基于HTEM 系統(tǒng)的大功率諧振式發(fā)射電路研究

李根，張一鳴，崔龍飛，張棟，王旭紅

（北京工業(yè)大學(xué)信息學(xué)部，北京 100124）

航空電磁法是以飛機(jī)為運(yùn)載工具的航空物探測(cè)量方法，具有勘查效率高、通行性好、一次勘探覆蓋面積廣等顯著優(yōu)點(diǎn)[1]。作為地球物理勘探中重要的分支，航空電磁法適合在地質(zhì)地形條件復(fù)雜[2]、交通不便的地區(qū)作業(yè)，完成正常地面探勘手段難以完成的任務(wù)[3]。其中，直升機(jī)瞬變電磁（Helicopter Transient ElectroMagnetic，HTEM）系統(tǒng)采用直升機(jī)搭載電磁發(fā)射裝置與接收裝置，具有探測(cè)成本低、機(jī)動(dòng)靈活、收發(fā)距小等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為航空物探測(cè)量技術(shù)發(fā)展的主流趨勢(shì)[15]。

目前，國內(nèi)外對(duì)直升機(jī)瞬變電磁系統(tǒng)中半正弦式發(fā)射電路的發(fā)射方案主要可分為兩種[15]，一種是使用全橋SPWM 逆變電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過PWM 調(diào)制技術(shù)發(fā)射半正弦波形的電流[15]，文獻(xiàn)[9-11]對(duì)此種方法做出了詳細(xì)的介紹[15]，但在應(yīng)用此種控制技術(shù)時(shí)，功率開關(guān)器件需要極高的開關(guān)速度，這增加了開關(guān)器件的開關(guān)損耗，使發(fā)射機(jī)的整體效率降低，并且高頻開關(guān)噪聲容易對(duì)接收信號(hào)產(chǎn)生影響，使其信噪比降低[15]；第二種方式是利用RLC 諧振網(wǎng)絡(luò)組成發(fā)射電路，利用RLC 串聯(lián)諧振達(dá)到發(fā)射波形要求。文獻(xiàn)[13-14]中利用此原理設(shè)計(jì)了相應(yīng)的發(fā)射電路拓?fù)?，?shí)現(xiàn)了半正弦波電流的半周期發(fā)射[15]，但其電路拓?fù)渲袃?chǔ)能電容組的體積和質(zhì)量過大，對(duì)直升機(jī)的空間及載重指標(biāo)要求十分嚴(yán)格，另外，在其電路起振后需要經(jīng)歷暫態(tài)調(diào)整階段，這可能會(huì)造成發(fā)射指令滯后，發(fā)射電路無法起振的情況[15]。

1 大功率諧振式發(fā)射機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于HTEM 系統(tǒng)的大功率諧振式發(fā)射機(jī)工作原理如圖1 所示，強(qiáng)電部分主要包括濾波電路、DC/DC升壓電路、諧振電容充電電路、發(fā)射電路。機(jī)艙上的控制單元主要由DSP 主控制器、采樣電路、保護(hù)電路、驅(qū)動(dòng)電路、通信模塊、GPS 同步電路構(gòu)成，上位機(jī)作為指令輸入，發(fā)射機(jī)狀態(tài)輸出實(shí)現(xiàn)針對(duì)主控制器的遠(yuǎn)程控制[15]。機(jī)艙下的發(fā)射電路從控制器由FPGA 主控，配合采樣電路、驅(qū)動(dòng)電路以及通信模塊電路完成機(jī)艙下弱電系統(tǒng)的連接。

圖1 大功率諧振式發(fā)射機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

各部分的功能描述為：在發(fā)射機(jī)正常工作時(shí)，DSP 主控制器與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)及指令交換[15]，采樣電路進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，內(nèi)部EPWM 模塊產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)波形控制電路拓?fù)淝凹?jí)DC-DC 升壓電路進(jìn)行功率變換，機(jī)艙下FPGA 從控制器通過通信模塊接收主控制器的控制指令，開始按照規(guī)定時(shí)序邏輯進(jìn)行工作，驅(qū)動(dòng)諧振電容充電電路對(duì)諧振電容進(jìn)行能量補(bǔ)充，驅(qū)動(dòng)發(fā)射電路中的晶閘管進(jìn)行諧振發(fā)射，檢測(cè)諧振電容電壓時(shí)序，反饋DSP 主控正常信號(hào)以確保發(fā)射電路部分安全穩(wěn)定工作。

