關(guān)于降低恒流段紋波的瞬變電磁發(fā)射電路研究*

巫慶輝 顧 鑫 唐 康 侯利民

(遼寧工程技術(shù)大學電氣與控制工程學院 葫蘆島 125100)

1 引言

瞬變電磁法(Transient electromagnetic method，TEM)是利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)射一次脈沖磁場，在一次脈沖磁場間歇期間利用線圈或接地電極觀測地下介質(zhì)中引起的二次感應渦流場，通過對二次場進行測量，來確定地下未知目標[1]。目前TEM 在大功率發(fā)射、電流關(guān)斷波形線性度和電流快速關(guān)斷等方面有很多難點，探測波形也不是理想的電流方波，理想的電流方波對地下目標體有更好的激發(fā)效果[2]。實際上，探測波形多為梯形波，作為整個探測過程的激發(fā)源，發(fā)射電流的波形十分重要，不僅發(fā)射電流恒流段波形會對接受信號有所干擾，電流關(guān)斷部分也會對早期感應場信號的收集產(chǎn)生影響，從而產(chǎn)生探測盲區(qū)[3]，其中，如果恒流段的斜率不近似為，就會產(chǎn)生二次場從而會與發(fā)射電流下降段的感應場混合在一起，對接收信號產(chǎn)生較大的干擾[4-5]。所以要求恒流段盡可能線性，下降段時間盡可能短[6]，這樣整個系統(tǒng)的探測能力就越好。為了獲得更為理想的探測波形，文獻[7]指出固定線圈所具有的恒定電感量和電阻值，可通過增加負載兩端電壓U來減小線圈中電流的關(guān)斷時間；文獻[8-10]提出了一種直接在負載兩端并聯(lián)雙向(Transient voltage suppression,TVS)管的無源恒壓鉗位方法，雖然在一定程度上減小了關(guān)斷時間，但TVS 管的通流容量較小，不能長期承受重復性的高能量脈沖，僅適用于小功率應用；文獻[11-12]采用吸收電路，可以減緩恒流段電流的上升速度，但是該方法效率低，且波形并沒達到理想的梯形波。文獻[13]提出(Pulse width modulation, PWM)斬波與恒壓鉗位控制瞬變電磁發(fā)射系統(tǒng)，通過PWM 的控制使恒流段斜率近似為0，恒壓鉗位加速電流關(guān)斷，兩者結(jié)合形成新的發(fā)射系統(tǒng)，該方法獲得的發(fā)射波形更接近于梯形波，但發(fā)射恒流段的紋波比較大。本文基于前人的經(jīng)驗，在PWM 斬波控制的基礎上，通過控制MOSFET 的關(guān)斷時間改變線路的阻值，從而降低發(fā)射恒流段紋波的峰值，使之更接近線性，并結(jié)合饋能型恒壓鉗位控制技術(shù)，加速電流的關(guān)斷，得到更為理想的發(fā)射波形。

2 發(fā)射系統(tǒng)總體方案設計

發(fā)射系統(tǒng)的整體設計框架如圖1 所示，主要由發(fā)射橋路、驅(qū)動電路、鉗位電路、PWM 控制電路和新添加的可控電阻電路組成。其中，發(fā)射橋路為傳統(tǒng)的H 橋，主要由四個開關(guān)管組成，四個開關(guān)管的開關(guān)順序由PWM 信號控制從而使發(fā)射電流恒流段斜率近似為0。PWM 信號也對可控電阻電路有所控制，通過改變發(fā)射線圈的阻值進而優(yōu)化恒流段的紋波使紋波幅值變低更具有線性。在電流關(guān)斷過程中，鉗位電容兩端的電壓直接加在線圈兩端，從而加速電流下降，饋能電路中的饋能電感又將鉗位電容吸收的能量回饋給電源，不僅提高了電路效率，也維持了鉗位電容電壓的穩(wěn)定。

