串联谐振式航空电磁法发射机关键技术研究毕业论文.docx

串联谐振式航空电磁法发射机关键技术研究毕业论文目 录第1章绪论11.1 概述11.2 吊舱式直升机航空瞬变电磁探测原理简介11.3 航空瞬变电磁法仪器的发展现状及其特点21.3.1 国内航空瞬变电磁法仪器发展状况21.3.2 国外直升机航空瞬变电磁法仪器发展状况21.3.3 现代直升机航空瞬变电磁勘察系统主要特点31.4 论文的研究内容、关键技术及结构安排41.4.1 研究的目的和意义41.4.2 主要研究内容及其关键技术51.4.3 论文的结构与安排6第2章功率发射电路关键技术研究82.1 概述82.2 功率发射电路设计82.2.1 全桥SPWM逆变方案82.2.2 串联谐振方案112.3 功率发射电路电源设计152.4 功率器件的选型以及发射线圈的设计162.4.1 功率器件的选型162.4.2 谐振线圈的实现182.5 主控单元的设计与实现192.5.1 概述192.5.2 方案选择202.5.3 硬件设计202.5.4 软件设计212.5.5 控制电路仿真222.6 驱动电路设计232.6.1 驱动电路的要求232.6.2 驱动电路与晶闸管连接方式242.6.3 驱动电路的硬件设计242.7 控制驱动电路PCB测试252.8 本章总结27第3章电流采集记录与过冲削弱关键技术研究283.1 概述283.2 电流采集记录单元设计283.2.1 电流峰值采集单元设计293.2.2 主控单元硬件部分设计293.2.3 主控单元软件部分设计313.3 电流过冲削弱单元设计323.3.1 时序电路设计333.3.3 功率电路设计353.4 弱电系统总结37第4章发射机整体功能测试与结果分析384.1 概述384.2 发射机室内实验384.3 电流发射测试结果分析384.3.1 发射电流峰值计算384.3.2 发射电流波形结果分析404.4 过冲削弱单元测试结果及分析424.5 本章总结46第5章全文总结及未来展望475.1 概述475.2 本论文的主要贡献475.3 展望48参考文献50致谢5339第1章 绪论第1章 绪论1.1 概述航空地球物理勘察技术能够快速大面积的飞过测区，并通过测量各种地球物理信息来了解区域地质概况，尤其是人工操作比较困难的高山林区，能取得比普通物探勘察更好的效果。近几十年来，航空物探技术在航空技术、电子技术、计算机技术、勘探地球物理技术的飞速发展的背景下得到了长足的提高和发展。航空技术的高精度全球定位系统的广泛应用，电子技术的高信噪比测试仪器的发展，各种微型芯片的应用，高性能计算机技术在数据处理方面的应用，使得航空物探具备高精度定位能力，很强的压制干扰的能力和微弱信息提取能力，以及高速数据处理能力1。众多航空物探技术里，航空电磁法（Airborne Electromagnetic Method）在找寻地层水、良导矿体以及地质填图等地质勘察领域应用非常广泛。其中频率域的固定翼航空电磁测量系统已在我国部分地质勘察项目中应用而且取得了较好的效果，但无法在地势不平坦的高山多植被地带工作，而且该勘探方法只能解决勘探深度在80m以内的地质问题；频率域的吊舱式直升机航空电磁测量系统也在近年在我国得到应用，可以进行地势地形比较复杂地区的地质勘查工作，但只能勘探150m以内的地质信息。我国幅员辽阔而且多高山，淡水层或良导体矿的覆盖层分布广泛，且所需勘探目标体深度有时在200m以下，虽然国际上已研制出勘探深度较大的固定翼时间域电磁系统，但因系统过于笨重，难以在地形起伏比较大的地区工作。对于上述问题的处理，相关文献介绍了时间域吊舱式直升机航空电磁勘察系统2。1.2吊舱式直升机航空瞬变电磁探测原理简介图1.1所示是吊舱式直升机航空瞬变电磁勘查系统示意图，由直升机、吊舱、发射接收系统组成。它的基本探测原理与地面瞬变电磁探测原理相似，也是利用不接地回线（也就是发射线圈），在直升机飞行期间通以交变的电流，这样发射线圈就会向地下发送一次交变电磁场（一次场），一次场传播的过程中遇到良导电地质体会激发地质体的涡流效应，产生的涡流电流会以热量的形式消耗掉并衰减，从而感生出新的电磁场（二次场），再通过接收系统测量由探测目标体介质产生的感生电磁场，经过对二次场测量数据的处理得到探测目标体的地质信息，最后通过反演推导目标体的形态和导电性。在实际应用中，经常采用多次叠加的手段来提高数据精度。发射线圈中经常采用的发射电流波形主要有双极性矩形波、双极性梯形波、双极性半正弦波以及双极性三角波等3-6。图1.1 吊舱式直升机航空电磁探测系统示意图1.3航空瞬变电磁法仪器的发展现状及其特点1.3.1 国内航空瞬变电磁法仪器发展状况我国在20世纪50年代开始对航空电磁法进行研究，但是发展过程并不顺利，改革开放后我国开始加大对国外先进的探测设备的引进。航空电磁法数据处理及解释相对比较复杂。虽然我国AEM发展不顺利，但我国物探工作者对该方法的数据质量评价、数据处理、图示、反演、解释等还是开展了必要的研究工作。