PWM斬波與恒壓鉗位控制瞬變電磁發(fā)射系統(tǒng)

于生寶，朱占山，姜健，韓哲鑫

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PWM斬波與恒壓鉗位控制瞬變電磁發(fā)射系統(tǒng)

于生寶，朱占山，姜健，韓哲鑫

(吉林大學(xué) 儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春，130026)

針對(duì)磁性源發(fā)射系統(tǒng)中波形質(zhì)量差，效率低、下降沿關(guān)斷慢等問(wèn)題，提出一種PWM斬波和恒壓鉗位控制方式相結(jié)合的控制方法，并通過(guò)軟件仿真比較采用該方法的發(fā)射電路與傳統(tǒng)的H橋發(fā)射電路的波形質(zhì)量和關(guān)斷時(shí)間。研究結(jié)果表明：該方法通過(guò)提高發(fā)射線圈電流下降段的饋能電壓，加快IGBT關(guān)斷過(guò)程發(fā)射線圈電流下降速度，縮短關(guān)斷時(shí)間，豐富發(fā)射波形的頻率成分，有利于瞬變電磁探測(cè)。同時(shí)，饋能環(huán)節(jié)能夠回收發(fā)射線圈能量，提高整個(gè)發(fā)射系統(tǒng)的效率。采用PWM斬波控制技術(shù)控制發(fā)射電流平頂段，平頂段發(fā)射電流斜率為0，降低了發(fā)射電流上升段和平頂段對(duì)接收信號(hào)的干擾。發(fā)射波形近似理想梯形波，與無(wú)鉗位的傳統(tǒng)發(fā)射電路相比，在發(fā)射電流為15 A的情況下，下降沿時(shí)間由500 μs縮短為100 μs，對(duì)于淺層的探測(cè)效果更好。

電磁法探測(cè)；恒壓鉗位；快速關(guān)斷

瞬變電磁法是利用不接地回線或接地電偶源向地下發(fā)射一次場(chǎng), 在一次場(chǎng)的間歇期間利用回線或電偶極觀測(cè)二次渦流場(chǎng)的方法[1]。最理想的探測(cè)波形是電流方波，該波形對(duì)地下目標(biāo)體的激發(fā)效果最好[2]。但是理想的電流方波不可能實(shí)現(xiàn)，在實(shí)際工程應(yīng)用中多采用梯形波。作為整個(gè)探測(cè)過(guò)程的激發(fā)源，發(fā)射電流波形質(zhì)量對(duì)接收信號(hào)的影響很大，尤其是發(fā)射信號(hào)的平頂部分對(duì)降低上升沿對(duì)接收信號(hào)的干擾有很大作用，同時(shí)要求下降段的時(shí)間盡可能短[3]。關(guān)斷時(shí)間越短，整個(gè)系統(tǒng)淺層探測(cè)的能力越好，過(guò)長(zhǎng)的電流拖尾會(huì)嚴(yán)重影響早期二次場(chǎng)信號(hào)的采集，形成探測(cè)盲區(qū)[4]。為了加快關(guān)斷速度，國(guó)內(nèi)外多采用2種方法：一是采用吸收電路，但該方法效率低，發(fā)熱嚴(yán)重[5?6]。二是將關(guān)斷過(guò)程中將發(fā)射線圈的電能回饋到電源，但是野外多采用的是蓄電池供電，供電電壓一般都比較低，饋能時(shí)電壓不高，導(dǎo)致發(fā)射線圈電流下降慢。要提高供電電壓，就需要多個(gè)電池串聯(lián)，這不便于攜帶。若采用升壓電路，則會(huì)降低整個(gè)系統(tǒng)的效率，減小電池的工作時(shí)間。同時(shí)，由于發(fā)射線圈電阻很小，采用高壓電源供電在平頂段工作時(shí)間段內(nèi)需要以較低的占空比工作，這將導(dǎo)致發(fā)射線圈的平頂段電流波動(dòng)太大，難以維持整個(gè)平頂段的電流平穩(wěn)。同時(shí)，在關(guān)斷過(guò)程中，拖尾電流會(huì)導(dǎo)致采集的數(shù)據(jù)有部分失真，對(duì)后期的數(shù)據(jù)處理和地質(zhì)結(jié)構(gòu)反演造成不利影響[7?8]。

