李根，張一鳴，崔龍飛，張棟，王旭紅

（北京工業(yè)大學信息學部，北京 100124）

航空電磁法是以飛機為運載工具的航空物探測量方法，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[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，直升機瞬變電磁（Helicopter Transient ElectroMagnetic，HTEM）系統(tǒng)采用直升機搭載電磁發(fā)射裝置與接收裝置，具有探測成本低、機動靈活、收發(fā)距小等優(yōu)點，現(xiàn)已成為航空物探測量技術(shù)發(fā)展的主流趨勢[15]。

目前，國內(nèi)外對直升機瞬變電磁系統(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 逆變電路拓撲結(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[9-11]對此種方法做出了詳細的介紹[15]，但在應(yīng)用此種控制技術(shù)時，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)射機的整體效率降低，并且高頻開關(guān)噪聲容易對接收信號產(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)諧振達到發(fā)射波形要求。文獻[13-14]中利用此原理設(shè)計了相應(yīng)的發(fā)射電路拓撲，實現(xiàn)了半正弦波電流的半周期發(fā)射[15]，但其電路拓撲中儲能電容組的體積和質(zhì)量過大，對直升機的空間及載重指標要求十分嚴格，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)射機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于HTEM 系統(tǒng)的大功率諧振式發(fā)射機工作原理如圖1 所示，強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。機艙上的控制單元主要由DSP 主控制器、采樣電路、保護電路、驅(qū)動電路、通信模塊、GPS 同步電路構(gòu)成，上位機作為指令輸入，發(fā)射機狀態(tài)輸出實現(xiàn)針對主控制器的遠程控制[15]。機艙下的發(fā)射電路從控制器由FPGA 主控，配合采樣電路、驅(qū)動電路以及通信模塊電路完成機艙下弱電系統(tǒng)的連接。

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

各部分的功能描述為：在發(fā)射機正常工作時，DSP 主控制器與上位機進行數(shù)據(jù)及指令交換[15]，采樣電路進行實時數(shù)據(jù)采集，內(nèi)部EPWM 模塊產(chǎn)生驅(qū)動波形控制電路拓撲前級DC-DC 升壓電路進行功率變換，機艙下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)定時序邏輯進行工作，驅(qū)動諧振電容充電電路對諧振電容進行能量補充，驅(qū)動發(fā)射電路中的晶閘管進行諧振發(fā)射，檢測諧振電容電壓時序，反饋DSP 主控正常信號以確保發(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)射電路中儲能電容組的質(zhì)量、體積較小，對儲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 基于時序邏輯的精準控制，儲能電容組可以向諧振電容回饋充能，達到在一個周期內(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，儲能電容組由機載電源經(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)射電路拓撲

圖2 中，C為儲能電容組。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。該電路一個發(fā)射周期中包含正向半正弦波發(fā)射、反向回饋、負向半正弦波發(fā)射、正向回饋四個階段，對發(fā)射電路的四個工作模態(tài)依次分析如下。

工作模態(tài)1（t0＜t＜t2）:t0時刻到t2時刻為發(fā)射周期中的正向回饋階段，其中，為了電路長時間安全可靠地工作，留取部分時間為充電死區(qū)階段。t1時刻到t2時刻，諧振電容充電電路開始工作，為了減小儲能電容組向諧振電容充電時的充電電流峰值，降低對電路中功率開關(guān)器件的沖擊，高頻開關(guān)管Q1、Q4以高頻斬波的形式對諧振電容充電，PWM 斬波頻率為10 kHz。t2時刻開關(guān)管關(guān)閉，充電結(jié)束，此時諧振電容Cr被充電至電壓vr，準備正向發(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時刻到t4時刻為發(fā)射周期中的正向發(fā)射階段，其中，t2時刻到t3時刻為充電死區(qū)階段。t3時刻打開正向晶閘管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，由于直升機瞬變電磁系統(tǒng)的發(fā)射線圈采用高電導率的材料，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線圈處發(fā)射電流的表達式：

由線圈處發(fā)射電流的表達式可知，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)射電路拓撲中，因為晶閘管的半控特性，即當晶閘管流過電流為0 時，晶閘管會自動關(guān)斷，所以在發(fā)射電流首個正弦波的半波處，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)射電流峰值表達式為：

工作模態(tài)3（t4＜t＜t6）：t4時刻到t6時刻為發(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)阻的損耗會有一定的電壓衰減，此時需要對諧振電容進行反向充電，以滿足半周期的負向發(fā)射電流指標要求。t5時刻到t6時刻，充電電路開始工作，原理類似工作模態(tài)1，儲能電容組經(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時刻到t8時刻為發(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)射電路建模仿真驗證

為了驗證大功率諧振式發(fā)射電路的有效性，在Simulink 軟件中搭建了原理樣機的電路總拓撲。仿真中主要元器件參數(shù)及發(fā)射頻率指標如表1 所示。

表1 主要元器件參數(shù)及發(fā)射頻率指標

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)果達到發(fā)射指標要求。

圖7 發(fā)射電流仿真圖

圖8 諧振電容電壓仿真圖

4 實驗驗證結(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，并對其進行了實驗測試與驗證。樣機控制電路部分采用Xilinx 公司Artix-7 系列FPGA 芯片與TI 公司數(shù)字信號處理芯片TMS320 F28335 組合控制的方式，完成了包括驅(qū)動波形生成、信號采集、通信發(fā)射等任務(wù)。

實驗采用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，測量實際發(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)射電流峰值和時序均滿足發(fā)射指標要求。諧振電容電壓峰峰值為1.09 kV，在電路諧振發(fā)射時諧振電容電壓換向，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)計了一種應(yīng)用于直升機瞬變電磁系統(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)，實現(xiàn)了電路周期性輸出大功率電流與對衰減能量的快速補充。針對發(fā)射電路模態(tài)進行了詳細地分析，并通過仿真驗證了電路拓撲的有效性，最終搭建原理樣機，實驗結(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)射機的功率密度。