但总体来说我国航空电法与国际发展水平还有相当大的差距。因此对航空电磁法系统的研究就显得尤其重要3。我国最早研究的航空电磁法仪器是由地质部物探所研制的长导线半航空电磁探测仪器，而后才开始研制硬支架频域系统，在这段时期内国内多家科研机构都开始了各类航空电磁法系统的研制；七十年代中期，北京地质仪器厂开始研制时间域直升机航空电磁探测系统，但中途下马；七十年代末期，桂林冶金地质研究所也研制过时间域直升机电磁系统；目前，吊舱式时间域直升机电磁勘查系统在国内尚处于空白状态。1.3.2 国外直升机航空瞬变电磁法仪器发展状况自2000年以来, 特别是2003年以后，直升机时间域电磁法发展很快，比较有代表性的系统有南非Spectrem Air公司的Explor HEM（1997）；澳大利亚 Normandy Exploration 公司的HOISTEM（1998）；美国Newmont Mining Corporation公司的NEWTEM（1998）；加拿大T.H.E.M.Geophysics Inc.公司的THEM _ EMOSQUITO（1998）；加拿大 Aeroquest International公司的Aero TEM （1999）；加拿大McPhar Geophysics Pty. Ltd.公司的SCORPION（2002）；加拿大Geotech Ltd. 公司的VTEM （2002）；加拿大Fugro公司的HELIGEOTEM（2005）；丹麦 SkyTEM Aps公司的SkyTEM（2003）；美国Oak Ridge National Laboratory公司的ORAGS-TEM（2003）。国际上直升机航空 TEM 系统的技术指标见表1.12。表1.1 目前国际上主要直升机航空瞬变电磁系统的技术指标系统指标名称HeliGEOTEMHoisTEMAeroTEM IVVTEMTHEMEMOSQUITO发射面积(m2)95375113531105发射线圈（圈数）21742发射电流（A）12103205003001400偶极矩峰值（NIA）230,000120,000395,000650,000250,000发射波形半正弦方形三角梯形半正弦发射脉冲时间（ms）451.864.5.74发射方向zzzzz接收分量x，y，zzx，zzx，y，z是否全波记录是否是计划中是接收带宽30-1152025-1972230/90-2304025/30-2500030-30720系统指标名称ORAGSTEMNewTEMSkyTEMSCORPIONExplorHEM发射面积(m2)3630028331436发射线圈（圈数）41448发射电流（A）3026583200偶极矩峰值（NIA）4320800004500025000025600发射波形方形方形长斜波梯形三角方形发射脉冲时间（ms）2.81043.33发射方向zzzzz接收分量z和垂直梯度x，y，zx，zx，zx，y，z是否全波记录否否否是是接收带宽（Hz）90/270-540025/30-10000075-192001.3.3 现代直升机航空瞬变电磁勘察系统主要特点通过以上总结分析，现代直升机航空瞬变电磁系统具有以下特点2：（1）新型大功率器件的应用使得发射电流得到很大的提高，从而在相同发射线圈尺寸下具有更大发射磁矩。另外，电子技术、计算机技术的飞速发展使得对接收线圈返回数据的采集、存储、处理能力有了很大提高，可记录大量的原始数据，经过适当叠加、去噪处理后，使得信噪比大大提高，一般来说探测深度可达300m到500m。（2）该系统的一个标识性进步在于直升机航空瞬变电磁可在发射电流关断和开通时测量二次场。能够记录全波数据带宽，包括可加强浅层地质构造的分辨率的开通和关断时的高频信息，同时，全波数据可进一步转化为磁场响应，简化反演剖面解释，更容易发现低阻异常体。（3）能够进行x、y、z三个方向的多分量测量，同时测量磁感应强度B和磁感应强度随时间的变换dB/ dt。这对于地下低阻体的形态特征、产出位置的确定非常有帮助。同时，为使解释更准确，三分量测量还可测量吊舱的位置变化。（4）由于地球物理反演技术的发展，日趋完善了数据处理方式和解释方法，不仅实现了一维和二维半反演解释技术，还发展了三维反演解释，也就是说，直升机瞬变电磁解释正逐步向三维可视化方向发展。（5）直升机航空瞬变电磁勘察系统的灵活、高效的特点，使得它越来越多的应用到地下水勘查、大型工程基础调查、地质填图、矿产勘查、土壤盐渍化调查, 以及遗留未爆炸物的找寻等地质勘察任务中。1.4论文的研究内容、关键技术及结构安排1.4.1 研究的目的和意义本论文的研究受到国家高技术研究发展计划（863计划）重大项目航空地球物理勘查技术系统子课题吊舱式时间域直升机航空电磁勘查系统开发集成资助。近年来直升机航空瞬变电磁勘探仪器在国际上发展很快，由于我国地域辽阔，矿产资源分布广泛，而且资源多分布于植被覆盖区，利用地面瞬变电磁开展勘测工作将会耗费大量的人力和物力，快速着手发展直升机航空瞬变电磁勘察系统变得很重要。