巫慶輝 顧 鑫 唐 康 侯利民

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)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(chǎng)，在一次脈沖磁場(chǎng)間歇期間利用線圈或接地電極觀測(cè)地下介質(zhì)中引起的二次感應(yīng)渦流場(chǎng)，通過(guò)對(duì)二次場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，來(lái)確定地下未知目標(biāo)[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(diǎn)，探測(cè)波形也不是理想的電流方波，理想的電流方波對(duì)地下目標(biāo)體有更好的激發(fā)效果[2]。實(shí)際上，探測(cè)波形多為梯形波，作為整個(gè)探測(cè)過(guò)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(huì)對(duì)接受信號(hào)有所干擾，電流關(guān)斷部分也會(huì)對(duì)早期感應(yīng)場(chǎng)信號(hào)的收集產(chǎn)生影響，從而產(chǎn)生探測(cè)盲區(qū)[3]，其中，如果恒流段的斜率不近似為，就會(huì)產(chǎn)生二次場(chǎng)從而會(huì)與發(fā)射電流下降段的感應(yīng)場(chǎng)混合在一起，對(duì)接收信號(hào)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(shí)間盡可能短[6]，這樣整個(gè)系統(tǒng)的探測(cè)能力就越好。為了獲得更為理想的探測(cè)波形，文獻(xiàn)[7]指出固定線圈所具有的恒定電感量和電阻值，可通過(guò)增加負(fù)載兩端電壓U來(lái)減小線圈中電流的關(guān)斷時(shí)間；文獻(xiàn)[8-10]提出了一種直接在負(fù)載兩端并聯(lián)雙向(Transient voltage suppression,TVS)管的無(wú)源恒壓鉗位方法，雖然在一定程度上減小了關(guān)斷時(shí)間，但TVS 管的通流容量較小，不能長(zhǎng)期承受重復(fù)性的高能量脈沖，僅適用于小功率應(yīng)用；文獻(xiàn)[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(méi)達(dá)到理想的梯形波。文獻(xiàn)[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(guò)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(yàn)，在PWM 斬波控制的基礎(chǔ)上，通過(guò)控制MOSFET 的關(guān)斷時(shí)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(shè)計(jì)

發(fā)射系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)框架如圖1 所示，主要由發(fā)射橋路、驅(qū)動(dòng)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(gè)開(kāi)關(guān)管組成，四個(gè)開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)順序由PWM 信號(hào)控制從而使發(fā)射電流恒流段斜率近似為0。PWM 信號(hào)也對(duì)可控電阻電路有所控制，通過(guò)改變發(fā)射線圈的阻值進(jìn)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(guò)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(shè)計(jì)與控制

3.1 PWM 控制技術(shù)

本文通過(guò)STM32 單片機(jī)中的定時(shí)器產(chǎn)生PWM波形，在設(shè)計(jì)PWM 占空比時(shí)存在一個(gè)問(wèn)題，當(dāng)占空比為理想狀態(tài)下的50%時(shí)，發(fā)射波形的恒流段并不是所預(yù)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(dāng)占空比較大時(shí)會(huì)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(yù)期波形，對(duì)占空比的調(diào)制十分關(guān)鍵。

圖2 預(yù)期恒流段波形仿真圖

圖3 占空比較低時(shí)恒流段波形仿真圖

圖4 占空比過(guò)大時(shí)恒流段波形仿真圖

通過(guò)對(duì)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(huì)相對(duì)減少，從而減少ΔI，當(dāng)電流達(dá)到最大值時(shí)，電感兩端的電壓也最小，設(shè)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間為t1，關(guān)斷時(shí)間為t2，顯然ΔI1<ΔI2。

3.2 恒壓鉗位控制電路

通過(guò)PWM 斬波的控制可以控制開(kāi)關(guān)管的關(guān)斷時(shí)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(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到要求，通過(guò)文獻(xiàn)[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(shí)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(chǔ)上，結(jié)合第3.1 節(jié)對(duì)發(fā)射電阻和發(fā)射電感兩端電壓的分析，設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的主清掃器由陶瓷刮刀、安裝板以及安裝調(diào)節(jié)機(jī)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(jìn)后的發(fā)射電路圖

