目前该装置已经投
入到化生学院作进一步育种试验。
参考文献：
[1]张玲慧，史华平，王计平. 磁场处理对紫苏种子萌发的影响[J]. 中国农学通报，2013，29（30）：64-68.
[2]丁翠兰，李良菊，王胜军，等. 低频交变磁场对小鼠细胞免疫功能的影响[J]. 江苏大学学报，2003，13（2）：116-120.
[3]李滚. 生物组织电学特性及其在电磁场暴露后的变化研究[D]. 成都：电子科技大学，2012.
[4]Forest F，Laboure E，Costa F，et al. Principle of a multi-load/single converter system for low power induction heating[J]. IEEE Transactions on Power Electronics，2000，15（2）：223-230.
[5]Suzuki Y，Taki M.Measurement of magnetic field from an induction heating hob and estimation of induced current density in human body[J]. IEEJ Transactions on Fundamentals and Materials，2005，125（5）：427-433.
[6]陆斌，惠晶. 基于高频感应加热电源的新型软斩波器研究[J]. 电源技术应用，2008，11（10）：33-36，46.
[7]胡国文，杨根，陈伟. 生物育种用交变磁场发生器的设计[J]. 中国农机化学报，2014，35（2）：235-239.
[8]Bayindir N S，Kukrer O，Yakup M.DSP-based PLL-controlled 50～100 kHz 20 kW high-frequency induction heating system for surface hardening and welding applications[J]. IEEE Proc Electr Power Appl，2003，150（3）：365-371.
[9]Viriya P，Thomas T.Power transfer characteristics of a phaseshift controlled ZVS inverter for the application of induction heating[J]. IEEE Proc Int Power electron Conf，2000，39（4）：423-428.
[10]Burdio J M，Barragan L A，Monterde F，et al.Asymmetrical voltage-cancellation control for full-bridge series resonant inverters[J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 2004，19（2）：461-469.
摘要：研制了一款采用交变磁场技术对农作物进行诱导育种的磁化装置。该磁化装置的设计分为激励部分和磁路部分，激励电路采用AC/DC/AC配有buck调功，逆变电路采用的是RLC全桥串联谐振形式，以DSP为核心的控制系统完成调频锁相，确保主电路安全高效工作，数字锁相环采用了模糊自适应PID算法使它跟传统锁相环相比具有频率跟踪响应快、跟踪误差小等优点。磁路选择绕有铜丝线圈的环回形铁氧体，环回形铁氧体中间开的气隙即为种子诱导区。对水稻种子进行了试验研究，由水稻种子的试验研究表明，不同的磁场环境对水稻种子的生物特性影响较为明显。最后用MATLAB/SIMULINK仿真工具验证了系统的可靠性。
关键词：交变磁场；诱导育种；磁化装置
中图分类号： TM15；S129文献标志码： A文章编号：1002-1302（2016）10-0387-03
收稿日期：2015-08-25
基金项目：江苏省自然科学基金（编号：BK20140467）。
作者简介：胡国文（1957—），男，江苏泰州人，教授，硕士生导师，主要从事电力电子技术与电力系统无功柔性补偿技术，新能源技术研究。E-mail：hugw@ycit.cn。