直升机航空瞬变电磁勘察系统主要由发射系统和接收系统组成，不同勘察系统对应的发射系统将会不同。本论文的主要研究目的是根据课题需要研究串联谐振式的半正弦电流波形发射机的关键技术。课题要求发射机的技术指标是半正弦波形基频25Hz、峰值电流达到2500A、脉宽4ms、偶极距峰值达到500000NIA，半正弦波形参数如图1.2所示。图1.2 半正弦电流波形参数图针对课题要求指标参数，本文所研究的发射机主要包括时序信号产生的控制单元、串联谐振功率发射单元、为发射机供电的直流电源单元、峰值电流突变采集记录单元、过冲削弱单元五部分，发射机整体功能结构如图1.3所示。图1.3发射机整体框图本论文的研究意义在于，通过对串联谐振式航空电磁法发射机的关键技术研究，为后续吊舱式直升机航空瞬变电磁系统的研究奠定基础。1.4.2 主要研究内容及其关键技术本文的研究内容主要分为三个方面：（1）功率发射电路关键技术研究主发射电路共包括三个部分：时序发生控制单元，大功率晶闸管驱动单元，串联谐振功率电路单元。其中，时序控制单元是以51单片机作为控制核心产生所需的时序信号，该时序信号经过驱动单元放大后用来驱动大功率晶闸管，驱动单元是由分立元件搭建而成，最终半正弦电流在串联谐振电路单元中的线圈中产生。该部分的关键技术在于串联谐振的应用、大功率晶闸管的选取、发射线圈的制作以及功率驱动单元的设计实现。（2）峰值电流采集记录单元以及过冲削弱单元关键技术研究峰值电流突变采集记录单元的功能包括电流的实时显示，电流变化超过一定数值的自动记录和存储，该单元的关键技术在于模拟电流信号的采集，模拟信号经过AD转换后送入单片机，最后通过编制相应的单片机程序控制各子模块完成突变电流记录功能，并能在实验完成后显示出电流的变化值和时间点。过冲削弱单元是通过延时时序信号后控制双向晶闸管导通，在电流将要过零时将一个功率电阻并联到发射线圈两端以消耗一定功率，达到削弱电流过冲的目的，该单元的关键技术在于双向晶闸管的选择，功率电阻的选择，延迟时间的计算。（3）室内测试实验研究通过将系统各个部分连接到一起，利用室内三相电源通过整流给发射机供电进行室内测试实验，其关键技术是通过电流互感器输出波形测量计算发射电流的各个参数，并对测试结果进行分析。电流过冲削弱单元是测试并接到线圈两端的电阻电压波形进行分析的。1.4.3 论文的结构与安排本论文共分为五章：第一章概述了航空电磁法勘探系统技术研究背景、探测原理以及国内外发展现状；以及直升机航空瞬变电磁法勘察系统发展的动力及方向，介绍了本文的研究目的、意义和主要内容。第二章介绍了功率发射电路关键技术研究。主要确定了串联谐振方式的主发射电路方案，利用Matlab仿真模块Simulink对串联谐振变换电路进行了可行性验证；通过对发射电流的参数计算选取合适的大功率晶闸管型号。通过计算所得电感参数设计发射线圈直径、选材、圈数等参数，最终完成整个发射线圈的组装。采用51单片机为核心的主控单元，主要实现时序信号的产生。对大功率晶闸管的驱动采用分立元件搭建，主要实现对时序信号的电流放大以及同脉冲变压器隔离强弱电之间的电联系。第三章介绍了发射机的电流采集记录单元和电流过冲削弱单元关键技术。电流采集记录主要以51单片机为核心，完成对突变电流模拟信号的采集、AD转换、记录、存储和事后显示的功能，电流模拟信号来自电流互感器，该信号经过滤波采样保持后输出给AD单元；电流过冲削弱是利用定时电路延时主控时序，得到新的时序信号送入晶闸管驱动单元导通双向晶闸管，使得功率电阻在电流将要关断的瞬间并联于发射线圈两端以热能的形式消耗一部分过冲电流，达到削弱过冲的目的；弱电系统电源的设计方式是采用每一弱电单元彼此隔离的思路来设计的，主要采用独立的DC/DC模块实现。第四章介绍了发射系统室内实验研究，利用整流室内三相电得到发射机所需大功率直流电源，实验开始后通过观测示波器显示的电流互感器输出波形来计算发射电流的大小、波形以及脉宽等参数；并测量削弱过冲电阻两端的电压波形用以分析计算过冲削弱单元在电流过零时对过冲电流的削弱能力。第五章对全文的研究内容进行了总结和展望，提出了尚需深入研究的问题和未来的研究方向。第2章 功率发射机电路关键技术研究第2章 功率发射电路关键技术研究2.1 概述直升机航空电磁法勘察系统主要分为发射系统和接收系统两部分，发射系统为电磁法勘探提供场源，是电磁法仪器的一个重要部分，而功率发射电路更是发射机的关键组成部分，功率发射电路性能的好坏直接影响整个电磁法仪器的探测效果和工作效率。国际上直升机航空瞬变电磁法勘察系统的发射机有很多种，按照发射电流波形方式的不同大致分为三类：方形波（实际为梯形）发射机、三角波发射机、半正弦波发射机，本文主要研究半正弦波发射机。本章将着重描述半正弦波发射机的功率发射电路。