開(kāi)關(guān)導(dǎo)通的時(shí)間如圖7 所示，T為發(fā)射電路工作的一個(gè)周期。發(fā)射電路的工作原理如下所述。

圖7 開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)序圖

(1) 在0～T/4期間內(nèi)，開(kāi)關(guān)管除了Q6全部關(guān)斷，發(fā)射電路無(wú)動(dòng)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(dǎo)通，剩下的開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，電流經(jīng)過(guò)D1、Q1、R1、R5、L2、Q4，電路工作模態(tài)如圖8 所示。此時(shí)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(dá)到預(yù)期值I0，此時(shí)電源直接加在AB 兩端，故UAB=E，而發(fā)射電流可以通過(guò)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(kāi)通時(shí)，Q6、Q7關(guān)斷，此時(shí)R5、R6不工作，電源E與D1、Q1、R1、L2、Q4組成回路，此時(shí)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(dá)到的峰值要小于傳統(tǒng)的恒壓鉗位發(fā)射電路，從而達(dá)到減小紋波幅值的效果；在Q1、Q4關(guān)斷時(shí)，Q6、Q7開(kāi)通，電源E、D1、Q2、L2、Q3和R1、R5、R6三個(gè)電阻組成續(xù)流回路，電路工作模態(tài)如圖10 所示，此時(shí)R1、R5、R6三個(gè)電阻并聯(lián)，此時(shí)線路電阻達(dá)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(kāi)通時(shí)間要大于關(guān)斷時(shí)間，所以電流下降值和Q1、Q4開(kāi)通時(shí)電流上升值達(dá)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(dá)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(dǎo)通時(shí)電路工作模態(tài)圖

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

(4) 在T/2～t2期間內(nèi)，D2和Q6導(dǎo)通，其余開(kāi)關(guān)管全部關(guān)斷，線路電阻為步驟(2)中的R，此時(shí)R1和L2通過(guò)Q2、Q3、C2、Q5構(gòu)成回路，發(fā)射電流在鉗位電路的作用下達(dá)到快速下降的目的，電路工作模態(tài)如圖11 所示。在這個(gè)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(yuǎn)大于關(guān)斷的瞬時(shí)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(jī)開(kāi)始工作時(shí)，負(fù)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(guò)電阻R2和R3的分壓得到，鉗位電容C2通過(guò)電位比較器的控制并通過(guò)Q5的關(guān)斷，釋放多余的能量，從而保持電壓穩(wěn)定。當(dāng)C2電壓超過(guò)預(yù)設(shè)值URef1時(shí)，電位比較器輸出高電平從而使Q5導(dǎo)通，C2多余的能量通過(guò)饋能電感L3回饋給電源，直到C2電壓小于URef1時(shí)，Q5關(guān)斷，此時(shí)鉗位饋能環(huán)節(jié)結(jié)束并等待C2電壓再一次超過(guò)URef1，從而進(jìn)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(fù)半周期，主要圍繞Q2和Q3的開(kāi)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(shè)計(jì)與仿真結(jié)果

4.1 發(fā)射電路的參數(shù)設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)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(shè)為70%，根據(jù)設(shè)計(jì)要求電流上升段線路等效電阻需要達(dá)到0.443 ?，高頻斬波期間，開(kāi)關(guān)導(dǎo)通段線路電阻應(yīng)大于電流上升段，開(kāi)關(guān)關(guān)斷期間線路電阻應(yīng)小于電流上升段，故本文將仿真中三個(gè)發(fā)射等效電阻的阻值設(shè)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(shí)物設(shè)計(jì)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(shí)間Δt為