圖1 發(fā)射電路結(jié)構(gòu)框圖

3 發(fā)射電路的設計與控制

3.1 PWM 控制技術(shù)

本文通過STM32 單片機中的定時器產(chǎn)生PWM波形，在設計PWM 占空比時存在一個問題，當占空比為理想狀態(tài)下的50%時，發(fā)射波形的恒流段并不是所預期的斜率近似為0 的峰波(圖2)，而是電流持續(xù)下降的峰波(圖3)，當占空比較大時會出現(xiàn)如圖4 所示的電流上升的情況，所以為得到理想的恒流段斜率近似為0 的預期波形，對占空比的調(diào)制十分關(guān)鍵。

圖2 預期恒流段波形仿真圖

圖3 占空比較低時恒流段波形仿真圖

圖4 占空比過大時恒流段波形仿真圖

通過對發(fā)射電阻和發(fā)射電感兩端電壓的分析，有

根據(jù)式(1)可知，由于前期電流上升段電流的不斷增加，發(fā)射電路等效電阻兩端的電壓也在增加，因此等效電感兩端的電壓就會相對減少，從而減少ΔI，當電流達到最大值時，電感兩端的電壓也最小，設開關(guān)導通時間為t1，關(guān)斷時間為t2，顯然ΔI1<ΔI2。

3.2 恒壓鉗位控制電路

通過PWM 斬波的控制可以控制開關(guān)管的關(guān)斷時間，也可以使電流上升段更具有線性度使電流快速上升，并且可調(diào)節(jié)發(fā)射電流恒流段的平穩(wěn)性，使整體波形更接近理想波形，但電流下降的速度遠沒有達到要求，通過文獻[14]提出的饋能型恒壓鉗位技術(shù)，不僅可以縮小電流的關(guān)斷時間，還減少了發(fā)射系統(tǒng)的發(fā)熱損耗，提高了能量的利用效率，傳統(tǒng)饋能型恒壓鉗位的發(fā)射原理圖如圖5 所示。

圖5 恒壓鉗位下的發(fā)射電路圖

由于高頻斬波期間產(chǎn)生的紋波峰值較大，本文為減少紋波峰值使發(fā)射恒流段波形更接近于線性，所以在上述發(fā)射電路的基礎上，結(jié)合第3.1 節(jié)對發(fā)射電阻和發(fā)射電感兩端電壓的分析，設計出一種可以減少發(fā)射恒流段紋波幅值的發(fā)射電路，如圖6 所示，Q1、Q2、Q3、Q4組成發(fā)射電路的主橋路是電磁發(fā)射電路的主要回路；Q5和饋能電感L3控制鉗位電容C2，保持電壓穩(wěn)定；Q6、Q7控制電阻R5和R6的關(guān)斷，以便調(diào)整線路電阻的大小從而改變發(fā)射電感兩端的電壓以減小發(fā)射波形恒流段紋波的幅值，使波形更接近線性；R1、R5和R6構(gòu)成發(fā)射線圈的等效電阻；L2為發(fā)射線圈的等效電感。

最終設計的主清掃器由陶瓷刮刀、安裝板以及安裝調(diào)節(jié)機構(gòu)組成，陶瓷刮片刮除皮帶面黏附物料，彈性安裝座具有一定的彈性，保證在不損傷皮帶的情況下陶瓷刮片與皮帶面貼合，有效地清除皮帶黏附物料。

圖6 改進后的發(fā)射電路圖

開關(guān)導通的時間如圖7 所示，T為發(fā)射電路工作的一個周期。發(fā)射電路的工作原理如下所述。

圖7 開關(guān)管關(guān)斷時序圖

(1) 在0～T/4期間內(nèi)，開關(guān)管除了Q6全部關(guān)斷，發(fā)射電路無動作，所以輸出電壓UAB為0，輸出發(fā)射電流IAB也為0。