1 恒壓鉗位控制方法

實(shí)際負(fù)載電流、電壓波形如圖1所示。從圖1可以看出：要實(shí)現(xiàn)比較好的電流發(fā)射波形，理論上需要3個(gè)不同電壓的電源，但在野外實(shí)際中，3個(gè)電源的方法難以實(shí)行。同時(shí)，即便使用3個(gè)電源，三者的同步控制切換也是一大難點(diǎn)，所以，現(xiàn)有的瞬變電磁發(fā)射系統(tǒng)多只采用1個(gè)電源供電，平頂電流波采用PWM控制實(shí)現(xiàn)，關(guān)斷電壓則與供電電壓相同。

圖1 實(shí)際負(fù)載電流、電壓波形

現(xiàn)有PWM控制發(fā)射方法能夠?qū)崿F(xiàn)平頂段斜率近似為0，但電流下降速度不能滿(mǎn)足要求[9]。要獲得更快的電流關(guān)斷速度，則需要對(duì)現(xiàn)有的發(fā)射系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。文獻(xiàn)[10?11]提出利用恒壓鉗位技術(shù)加速電流下降，發(fā)射波形如圖2所示。該恒壓鉗位電路實(shí)際上沒(méi)有斜率為0的平頂段，近似的平頂段實(shí)際仍呈e指數(shù)上升。由于平頂段d/d≠0，故仍會(huì)在地下感應(yīng)出二次場(chǎng)，與關(guān)斷沿的感應(yīng)場(chǎng)混雜在一起(圖2中接收信號(hào)加粗部分)，對(duì)早期接收信號(hào)產(chǎn)生干擾[12]。因此，本文提出將恒壓鉗位技術(shù)和PWM控制技術(shù)相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)平頂段斜率為0，下降段快速下降的發(fā)射電路。上升過(guò)程電源電壓直接加在發(fā)射線圈上，平頂段采用PWM控制使得電流恒定，下降段采用恒壓鉗位提高饋能電壓，加速下降[13?14]。

圖2 發(fā)射波形與接收信號(hào)的關(guān)系

整個(gè)系統(tǒng)如圖3所示，發(fā)射橋路為傳統(tǒng)H橋發(fā)射電路，由控制器負(fù)責(zé)發(fā)射過(guò)程電流穩(wěn)定。在關(guān)斷過(guò)程中，發(fā)射線圈電能向高壓鉗位電容回饋，電流快速下降。鉗位電容內(nèi)能量通過(guò)饋能電感向電源回饋，維持鉗位電容電壓穩(wěn)定，并且提高了效率。同時(shí)，電流檢測(cè)負(fù)責(zé)檢測(cè)饋能電感電流，保證饋能電感在整個(gè)饋能過(guò)程中不進(jìn)入磁飽和狀態(tài)，使整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

圖3 發(fā)射電路框圖

2 發(fā)射電路設(shè)計(jì)及仿真

2.1 電路工作原理

發(fā)射電路原理如圖4所示，其中1，2，3和4構(gòu)成主發(fā)射橋路；5和7負(fù)責(zé)選定饋能路線；6為鉗位電容1放電，維持電壓穩(wěn)定；1，2和3為電流、電壓檢測(cè)比較器；1為線圈等效電阻；1為線圈等效電感；2為饋能電感等效電阻；2為饋能電感等效電感。

圖4 發(fā)射電路電路圖

開(kāi)關(guān)管工作時(shí)序圖見(jiàn)圖5。電路整個(gè)工作過(guò)程如下。

1) 在0~/4時(shí)間段內(nèi)，其中為發(fā)射周期，1~7全部截止，輸出端電壓U為0，電流I為0 A。

2) 在/4~1時(shí)間段內(nèi)，1和4開(kāi)通，其余IGBT關(guān)斷，此時(shí)電源電壓直接加在兩端，電流經(jīng)過(guò)1，4，1，1，5，與形成回路，電源為1充電。發(fā)射線圈的電壓和電流可以通過(guò)下式表示：

3) 在1~/2時(shí)間段內(nèi)，5開(kāi)通，1和4高頻斬波，其余IGBT關(guān)斷。當(dāng)1和4開(kāi)通時(shí)，電源，5，1，4，1和1組成回路，電流上升。1和4關(guān)閉時(shí)，電源，5，2，3和1組成回路，電流下降。整個(gè)過(guò)程電流平均值維持恒定。發(fā)射線圈的平均電壓和電流可以用下式表示：

4) 在/2~2時(shí)間段內(nèi)，7開(kāi)通，其余IGBT關(guān)斷，1，1通過(guò)2，3與1，7或1構(gòu)成回路，使電流快速下降，并將線圈能量轉(zhuǎn)移至電容1中，線圈電流電壓可以用下式表示：