從式(5)可以看出，鉗位電壓EC越大，電流的關(guān)斷時(shí)間越短，考慮到設(shè)計(jì)要求和實(shí)際情況，本文的鉗位電壓EC設(shè)為100 V，鉗位電容C2=1 000 μF。通過(guò)計(jì)算理想狀態(tài)下電流的關(guān)斷時(shí)間為9.58 μs。通過(guò)式(4)對(duì)t求導(dǎo)，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(lái)說(shuō)γ越接近1，線性度就越高，當(dāng)鉗位電壓EC越高時(shí)，Δt越小，γ越接近1，線性度也越好，將本文設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的發(fā)射電路在理想的狀態(tài)下電流關(guān)斷時(shí)間為9.575 μs，和預(yù)期的關(guān)斷時(shí)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(shí)發(fā)射電流關(guān)斷區(qū)間圖，其關(guān)斷時(shí)間為33.613 μs，圖16 是鉗位電壓為50 V 時(shí)發(fā)射電流關(guān)斷區(qū)間圖，其關(guān)斷時(shí)間為18.571 μs。本文設(shè)計(jì)的鉗位電壓為100 V，其仿真結(jié)果的關(guān)斷時(shí)間為9.575 μs，將三者相比，很明顯鉗位電壓越高，關(guān)斷時(shí)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(shí)間，從而減少關(guān)斷期間拖尾電流對(duì)采集的數(shù)據(jù)造成失真的影響，對(duì)后期的數(shù)據(jù)處理造成不利的影響[15-16]，符合設(shè)計(jì)理念并且滿足理論支持。

圖15 鉗位電壓為0 V 時(shí)發(fā)射電流關(guān)斷區(qū)間圖

圖16 鉗位電壓為50 V 時(shí)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(wú)法看出本次設(shè)計(jì)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(jìn)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(dá)到了15.71 A 左右，而本次改進(jìn)后的發(fā)射電流峰值達(dá)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(duì)后續(xù)接收信號(hào)的干擾，達(dá)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(jìn)后發(fā)射電路恒流段局部放大波形圖

5 試驗(yàn)結(jié)果

本文主控電路的芯片采用STM32F103 單片機(jī)，控制并輸出本次設(shè)計(jì)所需要的PWM 驅(qū)動(dòng)信號(hào)，其中包括發(fā)射電路主橋路的四個(gè)開(kāi)關(guān)管和本文新增的兩個(gè)控制電阻線路關(guān)斷的開(kāi)關(guān)管。根據(jù)設(shè)計(jì)需求、計(jì)算過(guò)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(shí)為15 A，鉗位電壓控制在100 V，圖19 為發(fā)射主橋路實(shí)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(shí)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(shí)間大約為13 μs，也與9.58 μs 的設(shè)計(jì)結(jié)果十分接近，滿足設(shè)計(jì)結(jié)果。

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，改進(jìn)后的發(fā)射電路在經(jīng)過(guò)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(dá)到了本次改進(jìn)的目的，并且通過(guò)恒壓鉗位電路的控制，電流的關(guān)斷速度也能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。使用PWM 高頻斬波的控制方式，與文獻(xiàn)[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(jìn)后的電路，也通過(guò)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(shí)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(dá)到了本次設(shè)計(jì)的目的。本次設(shè)計(jì)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(cè)工作提供了一種電流快速下降的思路，從而達(dá)到更加精準(zhǔn)的探測(cè)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(shì)，大大降低了發(fā)射電流對(duì)接收信號(hào)的干擾以便接收機(jī)能接收到更好的二次場(chǎng)信號(hào)，使探測(cè)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(huì)帶來(lái)紋波的影響，本文基于這一點(diǎn)對(duì)發(fā)射電路拓?fù)溥M(jìn)行了改進(jìn)，即增加兩個(gè)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(jìn)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(shí)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(shí)間越短，發(fā)射電流的下降沿線性度也會(huì)越高，有利于探測(cè)效果，具體的鉗位電壓值設(shè)計(jì)需要根據(jù)不同的設(shè)計(jì)需求來(lái)設(shè)定。

(4) PWM 高頻斬波控制、饋能型恒壓鉗位控制與本文的改進(jìn)電路三者結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了一種新型的瞬變電磁發(fā)射電路，并通過(guò)仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)的合理性。

(5) 本文增加的兩個(gè)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(cè)效果。