(2) 在T/4～t1期間內(nèi)，Q1、Q4、Q6導通，剩下的開關(guān)管關(guān)斷，電流經(jīng)過D1、Q1、R1、R5、L2、Q4，電路工作模態(tài)如圖8 所示。此時R1和R5并聯(lián)，由于線路電阻變小，電源E可以快速給發(fā)射電感L2充電，并使發(fā)射電流達到預期值I0，此時電源直接加在AB 兩端，故UAB=E，而發(fā)射電流可以通過式(3)表示

圖8 T/4～t1 期間電路工作模態(tài)圖

式中，I0=I AB(t1)。

(3) 在t1～T/2 期間內(nèi)，Q1、Q4高頻斬波，Q6、Q7也高頻斬波，在Q1、Q4開通時，Q6、Q7關(guān)斷，此時R5、R6不工作，電源E與D1、Q1、R1、L2、Q4組成回路，此時線路電阻最大，電路工作模態(tài)如圖9 所示。由第3.1 節(jié)分析可知，L2兩端電壓減少，ΔI也隨之減少，所以電流上升速度緩慢，占空比不變的情況下，電流達到的峰值要小于傳統(tǒng)的恒壓鉗位發(fā)射電路，從而達到減小紋波幅值的效果；在Q1、Q4關(guān)斷時，Q6、Q7開通，電源E、D1、Q2、L2、Q3和R1、R5、R6三個電阻組成續(xù)流回路，電路工作模態(tài)如圖10 所示，此時R1、R5、R6三個電阻并聯(lián)，此時線路電阻達到最小值，故ΔI增加，電流下降速度加快，由第3.1 節(jié)可知占空比要大于50%，開通時間要大于關(guān)斷時間，所以電流下降值和Q1、Q4開通時電流上升值達到平衡，從而使平頂段波形斜率近似為0，并使紋波幅值降低，達到本次控制效果，從而得到更理想的波形。

圖9 t1～T/2 期間Q1 和Q4 導通時電路工作模態(tài)圖

圖10 t1～T/2 期間Q1 和Q4 關(guān)斷時電路工作模態(tài)圖

(4) 在T/2～t2期間內(nèi)，D2和Q6導通，其余開關(guān)管全部關(guān)斷，線路電阻為步驟(2)中的R，此時R1和L2通過Q2、Q3、C2、Q5構(gòu)成回路，發(fā)射電流在鉗位電路的作用下達到快速下降的目的，電路工作模態(tài)如圖11 所示。在這個階段Q1～Q4全部關(guān)斷，鉗位電容兩端的電壓直接加在發(fā)射線圈AB 兩端，ΔI將遠大于關(guān)斷的瞬時值，因此電流下降迅速，線圈電流可以用式(4)表示

圖11 T/2～t2 期間電路工作模態(tài)圖

發(fā)射機開始工作時，負載線圈續(xù)流充電使鉗位電容兩端電壓不斷升高，鉗位電容兩端電壓通過電阻R2和R3的分壓得到，鉗位電容C2通過電位比較器的控制并通過Q5的關(guān)斷，釋放多余的能量，從而保持電壓穩(wěn)定。當C2電壓超過預設值URef1時，電位比較器輸出高電平從而使Q5導通，C2多余的能量通過饋能電感L3回饋給電源，直到C2電壓小于URef1時，Q5關(guān)斷，此時鉗位饋能環(huán)節(jié)結(jié)束并等待C2電壓再一次超過URef1，從而進行下一次鉗位饋能，電路工作模態(tài)如圖12所示。

圖12 鉗位饋能環(huán)節(jié)電路工作模態(tài)圖

(5) 在T/3～t4期間內(nèi)，屬于電流的負半周期，主要圍繞Q2和Q3的開通與關(guān)斷以及高頻斬波，與T/4～t2的Q1和Q4工作情況類似，得到的電流反向。