其中：C表示電容1兩端電壓。

5) 鉗位電容1穩(wěn)壓過(guò)程：1和2檢測(cè)流過(guò)電感2的電流，3檢測(cè)電容1兩端電壓；當(dāng)1電壓高于預(yù)設(shè)值，2電流小于預(yù)設(shè)值時(shí)，6開(kāi)通，電感2電流上升至上限，1輸出變低，6關(guān)閉，電感2電流下降至下限，1輸出變高，6開(kāi)通，2電流再次上升。如此反復(fù)至電容1兩端電壓降低至預(yù)設(shè)值以下，6關(guān)閉，整個(gè)饋能過(guò)程結(jié)束。原來(lái)存儲(chǔ)在1內(nèi)部的能量回饋至電源，6工作狀態(tài)見(jiàn)表1。

6) 3/4~4時(shí)間段是負(fù)載電流負(fù)半周期間，與0~2負(fù)載正半周期間工作狀況類(lèi)似。

圖5 開(kāi)關(guān)管工作時(shí)序圖

表1 S6開(kāi)關(guān)狀態(tài)說(shuō)明

注：0表示低電平；1表示高電平；?表示低/高電平。

2.2 電路參數(shù)設(shè)計(jì)

整個(gè)發(fā)射系統(tǒng)供電電源采用28 V直流電源供電，發(fā)射線圈電阻為0.31 Ω，電感為1.06 mH，最大發(fā)射電流為20 A，鉗位電壓可調(diào)，以適應(yīng)不同關(guān)斷沿要求。

為了保證整個(gè)發(fā)射系統(tǒng)的發(fā)射頻率高度穩(wěn)定，采用FPGA作為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，發(fā)射頻率可以為25，75和125 Hz，本文采用最常用的發(fā)射頻率25 Hz。

令式(3)等于0，則關(guān)斷時(shí)間為

在/2~2期間內(nèi)，饋能過(guò)程中能量守恒，線圈能量完全釋放至饋能電容中，有

根據(jù)式(1)和(2)，電流上升時(shí)間為

代入數(shù)據(jù)計(jì)算可得上升時(shí)間約為1 ms，由此確定/4~1驅(qū)動(dòng)占空比。

饋能電感電流采用電阻取樣會(huì)導(dǎo)致發(fā)熱，同時(shí)浮地的問(wèn)題不好解決。電磁式電流互感器帶寬較小，最后經(jīng)比較后選用電流為20 A、頻率為100 kHz的閉環(huán)霍爾電流傳感器作為電流測(cè)量器M。鉗位電容1電壓C上升過(guò)程遵循下式：

式中：為脈沖電流數(shù)。

因此，整個(gè)系統(tǒng)上電之后需要一段時(shí)間才能穩(wěn)定工作，代入數(shù)據(jù)得出：max=48，即最長(zhǎng)僅需要1 s，系統(tǒng)就可以穩(wěn)定工作。

按照設(shè)計(jì)的參數(shù)對(duì)整個(gè)電路進(jìn)行仿真，采用Matlab Simulink仿真環(huán)境，仿真結(jié)果見(jiàn)圖6。從圖6可以看出：發(fā)射電流近似為梯形波，平頂段斜率為0，關(guān)斷沿陡峭。并將該電路與傳統(tǒng)H橋發(fā)射電路進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖7。從圖7可以看出：采用恒壓鉗位方式能夠顯著加快關(guān)斷速度，仿真結(jié)果基本符合預(yù)計(jì)結(jié)果。

圖6 輸出電流仿真圖

圖7 不同鉗位電壓關(guān)斷沿對(duì)比圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)以上計(jì)算過(guò)程和仿真結(jié)果，實(shí)際設(shè)計(jì)并制作該發(fā)射電路，并進(jìn)行調(diào)試。發(fā)射電流調(diào)整至額定值15 A，鉗位電壓分別為60，100和150 V，采用隔離電流探頭測(cè)量輸出電流的實(shí)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖8。