首先，介绍了功率发射电路的方案选择，主要通过仿真不同方案的电路原理来实现，并给出了相应的仿真原理图及仿真结果图；其次，介绍了功率发射电路电源无功补偿的分析设计、功率器件的选型以及发射线圈的设计；再次，介绍了主控时序信号发生单元的设计原理，给出了相应的电路原理图及仿真结果；最后，介绍了大功率晶闸管驱动单元的设计与实现，给出了驱动单元电路原理图以及功率发射电路控制驱动装置的PCB板实物图。2.2 功率发射电路设计经过前期的大量调研和论证，并参考国内外同类仪器的设计方法和性能指标，对于发射半正弦电流波形，我们首先想到以直流逆变为交流的方式实现。本文提出了两种实施方案，全桥SPWM逆变方式产生半正弦电流波形的方案和串联谐振方式产生半正弦电流的方案，并分别利用Matlab进行了原理仿真。2.2.1 全桥SPWM逆变方案直流电源通过全桥SPWM逆变为电感负载中交流半正弦电流波形。SPWM是以面积等效原理为基础的控制方式，如图2.1a所示把正弦半波分成N等份，就可以将此正弦半波看成是由N个相连的脉冲序列构成的波形。这些脉冲宽度相同只是幅值顶部是曲线而不是直线，它们的幅值按照正弦规律变化，如果将上述脉冲序列用相同数量但不等宽度的矩形脉冲代替，同时通过计算使矩形脉冲和相应的正弦脉冲的面积相等，就得到了如图2.1b所示的脉冲序列波形7。图2.1 SPWM控制方式波形图上述矩形脉冲序列作为驱动信号控制功率器件的开关，这样SPWM方式需要以很高频率的信号控制功率器件的开关，本文选用全控器件IGBT作为桥路开关器件，电路原理如图2.2所示。图2.2 SPWM逆变电路原理图为了有效利用IGBT的功率极限，全桥电路需要附加吸收电路，用以减少IGBT由于过热而导致的损坏，同时高频信号的引入将有可能对接收系统带来干扰。利用Matlab仿真18-19，各个原件均采用理想模型，原理如图2.3所示，从图中可以看出该方案的电路结构很繁琐，而且控制时序的产生也很复杂8。图2.3SPWM方式发射电路仿真原理图此种方案的仿真结果如图2.4所示，图中上半部分为SPWM控制时序信号，下半部分为电感负载中流通电流的波形，可以看出虽然可以产生半正弦方式的波形，但是很明显可以看出波形有很多毛刺，这与SPWM的固有的调制方式有关。图2.4 SPWM方式发射电路仿真结果2.2.2 串联谐振方案该方案利用电感电容支路会在合适频率信号的激励下发生谐振，而谐振时电感线圈中将产生正弦的电流波形23-26。谐振支路的构成可利用发射线圈自身的电感配以适当容值的电容即可，激励信号的频率需要由电感值L和电容值C计算而得，由电路原理的知识我们知道串联RLC支路（R为支路等效电阻）阻抗的频域表达式为：（2.1）当支路发生谐振时阻抗的模值为最小，且为纯电阻，阻抗表达式2.1的虚部应该等于零，整理得：（2.2）则激励信号的频率为：（2.3）根据课题要求发射电流波形为脉宽4ms半正弦信号波（频率=125Hz的正弦波的脉宽），电感L和电容C的设计应满足的条件为：（2.4）如果不加以控制，发射线圈中产生的电流将是频率为125Hz的连续正弦波形。要产生课题需求的频率为25Hz的半正弦波形，我们需要做这样的工作：把一个频率为125Hz的周期正弦交流信号在前半周期过零时将RLC支路断开16ms，得到了周期为40ms的新的半正弦信号（频率为25Hz），变换过程如图2.5所示。图2.5连续正弦信号变换为半正弦信号这段时间内RLC支路任何器件都不能有电流流过，才能得到周期为25Hz的半正弦信号，只有RLC支路串联满足条件（RLC并联会构成回路在波形断开时电感电容仍然会有能量交换，电感线圈中仍会有电流流过）。同样，我们可以缩短RLC支路断开时间，得到75Hz和125Hz的半正弦信号，当达到125Hz时支路断开时间应该等于零。此外，需要控制RLC支路接入和退出电流回路，功率开关器件的应用是必不可少的。对于功率开关器件，我们可以选择全控器件IGBT和MOSFET、半控器件晶闸管等，分析图2.3右边所示波形的特点，并结合每种可控器件的控制特性，该方案选择晶闸管作为开关器件，因为晶闸管具有这样的特性：可以人为控制它的开通，但是只有晶闸管中流过的电流过零的时候才能使晶闸管关断，这种特性与所需电流波形的特点不谋而合，电路原理如图2.6所示（规定图中所示箭头方向为参考正方向）。图2.6串联谐振电路原理其中U1、U2为直流电源电压值均为U，T1、T2为晶闸管，等效电阻R、电容C、电感L构成串联支路。该电路的工作过程分为两个阶段，谐振建立阶段：晶闸管T1开通，U1、T1、RLC串联支路构成回路，电容C正向充电电压缓慢增加，电感L中电流逐渐变大，当电容电压与U1的电压值相等时，电容不再从电源吸收能量，这时电感中还存在正向流动的电流，电容依然处于充电状态，当电感中的能量全部转移到电容中时（电压波形大致为余弦半波），电感中的电流过零（电流波形大致为正弦半波），T1自动关断，此时电容电压值为2U，电阻流过的正弦半波电流将消耗一部分电源能量，图2.7a给出了正向半波的产生的过程和串联支路电感和电阻的电流波形以及电容的电压波形；16ms后晶闸管T2开通，U2、T2、RLC支路构成回路，电容反向充电，电容在上一个阶段存储的能量全部转移到电感中去，这时电容电压为零、电感电流持续上升，电源U2继续给电容反向充电，当电容电压与U2相等时U2不再给电容充电，而由电感中的电流持续给电容反向充电，电感中的能量全部转移到电容中，此时电容电压值为3U，电感电流过零T2自动关断，电阻同样会消耗一部分电源能量，图2.7b给出了反向半波产生的过程和串联支路各器件波形，再过16ms晶闸管T1再次开通，这样周而复始直到谐振稳定阶段。