4 發(fā)射電路的參數(shù)設計與仿真結(jié)果

4.1 發(fā)射電路的參數(shù)設計

本次設計的發(fā)射系統(tǒng)采用24 V 的直流電源供電，發(fā)射電流控制在15 A 左右，發(fā)射電感L2為66 μH，PWM 占空比α設為70%，根據(jù)設計要求電流上升段線路等效電阻需要達到0.443 ?，高頻斬波期間，開關(guān)導通段線路電阻應大于電流上升段，開關(guān)關(guān)斷期間線路電阻應小于電流上升段，故本文將仿真中三個發(fā)射等效電阻的阻值設為R1=5 ?，R5=0.486 1 ?，R6=30 ?，考慮到66 μH 的電感線圈中自身就存在的電阻為0.02 ? 左右，所以實物設計中R5取0.47 ?，R1取4.3 ?，R6仍取30 ?。鉗位電容兩端的電壓可調(diào)，令式(3)為零，即可得下降時間Δt為

從式(5)可以看出，鉗位電壓EC越大，電流的關(guān)斷時間越短，考慮到設計要求和實際情況，本文的鉗位電壓EC設為100 V，鉗位電容C2=1 000 μF。通過計算理想狀態(tài)下電流的關(guān)斷時間為9.58 μs。通過式(4)對t求導，可得電流下降期間的斜率

通常用式(7)表示下降的線性程度，一般來說γ越接近1，線性度就越高，當鉗位電壓EC越高時，Δt越小，γ越接近1，線性度也越好，將本文設計的參數(shù)Δt=9.58 μs，R=0.443 ?，L=66 μH 代入得到γ=0.938，基本符合線性要求。

4.2 仿真結(jié)果

根據(jù)上述設計的參數(shù)，利用Matlab/Simulink 的仿真，其發(fā)射電流整體的仿真圖如圖13 所示，電流關(guān)斷區(qū)間放大圖如圖14 所示，可以看出本次設計的發(fā)射電路在理想的狀態(tài)下電流關(guān)斷時間為9.575 μs，和預期的關(guān)斷時間大致一樣。

圖13 發(fā)射電流輸出仿真圖

圖14 發(fā)射電流關(guān)斷區(qū)間圖

圖15 是鉗位電壓為0 V 時發(fā)射電流關(guān)斷區(qū)間圖，其關(guān)斷時間為33.613 μs，圖16 是鉗位電壓為50 V 時發(fā)射電流關(guān)斷區(qū)間圖，其關(guān)斷時間為18.571 μs。本文設計的鉗位電壓為100 V，其仿真結(jié)果的關(guān)斷時間為9.575 μs，將三者相比，很明顯鉗位電壓越高，關(guān)斷時間也就越短，所以恒壓鉗位控制電路能有效地縮短發(fā)射電流的關(guān)斷時間，從而減少關(guān)斷期間拖尾電流對采集的數(shù)據(jù)造成失真的影響，對后期的數(shù)據(jù)處理造成不利的影響[15-16]，符合設計理念并且滿足理論支持。

圖15 鉗位電壓為0 V 時發(fā)射電流關(guān)斷區(qū)間圖

圖16 鉗位電壓為50 V 時發(fā)射電流關(guān)斷區(qū)間圖

從圖13 可看出發(fā)射電流波形與理想的矩形波接近，恒流段波形斜率近似為0，但無法看出本次設計與傳統(tǒng)饋能型恒壓鉗位發(fā)射電路平頂段的區(qū)別，圖17、圖18 分別展示了傳統(tǒng)饋能型恒壓鉗位發(fā)射電路與本次改進電路發(fā)射電流恒流段的局部放大波形圖。比較兩圖發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)發(fā)射電路的發(fā)射電流峰值達到了15.71 A 左右，而本次改進后的發(fā)射電流峰值達到了15.45 A 左右，有效減少了恒流段發(fā)射電流紋波的峰值，使發(fā)射電流波形更接近線性，從而降低了恒流段對后續(xù)接收信號的干擾，達到了本次優(yōu)化的效果。

