基于幅值追踪技术的时间域航空电磁发射电路研制

发布时间：2020-06-04 21:10

【摘要】：时间域航空电磁法是一种有效的地质勘探方法,可在空中完成探测任务,具有明显的环境优势,被广泛使用在勘查矿物质、监测环境、探测埋地管道与海洋可用冰等多方面。时间域航空电磁法的探测深度和精度与发射波形的质量密切相关,目前在实际探测过程中,发射电流波形存在平顶段纹波大、下降沿线性度低、关断时间长等问题,严重限制了航空电磁系统的高精度测量。针对上述问题,本文在国家重点研发计划“直升机航空电磁测量技术系统研制(2017YFC0601802)”的资助下,开展了基于幅值追踪技术的时间域航空电磁发射电路的研究。主要研究内容如下:1、为实现发射电流的快速关断,在传统航空电磁发射电路的基础上进行了改进,其中逆变电路的桥臂开关采用新型半导体器件SiC MOSFET,显著提高了开关频率;增加了有源钳位馈能电路部分,加快了负载线圈的钳位放电过程,有利于实现能量的回馈。2、根据航空电磁逆变电路拓扑结构,提出了一种幅值追踪技术,将发射电流和钳位电压关系式作为调控发射电路的重要依据,建立闭环控制模型并通过调节控制信号来减小误差,实现了对下降沿段电流的实时追踪与调节。3、根据幅值追踪技术对发射系统的设计需求,设计了组合式发射机控制器,其中飞思卡尔作为主控芯片,主要用于幅值追踪法的实现与发射系统的故障监控;FPGA芯片与外围电路部分,主要用于数据采集与转换;两芯片之间采用SPI串行通信进行数据交互。为了准确驱动SiC MOSFET器件,避免误触发现象,设计了特殊的驱动电路拓扑,并计算了发射桥路的开关损耗。4、使用PLECS软件对发射电路进行系统仿真,验证该拓扑的可行性;通过双脉冲电路测试了SiC MOSFET的输出特性和开关损耗;利用基于幅值追踪技术的时间域航空电磁发射系统在国家地球物理探测仪器工程技术研究中心进行野外实验,结果表明,在输入电压384V、平顶段电流峰值400A、最高钳位电压500V的情况下,可将线性度优化至99.77%,关断时间从1.5ms缩短至963μs,达到了预期的效果。本文研制的基于幅值追踪技术的时间域航空电磁发射电路同时在硬件设备和控制方法进行了改进,在时间域航空电磁发射系统设计上为后续的研究提供了新的思路;在发射电流的质量、系统的能耗和稳定性方面进行了改善,提高了航空电磁系统的探测精度。
【图文】：

的下降沿段发射电流及对应钳位电压波形。图 3.3 单个周期内两种方式作用下的发射电流及钳位电压波形由图3.3可知：在相同关断时间内，采用500V恒压钳位控制的下降沿段发射电流的线性度约为90%，而采用幅值追踪技术控制得到的下降沿段线性度理论值为100%，明显优于前者；且使用幅值追踪技术控制时，实际的钳位电压平均值低于500V，，可减小钳位电容引起的热损耗，进而增大系统的效率。3.2 组合式航空电磁发射机控制器设计为了更好地实现幅值追踪技术，本文设计了组合式的航空电磁发射机控制器，控制器由主控电路和辅助电路两部分组成，其中主控电路核心为FreeScale芯片

第 5 章 电路仿真与实验测试感 Ld的电感值为 1.03mH，电阻为 0.06Ω；用于滤波作用的电容 C1和钳位馈能作用的电容 C2的容值分别是 1200μF 和 600μF；用于馈能作用的线圈 Lk的阻值和电感值分别为1Ω和0.1mH；开关器件VS1~VS5均为从Cree公司官方网站下载的C2M0080120D的 PLECS 模型；此外设定发射电流的基本频率为 25Hz，SiC MOSFET 的调制频率为100kHz~1MHz。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P631.325;V248.1

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本文编号：2696979