图2.7谐振建立过程图解谐振稳定阶段：当每一次开通晶闸管，电源所提供的能量全部被串联支路的等效电阻消耗的时候，也就是回路中只存在电容与电感之间的能量交换时，便达到了谐振稳定阶段，这时电感中电流峰值最大，直流电源只提供谐振支路中等效电阻所消耗的能量，电流的峰值即为，所以要得到所需的峰值电流的大小，只需要改变电压或者等效电阻，实际应用中改变等效电阻通常比较困难，通过改变直流电源的电压来控制峰值电流的大小是比较理想的方式。利用Matlab软件Simulink模块仿真，每个器件均采用理想模型，仿真原理如图2.8所示。仿真原理图中各个元器件的参数如下：直流电压源DC1和DC2电压值均为27V，等效电阻R为0.012，电容C为6mF，电感L为240H，每个脉冲发生器频率均为25Hz，只是触发时间相差20ms。主要测量的参数为串联支路电感线圈中电流的波形和电容电压波形。图2.8 Matlab串联谐振仿真原理图Matlab的仿真结果如图2.9所示，左图是整个谐振过程的波形图，很明显可以看到谐振的建立阶段与谐振稳定阶段，右图为谐振稳定阶段局部放大图，图中包含串联支路电感线圈流过的电流波形，串联支路电容的电压波形。仿真结果显示该方案可以较好的实现课题要求的发射电流指标参数，包括峰值电流的大小、正弦半波的脉宽、以及发射电流频率，而且波形形状较为平滑，电路的结构也比较简单。图2.9串联谐振电路Matlab仿真结果图比较两种方案，由图2.1可以看出第一种方案要想达到项目要求的指标峰值电流2500A，要求IGBT有较大的过流能力，而且通过SPWM的控制方式实现半正弦发射电流波形所需的控制方式比较复杂。同时要求IGBT有很快的开关频率，这样的IGBT非常的昂贵，为了减少损耗使IGBT有较好的开关环境需要的附加电路也很复杂，实现起来比较困难。第二种方案的提出完全解决了第一种方案实现起来所遇到的问题，它是通过控制两个大功率晶闸管的开通时刻，并利用晶闸管电流过零关断的特性使两个直流电源分别给谐振支路供电使之达到谐振状态，该方案易于实现，控制方式简单，廉价的大功率晶闸管使得该方案经济而且实用，综上所述选择第二种方案作为实施方案。2.3功率发射电路电源设计上述串联谐振方案的仿真是在理想电源的情况下实现的，也就是不考虑电源输出电流对发射电路的影响20。实际上本文所设计的半正弦电流发射机的发射电流在峰值时到达了2500A，而一般电源的瞬时输出电流也很难达到2500A。我们从功率的角度分析这个问题，当发射机正常工作时，发射线圈流过峰值为2500A的正弦半波电流，仿真结果显示支路电容电压波形为峰值500V的余弦半波，所以支路电感电压波形也同样是峰值500V的余弦半波，那么发射机电源提供的视在功率为：（2.5）将=500V，=2500A带入2.5式并求取极值，当=时得到发射机最大视在功率=625KVA，而实验提供的直流稳压电源为6KW，这样发射机工作在最大视在功率点时，电源需要提供瞬时无功功率为624.97KVar。以上分析说明要达到峰值2500A的发射电流，需要使用电容进行无功补偿，使用的电容容量不应太大也不能太小，具体计算如下：根据课题要求发射电流指标，发射线圈电感电流要在2ms之内变化2500A，而电源电压允许变化值不超过10V，所以根据公式（2.6）（2.7）两式中Q均为电容电荷量，将I=2500A，t=2ms，U=10V带入2.7式并联立式2.6得C=500000F，本文设计采用大容量电解电容作为无功补偿电容，电路原理如图2.10所示。图2.10 发射电路原理图图中C1，C2为无功补偿电解电容，U为直流稳压电源。2.4功率器件的选型以及发射线圈的设计2.4.1 功率器件的选型由前述本设计采用串联谐振电路方案实现大电流发射，功率器件选择大功率晶闸管15、22。根据项目指标要求谐振线圈峰值电流达到2500A，半正弦电流波形脉宽为4ms，主要利用这两项指标选择晶闸管的参数。晶闸管参数在选择时主要需要考虑通态平均电流、通态方均根电流值。通态平均电流计算公式如下：（2.8）峰值电流，所以通态平均电流。通态方均根电流计算公式如下：(2.9)将通态平均电流代入式2.9得通态方均根电流。同时考虑晶闸管裕量和晶闸管的工作状态，在选择晶闸管通态平均电流值参数时取其计算值的1.5倍，即取通态平均电流约为大于1194A的参数的晶闸管即可满足要求。