通信作者：李祥，硕士研究生，主要从事变频电源技术的研究。E-mail：554268448@qq.com。生物磁效应是最近几年一直很热门的研究方向，主要研究磁场对生物的生长规律以及内在特性的影响[1]。研究表明农作物种子通过不同形式的磁场处理后，在其生长过程中它们原本的生物内在特性会发生很大的改变，比如萌芽时间、生长速度、萌发率等特性[2]。磁场对种子的作用不是一种线性关系，存在频率、场强及脉宽的窗口效应。
鉴于此，设计了一款磁化装置，该磁化装置可以根据具体的应用环境实现无极调频，输出大小可以连续调节的交变磁场，具有体积小、功耗低、调节方便等优点[3]。
1系统设计
图1为系统整体框图。该主电路拓扑由单相不可控整流、直流斩波电路、全桥串联谐振逆变、磁路和系统控制5个部分组成[4]。由于本试验设计的是中频小功率交变磁场发生装置，因此逆变部分采用全桥谐振型振荡电路配置更具优势，通过切换谐振串联电容组和调节直流侧输出电压可以输出频率变化范围为50～3 000 Hz、磁场强度变化范围为0～50 mT 的交变磁场。
2磁路
图2为磁路示意图。要使磁化装置输出具有一定强度并且在空间分布均匀的磁场，负载磁路的设计尤为重要。将磁路设计为矩形，中间开气隙，则气隙中的磁场强度明显比棒状或U型磁路强。磁路材料的选取包括磁性介质和励磁线圈的选取，选取铜丝漆包线作为线圈材料，励磁线圈中加入铁氧体磁性介质将大大增加磁场强度，有助于降低整体功耗，考虑到线圈散热等因数装置的额定电流设定为10 A，线圈匝数的选择应尽量少于200匝。磁路中铁芯磁化曲线的非线性、磁路的漏磁通、交变磁场的磁饱和、涡流和磁滞对电流的影响，给磁路的计算带来很大麻烦。利用一些工程近似主磁通可以按磁路的求解方法求解。根据安培定律：∫lH·dl=N·I，將左边积分分为沿气隙和沿铁芯的2部分，则有：
3控制策略
要使逆变电路安全可靠运行，必须采用锁相环技术，保证
负载电路工作在准谐振状态。本装置以DSP作为控制电路的微处理器来完成调频锁相这一重要环节，逆变侧锁相控制采用的是基于模糊自适应PID的数字锁相环，克服了传统锁相环频率跟踪范围窄、高频跟踪性能差、受外界环境影响大等缺点[5]。图3为锁相环结构框图。
鉴相器（PD）有2路输入，1路来自负载正弦电流信号经过零检测后的方波信号，另1路来自压控振荡器输出的经延时补偿后的信号，2路输入经相位比较得到反应相位误差的信号，然后经模糊自适应PID实现快速准确跟踪，最终经压控振荡器实现电压到频率的转换，该频率信号1路经过相位补偿作为PD的输入信号，另1路经过PWM信号控制环节产生频率值更新的4路带有死区时间的驱动脉冲，用来触发开关的开断[6]。图4为模糊自适应PID控制原理图。
4仿真模型的建立与试验分析
本试验以Matlab/Simulink为仿真工具，对所搭建的主电路进行仿真[7]，取定仿真模型中的滤波电容为4e-3F，谐振电感为1 mH，谐振电容为10 μF，R=10 Ω。直流端用100 V恒压源代替，仿真时间为0.002 s。图5、图6分别为由锁相环将频率锁定在1.6 kHz（准谐振状态）和3.3 kHz（大感性状态）2种状态下负载线圈电流电压波形[8]。由图5、图6可以看出，加入锁相环电路后负载电流电压基本同相且输出电流达到最大值，此时产生的正弦电流激励磁路线圈产生的磁场强度也达到最大值。
通过谐振电容的切换实现对磁场频率的调节[9]，通过调节buck电路占空比可以调节输出给逆变侧的电压大小，从而可以调节输出磁场的强度[10]，磁路气隙处磁场频率的可调范围为50～3 000 Hz，磁场强度的可调范围为0～50 mT。
图7为装置完成通电后线圈电流试验波形。由试验波形可以看出，频率被锁定在准谐振状态1.6 kHz时输出的电流为标准的正弦波，磁场频率比较纯净，电磁转换效率最高，磁场强度高达40 mT。
图8为用高斯计测得的磁路气隙两极之间的B ∶F变化曲线。由图8可以看出，当电路工作在1.6 kHz准谐振状态下时磁场强度最大，而工作在大感性状态时磁感应强度会衰减。
由试验波形及所测得数据可以看出，本试验设计的磁化装置基本满足上述设计目标。
5种子萌发试验结果及分析
将上述磁场发生装置对水稻种子进行育种试验，并对得出的数据进行分析。随机取1 600粒水稻种子分为16组，每组各100粒，将其洗净消毒后，进行不同磁场环境下的试验，试验数据如图9、图10所示。 圖9试验数据是在上述交变磁场发生装置频率控制在200 Hz，磁场强度在5、10、15、20、25、30、35、40 mT这8个等级情况下，接受磁场处理5 min后，进行种子发芽试验，1周后所得到的试验数据。由图9可以看出，磁场频率控制在 200 Hz 时，经过8个等级磁场强度处理后的水稻种子萌芽率，其中磁场强度在20 mT时水稻种子萌发率明显比两边的要高。这是因为磁场强度过低种子内部细胞成分吸收不到足够的能量，激发不了细胞酶等活性发生变化，而当场强很高时细胞会因吸收了大量的能量，温度很快上升导致其内部酶等活性丧失，同样不利于种子萌发。
