梁彪，張一鳴，張棟，李根，王旭紅

（北京工業(yè)大學(xué)電控學(xué)院，北京 100124）

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的高速發(fā)展，對礦產(chǎn)資源的需求急劇增加，而我國地形環(huán)境復(fù)雜。為應(yīng)對我國復(fù)雜地質(zhì)條件下的資源勘探需求，航空電磁勘探技術(shù)由于其受地形條件約束小、探測范圍廣等優(yōu)點(diǎn)越來越得到重視[1]。其中，直升機(jī)瞬變電磁系統(tǒng)（helicopter transient electromagnetic system，HTEM）采用直升機(jī)搭載發(fā)射電路和發(fā)射線圈，具有機(jī)動靈活、飛行高度低、收發(fā)距較小等優(yōu)點(diǎn)[2]。采用多激勵源脈沖電流發(fā)射技術(shù)的直升機(jī)瞬變電磁探測系統(tǒng)，同時具有較好的深部資源探測能力和地表淺層分辨能力，成為目前航空電磁探測技術(shù)發(fā)展的主流趨勢[3]。

1 直升機(jī)瞬變電磁探測技術(shù)工作原理

直升機(jī)瞬變電磁發(fā)射系統(tǒng)采用發(fā)射線圈發(fā)射電磁信號，通過接收線圈接收經(jīng)空氣傳播的一次場信號和經(jīng)地下介質(zhì)感應(yīng)產(chǎn)生的二次場信號[4]。當(dāng)?shù)叵虏淮嬖陔娦圆痪鶆蝮w時與存在電性不均勻體時，接收線圈接收到的二次場信號存在差異，通過分析地下介質(zhì)感應(yīng)產(chǎn)生的電磁場，可以得到地下電性結(jié)構(gòu)的分布信息[5]，從而反演出地下的礦藏分布情況，原理示意如圖1所示。

圖1 直升機(jī)瞬變電磁系統(tǒng)探測原理Fig.1 Principle of HTEM detection

直升機(jī)瞬變電磁發(fā)射機(jī)采用直升機(jī)機(jī)載28 V穩(wěn)壓直流電源作為輸入電源，最大輸入電流100 A，經(jīng)過DC/DC升壓電路、濾波電路、諧振電容充電電路、多激勵源脈沖發(fā)射電路，調(diào)制成為多激勵源脈沖發(fā)射電流。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)最大發(fā)射磁矩≥120萬A·m2、半正弦波峰值電流400～800 A、梯形波峰值電流30～70 A，發(fā)射電流波形及時序如圖2所示。

圖2 發(fā)射電流波形時序圖Fig.2 Timing diagram of emission current waveforms

本文提出的直升機(jī)瞬變電磁發(fā)射機(jī)發(fā)射波形為半正弦波和小梯形波組成的組合發(fā)射波形，每個發(fā)射周期為40 ms，由正半周期和負(fù)半周期兩部分組成，這兩部分的控制方式類似。在每半個周期內(nèi)，主脈沖為半正弦波，半波周期為4 ms，最大峰值電流Ipeak為800 A，該低頻大磁矩脈沖可以有效穿透地層，并產(chǎn)生足夠強(qiáng)度的感應(yīng)磁場，主要用于對地下深部資源的探測；次脈沖為梯形波，最大峰值電流Itrap為70 A，要求關(guān)斷時間短，具有能量較高的高頻信號成分，從而增強(qiáng)淺部資源的探測能力，提高淺部資源的探測分辨率。

2 多激勵源脈沖發(fā)射電路工作原理及模態(tài)分析

本文提出的多激勵源脈沖發(fā)射電路包含機(jī)載電路和線圈電路兩個部分，如圖3所示。機(jī)載電路由DC/DC升壓電路和諧振電容充電電路組成；線圈電路為多激勵源脈沖發(fā)射電路，兩部分電路相對距離為80 m，通過電力傳輸線進(jìn)行能量的輸送。由于直升機(jī)載重的限制和飛機(jī)操控的要求，需要電力傳輸線的線徑盡可能小，所以首先通過DC/DC升壓電路進(jìn)行高變比升壓，減小輸電電流，從而減小電力傳輸線線徑和重量[6-7]。諧振電容充電電路為全橋電路，采用PWM調(diào)制的方式控制儲能電容到諧振電容的充電速度和充電方向，以補(bǔ)充每次電流脈沖發(fā)射后的能量損失。