本设计选用的晶闸管是襄樊台基半导体有限公司生产的Y45KPE系列产品，部分参数如表2.1所示：表2.1 晶闸管Y45KPE部分参数符号参数测试条件结温Tj(C)参数值单位最小典型最大IT(AV)通态平均电流180正弦半波, 50Hz双面散热, Ths=75C1251000AIT(AV)通态平均电流180正弦半波, 50Hz双面散热, Ths=55C1251271AITSM通态不重复浪涌电流10ms底宽, 正弦半波,VR=0.6VRRM12513KAIGT门极触发电流VA=12V, IA=1A2540300mAVGT门极触发电压0.83.0VIH导通维持电流20250mA2.4.2 谐振线圈的实现本文发射线圈的制作主要参照国外资料，并通过文献9所提供的计算方法和计算公式得到线圈各项参数进行制作，对于发射线圈的材料的选择，铜材和铝材主要从重量、导电性、经济型三个方面综合比较选择了铝制管制作发射线圈。根据计算参数要求制作4匝铝管制线圈，尺寸要求：铝管内径30mm、外径36mm，四匝线圈分为两种规格，8m直径线圈两匝、7.7m直径线圈两匝，四匝线圈分别制作完成后需将四匝线圈串联留出两个接头，互相之间用特制塑料模具隔离开来。由于制作线圈所购置的铝管材料只有6m长，要组成周长约为25米的圆，需要通过将五根铝管经弯管加工切除多余部分后连接成为一个完整的线圈。每两根铝管之间用特制接头连接并用通孔螺丝紧密固定，目的是能够尽量增大接头与铝管的接触面积，最大程度减少接触电阻，特制接头实物如图2.11所示。谐振线圈全部制作并组装完成后需要测量其等效电阻和电感参数，利用TENMARS公司生产的TM.508A系列毫欧表测量整体线圈的等效电阻，利用电桥测量线圈电感。电阻值，电感值。发射线圈组装完成后的实物如图2.12所示。图2.11 特制接头实物图图2.12 谐振线圈实物2.5 主控单元的设计与实现2.5.1 概述根据课题要求发射线圈流通的电流为三种频率的半正弦波形，本节主要研究主控单元设计与实现。结合图2.6所示电路原理，主控单元的控制时序发生电路应能够产生三种频率的两路脉冲信号，每路脉冲信号频率分别为25Hz、75Hz、125Hz，相位相差半个周期，每个信号的上升沿对应晶闸管的开通时刻，三种频率的两路信号合成时序分别如图2.13a、b、c所示，图中的两路脉冲信号分别是黑色填充脉冲和白色填充脉冲。图2.13 三种频率脉冲时序图2.5.2 方案选择该时序发生电路有多种设计方案，主要分为两类：其一，通过数字电路延时、定时等时序组合产生所需脉冲信号，其基本原理是利用电阻、电容的充放电延时特性以及电平比较器对充放电电压检测的功能，实现定时或延时，只需按需要灵活改变电阻、电容值大小，就可以取得在一定时间范围振荡脉冲信号输出，实现这种功能的集成芯片通常称为“单稳态触发器” 。其二：采用可编程器件通过软件编制实现时序控制信号的产生，其中单片机具有技术成熟、抗干扰能力强、经济实用等优点，基本思路是通过软件延时与单片机自带定时器控制时序逻辑，同时单片机具有很强的可扩展性，同时可以增加按键和液晶显示实现人机交互功能。本文将采用51单片机作为控制核心实现时序控制信号的产生12-17，原理框图如图2.14所示。图2.14 控制时序发生单元框图2.5.3 硬件设计本文采用51系列单片机AT89S52为控制核心21，如图2.15所示为单片机最小系统，图中包括按键S2复位电路；三种频率的输出时序信号之间的转换是通过按键S1触发单片机外部中断的方式完成的，其按键电路原理如图2.16所示。图2.15单片机最小系统图2.16按键电路硬件电路中还包括实时显示输出脉冲信号频率的液晶部分，液晶采用LCD1602，电路原理如图2.17所示；电源采用常用的电源管理芯片78L05给单片机和74LS244提供5V直流电源，电路原理如图2.18所示；由于单片机IO口输出TTL电平信号带载能力比较弱，通常需要在信号输出端增加一级缓冲电路用以提高单片机IO口的带载能力，本设计采用74LS244作为输出级缓冲电路，电路原理如图2.19所示。图2.17液晶电路图2.18电源电路 图2.19缓冲电路2.5.4 软件设计软件部分主要完成时序的产生以及数据和控制信号的传输功能。单片机开始工作后，首先初始化各子模块，而后进入控制输出脉冲信号的阶段，这一阶段由定时器中断子程序完成。频率的转换通过每次按键进入外部中断按键调频子程序后将设置的标志位加1，返回后通过在定时器中断子程序中改变定时器初值实现，频率显示功能也在定时器中断程序中完成，定时器中断工作过程是通过循环设置定时器初值实现。软件编写的关键环节，中断入口的按键电路是在硬开关的环境下工作，按键操作进行后频率转换时单片机应首先执行按键延时“去抖”程序，在这个过程中单片机的输入输出端口为默认的输出高电平，这个时候如果整体电路正在工作过程中，势必会产生两个晶闸管同时导通的状态，这个时候电路相当于短路状态，晶闸管有可能承受变化率过高的电流而导致损坏。所以在延时“去抖”程序执行时应保证单片机IO端口输出低电平。具体延时程序如下：for(i=0;i=5000;i+)OUT1=0;OUT2=0;其中OUT1、OUT2分别代表两路的输出时序信号。