2 半正弦諧振式發(fā)射電路工作原理及模態(tài)分析

大功率諧振式發(fā)射電路區(qū)別于傳統(tǒng)串聯(lián)諧振發(fā)射電路，主要包含諧振電容充電電路、發(fā)射電路、FPGA 從控制器三部分。發(fā)射電路中儲(chǔ)能電容組的質(zhì)量、體積較小，對(duì)儲(chǔ)能電容電壓的紋波要求不高，并且在發(fā)射半周期后，通過FPGA 基于時(shí)序邏輯的精準(zhǔn)控制，儲(chǔ)能電容組可以向諧振電容回饋充能，達(dá)到在一個(gè)周期內(nèi)交替發(fā)射半正弦波形的發(fā)射電流且發(fā)射磁矩不衰減的發(fā)射要求。如圖2 所示，儲(chǔ)能電容組由機(jī)載電源經(jīng)功率變換電路持續(xù)供能，后經(jīng)充電電路在每半周期內(nèi)向諧振電容補(bǔ)充能量，以維持RLC 諧振發(fā)射電路的電能需求。

圖2 大功率諧振式發(fā)射電路拓?fù)?/p>

圖2 中，C為儲(chǔ)能電容組。充電電路部分：Q1-Q4為充電電路的高頻開關(guān)管，LW為充電諧振電感；發(fā)射電路部分：Cr為諧振電容，T1為正向發(fā)射晶閘管，T2為反向發(fā)射晶閘管，Lcoil為發(fā)射線圈諧振電感，Rcoil為發(fā)射線圈的寄生電阻。該電路一個(gè)發(fā)射周期中包含正向半正弦波發(fā)射、反向回饋、負(fù)向半正弦波發(fā)射、正向回饋四個(gè)階段，對(duì)發(fā)射電路的四個(gè)工作模態(tài)依次分析如下。

工作模態(tài)1（t0＜t＜t2）:t0時(shí)刻到t2時(shí)刻為發(fā)射周期中的正向回饋階段，其中，為了電路長時(shí)間安全可靠地工作，留取部分時(shí)間為充電死區(qū)階段。t1時(shí)刻到t2時(shí)刻，諧振電容充電電路開始工作，為了減小儲(chǔ)能電容組向諧振電容充電時(shí)的充電電流峰值，降低對(duì)電路中功率開關(guān)器件的沖擊，高頻開關(guān)管Q1、Q4以高頻斬波的形式對(duì)諧振電容充電，PWM 斬波頻率為10 kHz。t2時(shí)刻開關(guān)管關(guān)閉，充電結(jié)束，此時(shí)諧振電容Cr被充電至電壓vr，準(zhǔn)備正向發(fā)射，如圖3 所示。

圖3 電路工作模態(tài)1

工作模態(tài)2（t2＜t＜t4）:t2時(shí)刻到t4時(shí)刻為發(fā)射周期中的正向發(fā)射階段，其中，t2時(shí)刻到t3時(shí)刻為充電死區(qū)階段。t3時(shí)刻打開正向晶閘管T1，發(fā)射電路中諧振電容Cr、發(fā)射線圈諧振電感Lcoil與發(fā)射線圈寄生電阻Rcoil構(gòu)成RLC 諧振回路，發(fā)射半正弦電流波形如圖4所示。

圖4 電路工作模態(tài)2

根據(jù)基爾霍夫定律列寫發(fā)射回路電壓方程：

式中，vCr表示諧振電容電壓，vRr表示諧振電容等效電阻電壓，vT表示正向晶閘管導(dǎo)通壓降，電壓vLcoil表示發(fā)射線圈諧振電感電壓，vRcoil表示發(fā)射線圈寄生電阻電壓。忽略T1和T2晶閘管的導(dǎo)通壓降，根據(jù)KVL 列寫關(guān)于諧振電容和發(fā)射線圈諧振電感的回路方程，電感電流iLcoil作為狀態(tài)變量：

求解該微分方程為：

式中，Rr為諧振電容等效串聯(lián)電阻，Rcoil為發(fā)射線圈寄生電阻，由于直升機(jī)瞬變電磁系統(tǒng)的發(fā)射線圈采用高電導(dǎo)率的材料，所以滿足如下關(guān)系式：

已知發(fā)射電路初始條件：

由諧振發(fā)射電路二階微分方程和初始條件，可以得出其發(fā)射半正弦電流波形時(shí)線圈處發(fā)射電流的表達(dá)式：

由線圈處發(fā)射電流的表達(dá)式可知，發(fā)射電流波形為峰值沿包絡(luò)線逐漸衰減的正弦波形。發(fā)射電路拓?fù)渲?，因?yàn)榫чl管的半控特性，即當(dāng)晶閘管流過電流為0 時(shí)，晶閘管會(huì)自動(dòng)關(guān)斷，所以在發(fā)射電流首個(gè)正弦波的半波處，電路中的電流為0，晶閘管關(guān)斷，發(fā)射電流為首個(gè)峰值電流最高，發(fā)射磁矩最大的半正弦波。