圖3 多激勵源脈沖發(fā)射電路Fig.3 Multi-excitation source pulse transmitting circuit

多激勵源脈沖調(diào)制電路通過對晶閘管和IG?BT在不同的時間點(diǎn)進(jìn)行開通和關(guān)斷，控制諧振電容和發(fā)射線圈之間的能量流動，并且對發(fā)射線圈的能量進(jìn)行回收，調(diào)制生成半正弦波和梯形波的發(fā)射電流，完成電磁波的發(fā)射，下面對正半周期電流的發(fā)射進(jìn)行詳細(xì)的模態(tài)分析。

工作模態(tài)1（t0＜t≤ t2）：在t0時刻前，諧振電容Cres被充電至電壓Ures，充電電路斷開。此時開通T1和T4，使諧振電容Cres與發(fā)射線圈形成回路，發(fā)射半正弦電流波形，如圖4所示。

圖4 電路工作模態(tài)1Fig.4 Circuit operating mode 1

應(yīng)用KVL方程和電容的VCR得到：

電感電流表達(dá)式為

在本文中，Rres為諧振電容等效串聯(lián)電阻，Rcoil為發(fā)射線圈內(nèi)阻，發(fā)射線圈為采用高電導(dǎo)率的材料，所以滿足如下關(guān)系式：

發(fā)射電路初始條件如下：

由發(fā)射電路二階微分方程和初始條件，可以得到發(fā)射半正弦電流波形表達(dá)式：

由發(fā)射電流表達(dá)式可知，發(fā)射電流為峰值沿包絡(luò)線 y=vrese-δt/(ωLcoil)衰減的正弦波形，由于當(dāng)晶閘管流過電流為0時，晶閘管會自動關(guān)斷，所以第1個半正弦波即為發(fā)射電流，發(fā)射電流峰值在ωt=π/2時取得，發(fā)射電流峰值表達(dá)式為

工作模態(tài)2（t2＜t≤ t3）：當(dāng)發(fā)射半正弦波電流為0時，晶閘管T1和T4自動關(guān)斷，發(fā)射電路停止工作，由于發(fā)射電路存在內(nèi)阻（Rres+Rcoil），所以在發(fā)射過程中會有一部分電能轉(zhuǎn)化為熱能，產(chǎn)生電能損失，電能損失表達(dá)式如下式：

此時需要對諧振電容充電，以滿足負(fù)半周期電流的發(fā)射要求。前級儲能電容通過充電電路為諧振電容充電，當(dāng)滿足發(fā)射要求時停止充電，充電回路如圖5所示。

圖5 電路工作模態(tài)2Fig.5 Circuit operating mode 2

工作模態(tài)3（t3＜t≤ t4）：在t3時刻，諧振電容充電電壓已達(dá)到發(fā)射要求，此時進(jìn)行梯形波電流的發(fā)射，梯形波電流的發(fā)射分為3個階段：上升沿階段、續(xù)流階段和下降沿階段。上升沿階段的電流回路如圖6所示。

圖6 電路工作模態(tài)3Fig.6 Circuit operating mode 3

由于經(jīng)過發(fā)射線圈饋能后，諧振電容的極性發(fā)生了變化，此時不可以直接使諧振電容在發(fā)射線圈上放電，否則發(fā)射波形極性會相反。需要經(jīng)過由Qe1到Qe4組成的換向回路，使諧振電容對發(fā)射線圈反向放電，以保證發(fā)射梯形波極性的正確。由模態(tài)1可知，發(fā)射電流的表達(dá)式為

該梯形波上升沿即為正弦波上升波形的一部分，由于半正弦周期為4 ms，梯形波上升沿為0.1 ms，遠(yuǎn)低于半正弦周期，可以近似認(rèn)為梯形波上升沿是線性的。當(dāng)t=0.1 ms時，達(dá)到梯形波峰值，峰值表達(dá)式為

工作模態(tài)4（t4＜t≤ t5）：根據(jù)發(fā)射要求，當(dāng)梯形波達(dá)到峰值后，需要維持峰值電流1 ms，在t4時刻，關(guān)閉IGBT管Qe1和Qe4，開通IGBT管Qe6，此時線圈內(nèi)電流經(jīng)Qe6和De5形成閉合回路，由于發(fā)射線圈內(nèi)阻和IGBT導(dǎo)通電阻很低，所以發(fā)射電流近似維持不變，此時電流回路如圖7所示。