主程序流程如图2.20所示，两个中断子程序流程如图2.21所示。 图2.20 主程序流程 图2.21中断子程序2.5.5 控制电路仿真对控制电路的仿真可以给硬件电路的实际制作提供原理性的参考，同时可以实时进行软件程序的调试，本文采用的Proteus7.0仿真软件是专为单片机及其外围电路仿真而开发的一款非常实用的仿真软件，可配合Keil C软件实现程序的联合调试，它支持汇编语言和C语言的在线编程。仿真过程中，将Proteus中的电路原理图作为实际电路板使用，而后在Keil C集成环境中编制程序实现对电路板的控制，这种仿真方式与通过硬件仿真器对电路板的调试具有相同的效果。软件仿真的原理图如图2.22所示，仿真结果如图2.23所示，图中给出的是方式2即125Hz的频率点图形。图2.22控制电路原理仿真图2.23控制电路仿真结果2.6 驱动电路设计2.6.1 驱动电路的要求驱动电路主要完成大功率器件的开通和关断，以及电路的强弱电隔离。对于本设计中所用驱动只需考虑如何开通晶闸管，即在晶闸管的阳极加上正向电压后，还必须在门极与阴极之间加上触发电压，晶闸管才能从关断变为导通。触发脉冲决定每个晶闸管的导通时刻，是晶闸管变流装置中不可缺少的一个重要组成部分。对于驱动信号的要求。第一，触发信号可为直流、交流和脉冲电压。实际应用中，晶闸管触发导通后，触发信号就不再起控制作用了，为减小门极损耗，多采用脉冲触发信号，而不采用直流或交流触发信号；第二，触发脉冲应有足够的功率，触发脉冲功率的大小是决定晶闸管元件能否可靠触发的一个关键指标；第三，为了使元件在触发导通后，阳极电流能迅速上升超过擎住电流而维持导通，触发脉冲应有一定的宽度，脉冲的前沿应尽可能陡。根据要求本设计需要产生的触发信号应为强触发脉冲，前沿陡，有一定脉宽。2.6.2驱动电路与晶闸管连接方式驱动电路与晶闸管电路的连接方式可以分为三种。其一，直接连接。由于主电路电压经常高于触发电路的电压，采用直接连接容易造成操作不安全，主电路又往往干扰触发电路。其二，光耦合器连接。它是一种将电信号转换为光信号，又将光信号转换为电信号的半导体器件，具有可实现输入输出间电隔离，且绝缘性能好，抗干扰能力强的优点，但是单体驱动能力有限，还需要后续功率放大电路。其三，脉冲变压器耦合连接。在导磁率较高的铁磁材料上绕制的变压器，能够很好的把一次侧的脉冲信号传输到二次绕组，二次绕组与晶闸管连接，电路与控制电路有良好的电气绝缘，适合做大功率器件的驱动隔离。本设计采用脉冲变压器耦合连接将控制电路与功率电路隔离开。2.6.3 驱动电路的硬件设计本文所设计硬件电路采用分立元件构成，控制单元输出信号OUT1、OUT2经过输入电阻进入驱动单元，功放Q1、Q2选用达林顿管TIP122，它起到放大时序信号电流的作用，稳压管Z1用来稳定电源电压，二极管D1、D2起到防止反接的保护作用，电阻R3、R4是限流电阻，变压器T1、T2变比为1：1的脉冲变压器，变压器通过保护二极管连接到晶闸管触发端，本节采用一对发光二极管指示脉冲输出信号，硬件电路原理如图2.24所示。图2.24 驱动电路硬件原理图2.7 控制驱动电路PCB测试用印制电路板制造的电子产品具有可靠性高、一致性好、机械强度高、重量轻、体积小、易于标准化等优点。驱动电路设计完成后，将控制电路与驱动电路组合并且制作了PCB电路板，实物如图2.25所示。图2.25 控制驱动电路PCB板实物电路板所用电源为24V直流电源，通过TEKTRONIX公司生产的TDS2012B系列数字式存储示波器测试控制驱动板输出脉冲信号波形。三种频率的输出信号波形结果如图2.26、2.27、2.28所示，由图中结果可以看出，三种频率的波形均满足晶闸管驱动电路所要求的强脉冲输出。图2.26 输出脉冲频率25Hz 图2.27输出脉冲频率75Hz图2.28输出脉冲频率125Hz2.8本章总结本章工作主要完成了功率发射电路方案选择并应用Matlab完成了相应方案的电路原理仿真。根据所选串联谐振的发射方案研究了功率器件的选型，发射线圈的设计制作。设计并仿真了主控单元控制时序发生电路，设计了大功率晶闸管驱动电路，最终设计完成了控制驱动电路的PCB板，并得到相应的驱动信号输出。第3章 电流采集记录与过冲削弱关键技术研究第3章 电流采集记录与过冲削弱关键技术研究3.1 概述在直升机航空瞬变电磁勘察系统飞行过程中，无法直接观测发射系统的发射电流是否有突变的情况发生。发射电流的突变会对后续的数据处理带来不可预知的不良影响，甚至使处理结果与实际情况完全不符，这就需要一个能采集记录峰值电流的单元，它能够实时记录飞行过程中的峰值电流变化情况和变化发生时的时间。感性发射线圈电流固有的在过零时的过冲也会干扰接收系统对于浅层瞬变电磁信号的分辨，从而影响瞬变电磁系统数据处理的精度。针对上述两个问题，本文提出了解决相应问题的发射系统辅助功能单元的设计。