圖8 輸出電流與鉗位電壓波形圖

圖8表明：采用PWM斬波與恒壓鉗位控制發(fā)射電路能夠?qū)崿F(xiàn)平頂段電流為0 A、下降段快速下降的目的。同時(shí)，發(fā)射波形接近理想梯形波，能夠有效激勵(lì)地下的異常體，在使用大電容進(jìn)行恒壓鉗位的過(guò)程中，整個(gè)發(fā)射過(guò)程鉗位電壓基本平穩(wěn)，保證不同周期關(guān)斷時(shí)長(zhǎng)的一致性，不會(huì)對(duì)后期數(shù)據(jù)處理造成不利影響，也省去專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)記錄關(guān)斷時(shí)長(zhǎng)的電路。圖9所示為不同鉗位電壓時(shí)電流下降的關(guān)斷沿時(shí)長(zhǎng)。從圖9可以看出：電壓越高，關(guān)斷速度越快，線性度越高，符合式(5)和(6)。同時(shí)，由圖9可知：在發(fā)射電流不變的情況下，整個(gè)關(guān)斷過(guò)程由500 μs縮短至100 μs，關(guān)斷速度明顯加快。與文獻(xiàn)[10?11]所采用的單純的恒壓鉗位控制方法相比，實(shí)現(xiàn)了平頂段斜率為0的控制目的，同時(shí)適用于發(fā)射電阻小的磁性源發(fā)射系統(tǒng)。相比文獻(xiàn)[15]所提到的發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射電流平頂段電流由供電電源電壓決定，本文所采用PWM控制方式可以省去調(diào)壓環(huán)節(jié)，能有效提高系統(tǒng)效率。實(shí)測(cè)結(jié)果表明整個(gè)發(fā)射系統(tǒng)基本符合設(shè)計(jì)要求，滿(mǎn)足實(shí)際工程需要。

圖9 不同鉗位電流下降沿對(duì)比圖

4 結(jié)論

1) 通過(guò)結(jié)合PWM控制和恒壓鉗位控制2種方法實(shí)現(xiàn)了一個(gè)新型的電磁發(fā)射電路，并通過(guò)實(shí)際測(cè)量驗(yàn)證了該方案的可行性。該電路更適用于電磁法探測(cè)，并可以為大電流、大功率瞬變電磁探測(cè)系統(tǒng)的電流快速下降設(shè)計(jì)提供參考。

2) 與傳統(tǒng)的恒壓鉗位方式相比，通過(guò)引入PWM控制使得平頂段斜率為0，降低了電流上升沿對(duì)接收信號(hào)的干擾，同時(shí)加快了關(guān)斷速度，能夠使得接收系統(tǒng)更好地接收到淺層的二次場(chǎng)信號(hào)，在發(fā)射電流為15 A的情況下，發(fā)射電流的關(guān)斷時(shí)間為原來(lái)的1/5。

3) 整個(gè)系統(tǒng)下降沿關(guān)斷速率可調(diào)，可以適用于不同探測(cè)要求，同時(shí)引入了電能回饋環(huán)節(jié)，與耗能式加速關(guān)斷方法相比，提高了整個(gè)發(fā)射系統(tǒng)的效率，能夠延長(zhǎng)野外探測(cè)時(shí)間，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。

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(編輯 趙俊)

A TEM system with PWM chopping and constant voltage clamp control

YU Shengbao, ZHU Zhanshan, JIANG Jian, HAN Zhexin

(Instrument Science and Electrical Engineering College of Jilin University, Changchun 130026, China)

In order to solve the strong electromagnetic interference, low efficiency and slow turn-off speed of the magnetic source TEM system, a method with PWM chopping and constant voltage clamp control was proposed. This method was compared with the conventional H-bridge transmission circuit using the circuit simulation software. The results show that increasing the feedback voltage can speed up the coil current dropping speed, thus the IGBT turn-off transmitter coil current rate of decline improves greatly, the turn-off time reduces and the frequency component of the transmission waveform signal enriches. It is benefit to the transient electromagnetic detection. Meanwhile, the feedback circuit can recycle the transmit coil energy to improve the efficiency of the transmission system and the emission current flat top section with a PWM chopper control makes flat top section emission current slope 0. This decreases the interference of the emission current top segment and increases segment on the received signal. The emission waveform is almost close to the ideal trapezoidal wave. Compared with the traditional transmission circuit without clamping, the circuit falling edge time is shortened from 500 μs to 100 μs, which is better for the shallow detection.

detection of electromagnetic method; constant pressure clamp; high speed turn-off

TH763

A

10.11817/j.issn.1672-7207.2018.03.013

1672?7207(2018)03?0606?06

2017?03?04；

2017?05?05

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目(2013AA063904) (Project(2013AA063904) supported by the National High Technology Research and Development Program (863 Program) of China)

于生寶，博士，教授；從事功率源技術(shù)及其應(yīng)用研究；E-mail: yushengbao@jlu.edu.cn