圖7 電路工作模態(tài)4Fig.7 Circuit operating mode 4

工作模態(tài)5（t5＜t≤ t6）：在 t5時刻，關(guān)閉 IGBT管Qe6，開通晶閘管T1和T4，發(fā)射線圈電流經(jīng)T1和T4向諧振電容進(jìn)行饋能，當(dāng)線圈電流降為0時，電流回路自然關(guān)斷，等待負(fù)半周期發(fā)射波形的發(fā)射，發(fā)射回路如圖8所示。

圖8 電路工作模態(tài)5Fig.8 Circuit operating mode 5

由于發(fā)射負(fù)半周期電流時電路工作模態(tài)與正半周期相似，電流極性相反，在此便不再贅述。

3 多激勵源脈沖發(fā)射電路仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文提出的多激勵源脈沖發(fā)射電路的有效性，在軟件Simulink中搭建了發(fā)射機(jī)的DC/DC升壓電路、諧振電容充電電路、多激勵源脈沖發(fā)射電路等進(jìn)行仿真驗(yàn)證。仿真電路的主要元件參數(shù)如下：輸入電壓Vin=28 V，輸入電流Iin=100 A，儲能電容Cstore=20 mF，諧振電容Cres=2 mF，發(fā)射線圈電感Lcoil=800 μH，發(fā)射線圈內(nèi)阻Rcoil=28 mΩ，發(fā)射基頻fbase=25 Hz，半正弦波電流峰值Ipeak=800 A，梯形波電流峰值Itrap=70 A。圖9為發(fā)射線圈電流仿真波形，發(fā)射半正弦波最大電流峰值為800 A，發(fā)射梯形波最大電流峰值為70 A，發(fā)射電流峰值和時序與設(shè)計(jì)要求吻合。圖10為諧振電容電壓仿真波形，諧振電容電壓最大為570 V，在每次發(fā)射完成后電壓值降為500 V，通過諧振電容充電電路將電壓充到570 V，進(jìn)行下一次發(fā)射。

圖9 發(fā)射電流仿真圖Fig.9 Emission current simulation diagram

圖10 諧振電容電壓仿真圖Fig.10 Resonant capacitor voltage simulation diagram

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文提出的電路拓?fù)?，搭建了直升機(jī)瞬變電磁發(fā)射機(jī)電路，采用TI公司數(shù)字信號處理芯片DSP TMS320F28335作為主控制器，產(chǎn)生精準(zhǔn)的觸發(fā)脈沖，經(jīng)驅(qū)動電路驅(qū)動晶閘管和IG?BT，控制功率電路的電能轉(zhuǎn)換。圖11為搭建的原理樣機(jī)電路。

圖11 原理樣機(jī)電路Fig.11 Principle prototype circuit

圖12所示為示波器原理樣機(jī)的發(fā)射電流正半周期波形，半正弦波峰值電流800 A，半波周期為4 ms，梯形波峰值電流66 A，半波周期為1.2 ms，發(fā)射電流值和時序均滿足發(fā)射要求。

圖12 發(fā)射電流波形Fig.12 Emission current waveform

圖13中，通道2為諧振電容的電壓波形，通道3為諧振電容充電電流波形，通道4為前級母線電壓。諧振電壓初始電壓值約為570 V，每次電流發(fā)射后電壓值降為500 V左右，隨后經(jīng)諧振電容充電電路充電，達(dá)到570 V后，進(jìn)行下一次波形的發(fā)射。

圖13 諧振電容電壓、充電電流波形Fig.13 Waveforms of resonant capacitor voltage and charging current

5 結(jié)論

本文針對直升機(jī)瞬變電磁發(fā)射機(jī)的電磁脈沖發(fā)射需求，提出了一種新型的多激勵源脈沖發(fā)射電路，將直升機(jī)搭載的28 V穩(wěn)壓直流電源通過DC/DC升壓電路、濾波電路、諧振電容充電電路以及多激勵源脈沖發(fā)射電路進(jìn)行電能轉(zhuǎn)換，調(diào)制生成基頻為25 Hz，由半正弦波和梯形波組成的組合脈沖發(fā)射電路，同時滿足了直升機(jī)瞬變電磁探測系統(tǒng)針對深部資源和淺部資源的發(fā)射電流脈沖要求。

本文對該電路進(jìn)行了詳細(xì)的模態(tài)分析，通過仿真驗(yàn)證了該電路拓?fù)涞挠行?，并給出了關(guān)鍵元件參數(shù)，最后搭建了原理樣機(jī)電路，通過實(shí)驗(yàn)波形驗(yàn)證電路的功能。