本章将着重介绍峰值电流采集记录单元和过冲削弱单元的设计原理和每个单元的工作过程，给出相应单元的电路原理图和测试结果，最后结合上一章所述内容对整个弱电控制系统进行总结并整合到一起装入机箱。3.2 电流采集记录单元设计峰值电流采集记录单元应该具有以下功能：实验过程中能够采集并显示当前发射电流的峰值和时间、能够实时记录电流突变前后的值和相应的时间点、实验完成后能够显示出实验过程中电流变化前后的值和相应的时间点。因此，峰值电流采集记录单元应该包括能够监测模拟信号峰值变化的峰值电流采集单元和完成控制协调工作的主控单元组成，其中主控单元又包括模数转换单元、时钟发生单元、具有掉电不丢失功能的存储单元和液晶显示单元。峰值电流采集记录单元的整体框图如图3.1所示。图3.1 峰值电流采集记录单元框图3.2.1 电流峰值采集单元设计该单元的主要功能是将互感器输出的半正弦电压模拟信号的峰值转换为一个直流电平信号，本文采用峰值监测电路来实现，峰值监测电路由采样保持器LF398和比较器LM393构成，而后输入给AD转换为数字信号。上电后电流互感器输出的模拟信号接入峰值检测电路，通过采样保持并与输入端信号比较得到一个与峰值大小相等的直流电平。该电路设计的关键技术在于采样保持后电容放电回路的设计，本文采用大阻值电阻R2作为电容C1的放电电阻，以达到峰值变小时该电路能够检测到峰值的变化，电路原理如图3.2所示。图3.2 峰值检测电路原理图以信号发生器为信号源的测试结果如图3.3所示。黄色为正弦信号，蓝色为正弦信号的峰值电平信号。图3.3 峰值检测电路测试结果3.2.2 主控单元硬件部分设计主控单元采用STC系列51单片机89C54RD+作为控制核心，该芯片具有廉价、通用性好的特点32-35，并配合掉电数据不丢失的EEPROM存储芯片AT24C02、时钟芯片DS1302、AD转换芯片PCF8591和液晶显示模块LCD1602完成电流峰值信号突变前后电流值记录、存储以及实时显示和实验后的显示。其中由于实验完成后，整个系统会停止工作，那么该单元可能失去电源，所以选择掉电不丢失的EEPROM芯片作为该单元的存储芯片。本节给出了峰值电流采集记录主控单元的部分主要芯片的硬件电路原理图，EEPORM存储芯片AT24C02的电路原理如图3.4所示，采用I2C总线串行控制方式，单片机端口P24给AT24C02提供串行时钟信号，P25端口进行串行数据收发，地址输入端口A0、A1、A2选为固定000地址。图3.4 AT24C02电路原理图时钟芯片DS1302的电路原理如图3.5所示（该电路有自己独立的晶振），同样采用I2C总线串行控制方式，单片机P20端口提供串行时钟信号，P21端口接收串行数据，P12端口提供时钟芯片复位信号。图3.5 DS1302电路原理图AD转换芯片PCF8591的电路原理如图3.6所示，也采用I2C总线串行控制方式，地址端口A0、A1、A2选为固定000地址，模拟信号输入选择AIN1、AIN2、AIN3端口同时接收模拟信号，用以后续数据处理对比。图3.6 PCF8591电路原理图3.2.3主控单元软件部分设计该部分功能主要通过编制单片机软件程序来实现。为了实现前文所述峰值电流采集记录单元的功能，主控单元的工作过程应该分为两个阶段，实验过程中和实验结束后，不同的工作阶段选择拨码开关的不同档位。当拨码开关选择实验过程中阶段时，单片机控制AD芯片不断将峰值检测电路采集到的模拟峰值电流直流电平信号送入AD输入端转换为数字信号，而后该数字信号和时钟发生芯片的时钟信息数据送入单片机，并在液晶上实时显示发射电流峰值和当前时间信息。单片机将首次读入的电流数据和时钟数据存入EEPROM第一个单元中，然后继续读取AD芯片转换过来的电流数据和时钟发生芯片送入的时钟信息，同时将每次读入的峰值电流数据与存储单元中最新写入的数据做比较，当电流峰值变化的绝对值超过100A时，单片机将当前电流峰值和当前时间点存入下一个EEPROM单元中，这样周而复始直到实验结束，由于EEPROM芯片AT24C02的存储空间只有256个字节，而存储一组数据需要4个字节，所以该存储芯片只能存储64组数据，当数据组数超过64时，新读入的数据将覆盖原来的数据。实验结束后，拨码开关拨到实验结束阶段，单片机将直接从EEPROM存储芯片中按顺序读取每个单元的电流峰值数据和相应的时间信息，并显示在液晶上，这个过程也是一直循环显示的，在每组数据显示的时候都有一个合适的延时，以便数据处理人员能够准确记录不同时刻电流峰值的突变情况。峰值电流突变采集记录单元软件主程序的流程如图3.7所示。图3.7 峰值电流采集记录单元软件流程图3.3电流过冲削弱单元设计本节研究电流过冲削弱关键技术，在发射线圈半正弦电流即将过零的时候将一个功率电阻并联于发射线圈的两端以消耗一部分过冲电流达到削弱过冲的目的，电路原理如图3.8所示。图3.8过冲削弱单元原理图 该单元应该包括控制功率电阻并联发射线圈时刻的时序控制信号、功率开关器件驱动电路设计，以及将功率电阻并接到发射线圈功率电路设计。3.3.1 时序电路设计