图10试验数据是在上述交变磁场发生器磁场强度控制在20 mT不变，频率在100、200、300、400、500、600、700、800 Hz 这8个等级情况下，处理5 min后，进行发芽试验，1周后所得到的试验数据。由图10可以看出，当磁场强度控制在20 mT不变时，经过8个不同等级磁场频率处理后的水稻种子萌发率，其中当磁场频率在100 Hz到400 Hz变动时种子萌发率提高，之后随着频率的继续增加种子萌发率却衰减，这是因为频率增大得越高种子从磁场环境吸收的能量越多，细胞温度超过了正常承受范围导致酶活性丧失，最终导致部分种子死亡。
6结论
本试验设计的交变磁场发生器能够对磁场频率和强度进行连续调节，交变磁场频率和场强的选择会对种子萌发产生影响，选择合适的磁场频率和场强对种子萌芽具有积极作用，种子萌发率明显比没经过磁场处理的要高出很多， 可见该装置对植物诱导育种具有很大的实用意义。目前该装置已经投
入到化生学院作进一步育种试验。
参考文献：
[1]张玲慧，史华平，王计平. 磁场处理对紫苏种子萌发的影响[J]. 中国农学通报，2013，29（30）：64-68.
[2]丁翠兰，李良菊，王胜军，等. 低频交变磁场对小鼠细胞免疫功能的影响[J]. 江苏大学学报，2003，13（2）：116-120.
[3]李滚. 生物组织电学特性及其在电磁场暴露后的变化研究[D]. 成都：电子科技大学，2012.
[4]Forest F，Laboure E，Costa F，et al. Principle of a multi-load/single converter system for low power induction heating[J]. IEEE Transactions on Power Electronics，2000，15（2）：223-230.
[5]Suzuki Y，Taki M.Measurement of magnetic field from an induction heating hob and estimation of induced current density in human body[J]. IEEJ Transactions on Fundamentals and Materials，2005，125（5）：427-433.
[6]陆斌，惠晶. 基于高频感应加热电源的新型软斩波器研究[J]. 电源技术应用，2008，11（10）：33-36，46.
[7]胡国文，杨根，陈伟. 生物育种用交变磁场发生器的设计[J]. 中国农机化学报，2014，35（2）：235-239.
[8]Bayindir N S，Kukrer O，Yakup M.DSP-based PLL-controlled 50～100 kHz 20 kW high-frequency induction heating system for surface hardening and welding applications[J]. IEEE Proc Electr Power Appl，2003，150（3）：365-371.
[9]Viriya P，Thomas T.Power transfer characteristics of a phaseshift controlled ZVS inverter for the application of induction heating[J]. IEEE Proc Int Power electron Conf，2000，39（4）：423-428.
[10]Burdio J M，Barragan L A，Monterde F，et al.Asymmetrical voltage-cancellation control for full-bridge series resonant inverters[J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 2004，19（2）：461-469.