圖17 傳統(tǒng)恒壓鉗位發(fā)射恒流段局部放大波形圖

圖18 本次改進后發(fā)射電路恒流段局部放大波形圖

5 試驗結(jié)果

本文主控電路的芯片采用STM32F103 單片機，控制并輸出本次設計所需要的PWM 驅(qū)動信號，其中包括發(fā)射電路主橋路的四個開關(guān)管和本文新增的兩個控制電阻線路關(guān)斷的開關(guān)管。根據(jù)設計需求、計算過程和仿真結(jié)果，制作了該發(fā)射電路。發(fā)射電流平穩(wěn)工作時為15 A，鉗位電壓控制在100 V，圖19 為發(fā)射主橋路實物圖，圖20 為發(fā)射電流的波形圖，圖21 為發(fā)射電流關(guān)斷區(qū)間圖。

圖19 發(fā)射主橋路實物圖

圖20 發(fā)射電路波形圖

圖21 發(fā)射電流關(guān)斷區(qū)間圖

從圖20 的發(fā)射電流波形圖可以看出，發(fā)射波形近似為梯形波，發(fā)射恒流段的斜率近似為0，比較接近線性。圖21 中，發(fā)射電流關(guān)斷區(qū)間電流的關(guān)斷時間大約為13 μs，也與9.58 μs 的設計結(jié)果十分接近，滿足設計結(jié)果。

從試驗結(jié)果可以看出，改進后的發(fā)射電路在經(jīng)過PWM 斬波控制和恒壓鉗位控制可以得到發(fā)射電流平頂段斜率近似為0 的梯形波，達到了本次改進的目的，并且通過恒壓鉗位電路的控制，電流的關(guān)斷速度也能達到設計要求。使用PWM 高頻斬波的控制方式，與文獻[17-18]提出的發(fā)射電流恒流段電流由供電電源電壓決定相比，可以省去調(diào)壓環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)的效率有較大的提升，本文改進后的電路，也通過PWM 的控制使電路的阻值大小更加靈活多變，使發(fā)射平頂段更加平滑同時降低紋波峰值從而減小誤差，PWM 技術(shù)與恒壓鉗位的技術(shù)結(jié)合很好地達到了本次設計的目的。本次設計屬于小功率小電流的發(fā)射電路，這為大功率大電流的探測工作提供了一種電流快速下降的思路，從而達到更加精準的探測效果。

6 結(jié)論

(1) PWM 高頻斬波的控制可以使發(fā)射電流恒流段斜率近似為0，從而避免出現(xiàn)呈e 指數(shù)上升的趨勢，大大降低了發(fā)射電流對接收信號的干擾以便接收機能接收到更好的二次場信號，使探測結(jié)果更加精確。

(2) PWM 高頻斬波技術(shù)雖然使發(fā)射電流恒流段斜率近似為0，但也會帶來紋波的影響，本文基于這一點對發(fā)射電路拓撲進行了改進，即增加兩個與發(fā)射電阻并聯(lián)的MOSFET 可關(guān)斷電阻，并用PWM 技術(shù)控制其關(guān)斷，使發(fā)射電路的發(fā)射阻值更具有靈活性，最后使發(fā)射電流恒流段的紋波幅值降低，使其更具有線性，進而再一次優(yōu)化發(fā)射恒流段波形。

(3) 采用饋能型恒壓鉗位控制電路，能夠有效縮短發(fā)射電流的關(guān)斷時間，并將多余的能量回饋給電源，很好地提高了電路的效率。鉗位電壓越高，發(fā)射電流的關(guān)斷時間越短，發(fā)射電流的下降沿線性度也會越高，有利于探測效果，具體的鉗位電壓值設計需要根據(jù)不同的設計需求來設定。

(4) PWM 高頻斬波控制、饋能型恒壓鉗位控制與本文的改進電路三者結(jié)合，實現(xiàn)了一種新型的瞬變電磁發(fā)射電路，并通過仿真與試驗驗證了該設計的合理性。

(5) 本文增加的兩個MOSFET 犧牲了電路的些許效率，但改善了發(fā)射電流的波形，得到了更好的探測效果。