發(fā)射電流峰值表達(dá)式為：

工作模態(tài)3（t4＜t＜t6）：t4時(shí)刻到t6時(shí)刻為發(fā)射周期中的反向回饋階段，發(fā)射電路經(jīng)諧振后，諧振電容電壓換向，并且由于內(nèi)阻的損耗會(huì)有一定的電壓衰減，此時(shí)需要對(duì)諧振電容進(jìn)行反向充電，以滿足半周期的負(fù)向發(fā)射電流指標(biāo)要求。t5時(shí)刻到t6時(shí)刻，充電電路開始工作，原理類似工作模態(tài)1，儲(chǔ)能電容組經(jīng)諧振電容充電電路向諧振電容反向充電至電壓-vr，準(zhǔn)備反向發(fā)射。電路工作模態(tài)3 如圖5 所示。

圖5 電路工作模態(tài)3

工作模態(tài)4（t6＜t＜t8）：t6時(shí)刻到t8時(shí)刻為發(fā)射周期中的反向發(fā)射階段，類似于工作模態(tài)2，t7時(shí)刻打開反向晶閘管T2，發(fā)射電路形成RLC 諧振回路，發(fā)射負(fù)向半正弦波形電流。半正弦波發(fā)射完成后，諧振回路電流為0，晶閘管T2自動(dòng)關(guān)斷，發(fā)射周期結(jié)束。電路工作模態(tài)4 如圖6 所示。

圖6 電路工作模態(tài)4

3 半正弦諧振式發(fā)射電路建模仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證大功率諧振式發(fā)射電路的有效性，在Simulink 軟件中搭建了原理樣機(jī)的電路總拓?fù)洹７抡嬷兄饕骷?shù)及發(fā)射頻率指標(biāo)如表1 所示。

表1 主要元器件參數(shù)及發(fā)射頻率指標(biāo)

發(fā)射電路基于Simulink 的仿真結(jié)果如圖7-8 所示。其中，圖7 為發(fā)射線圈的發(fā)射電流波形，其波形為半正弦波，最大電流峰值為822 A，發(fā)射電流脈沖寬度為4 ms，發(fā)射周期為20 ms；圖8 為諧振電容電壓波形，其波形在諧振發(fā)射電路工作時(shí)換向，最大電壓值為550 V，發(fā)射后電壓出現(xiàn)小幅度衰減，壓差為52 V，其后，在諧振電容充電電路工作期間，諧振電容電壓緩慢上升至最高值，電路等待下一次發(fā)射，大功率諧振式發(fā)射電路仿真結(jié)果達(dá)到發(fā)射指標(biāo)要求。

圖7 發(fā)射電流仿真圖

圖8 諧振電容電壓仿真圖

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

根據(jù)大功率諧振式發(fā)射電路原理及控制方法，完成了一套原理樣機(jī)，并對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試與驗(yàn)證。樣機(jī)控制電路部分采用Xilinx 公司Artix-7 系列FPGA 芯片與TI 公司數(shù)字信號(hào)處理芯片TMS320 F28335 組合控制的方式，完成了包括驅(qū)動(dòng)波形生成、信號(hào)采集、通信發(fā)射等任務(wù)。

實(shí)驗(yàn)采用Tektronic 公司生產(chǎn)的示波器，以及高精度電流鉗與差分電壓探頭，測(cè)量實(shí)際發(fā)射線圈的電流與諧振電容電壓波形，如圖9 所示，發(fā)射電流波形為半正弦波，其峰值電流820 A，脈沖寬度4 ms，發(fā)射周期為20 ms，發(fā)射電流峰值和時(shí)序均滿足發(fā)射指標(biāo)要求。諧振電容電壓峰峰值為1.09 kV，在電路諧振發(fā)射時(shí)諧振電容電壓換向，其后在諧振電容充電電路充能完成后準(zhǔn)備下一次發(fā)射。

圖9 發(fā)射電流及諧振電容電壓波形

5 結(jié)束語

文中設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于直升機(jī)瞬變電磁系統(tǒng)的大功率諧振式發(fā)射電路，基于RLC 諧振與PWM 充電組合控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了電路周期性輸出大功率電流與對(duì)衰減能量的快速補(bǔ)充。針對(duì)發(fā)射電路模態(tài)進(jìn)行了詳細(xì)地分析，并通過仿真驗(yàn)證了電路拓?fù)涞挠行?，最終搭建原理樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，提出的發(fā)射電路及其控制方法能夠發(fā)射高質(zhì)量的半正弦波形，其發(fā)射電流的峰值可達(dá)820 A，發(fā)射磁矩大于120 萬安培平方米，并且優(yōu)化后的諧振發(fā)射電路體積小、質(zhì)量輕，能夠有效提升發(fā)射機(jī)的功率密度。