串聯諧振式航空電磁法發射機關鍵技術研究畢業論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 的角度分析這個問題，當發射機正常工作時，發射線圈流過峰值為2500A的正弦半波電流，仿真結果顯示支路電容電壓波形為峰值500V的余弦半波，所以支路電感電壓波形也同樣是峰值500V的余弦半波，那么發射機電源提供的視在功率為：……………………（）將=500V，=，當=時得到發射機最大視在功率=625KVA，而實驗提供的直流穩壓電源為6KW，這樣發射機工作在最大視在功率點時。以上分析說明要達到峰值2500A的發射電流，需要使用電容進行無功補償，使用的電容容量不應太大也不能太小，具體計算如下：根據課題要求發射電流指標，發射線圈電感電流要在2ms之內變化2500A，而電源電壓允許變化值不超過10V，所以根據公式………………………………（）………………………………（）兩式中Q均為電容電荷量，將I=2500A，t=2ms，U==500000μF，本文設計采用大容量電解電容作為無功補償電容。 發射電路原理圖圖中C1，C2為無功補償電解電容，U為直流穩壓電源。 功率器件的選型由前述本設計采用串聯諧振電路方案實現大電流發射，功率器件選擇大功率晶閘管[122]。根據項目指標要求諧振線圈峰值電流達到2500A，半正弦電流波形脈寬為4ms，主要利用這兩項指標選擇晶閘管的參數。晶閘管參數在選擇時主要需要考慮通態平均電流、通態方均根電流值。通態平均電流計算公式如下：……（）峰值電流，所以通態平均電流。通態方均根電流計算公式如下：………()。同時考慮晶閘管裕量和晶閘管的工作狀態，即取通態平均電流約為大于1194A的參數的晶閘管即可滿足要求。本設計選用的晶閘管是襄樊臺基半導體有限公司生產的Y45KPE系列產品，： 晶閘管Y45KPE部分參數符號參數測試條件結溫Tj(176。C)參數值單位最小典型最大IT(AV)通態平均電流180176。正弦半波, 50Hz雙面散熱, Ths=75176。C1251000AIT(AV)通態平均電流180176。正弦半波, 50Hz雙面散熱, Ths=55176。C1251271AITSM通態不重復浪涌電流10ms底寬, 正弦半波,VR=12513KAIGT門極觸發電流VA=12V, IA=1A2540300mAVGT門極觸發電壓VIH導通維持電流20250mA 諧振線圈的實現本文發射線圈的制作主要參照國外資料，并通過文獻[9]所提供的計算方法和計算公式得到線圈各項參數進行制作，對于發射線圈的材料的選擇，銅材和鋁材主要從重量、導電性、經濟型三個方面綜合比較選擇了鋁制管制作發射線圈。根據計算參數要求制作4匝鋁管制線圈，尺寸要求：鋁管內徑30mm、外徑36mm，四匝線圈分為兩種規格，8m直徑線圈兩匝、四匝線圈分別制作完成后需將四匝線圈串聯留出兩個接頭，互相之間用特制塑料模具隔離開來。由于制作線圈所購置的鋁管材料只有6m長，要組成周長約為25米的圓，需要通過將五根鋁管經彎管加工切除多余部分后連接成為一個完整的線圈。每兩根鋁管之間用特制接頭連接并用通孔螺絲緊密固定，目的是能夠盡量增大接頭與鋁管的接觸面積，最大程度減少接觸電阻。諧振線圈全部制作并組裝完成后需要測量其等效電阻和電感參數，利用電橋測量線圈電感。電阻值，電感值。 特制接頭實物圖 諧振線圈實物 主控單元的設計與實現 概述根據課題要求發射線圈流通的電流為三種頻率的半正弦波形，本節主要研究主控單元設計與實現。，主控單元的控制時序發生電路應能夠產生三種頻率的兩路脈沖信號，每路脈沖信號頻率分別為25Hz、75Hz、125Hz，相位相差半個周期，每個信號的上升沿對應晶閘管的開通時刻，、b、c所示，圖中的兩路脈沖信號分別是黑色填充脈沖和白色填充脈沖。 三種頻率脈沖時序圖 方案選擇該時序發生電路有多種設計方案，主要分為兩類：其一，通過數字電路延時、定時等時序組合產生所需脈沖信號，其基本原理是利用電阻、電容的充放電延時特性以及電平比較器對充放電電壓檢測的功能，實現定時或延時，只需按需要靈活改變電阻、電容值大小，就可以取得在一定時間范圍振蕩脈沖信號輸出，實現這種功能的集成芯片通常稱為“單穩態觸發器” 。其二：采用可編程器件通過軟件編制實現時序控制信號的產生，其中單片機具有技術成熟、抗干擾能力強、經濟實用等優點，基本思路是通過軟件延時與單片機自帶定時器控制時序邏輯，同時單片機具有很強的可擴展性，同時可以增加按鍵和液晶顯示實現人機交互功能。本文將采用51單片機作為控制核心實現時序控制信號的產生[1217]。 控制時序發生單元框圖 硬件設計本文采用51系列單片機AT89S52為控制核心[21]，圖中包括按鍵S2復位電路；三種頻率的輸出時序信號之間的轉換是通過按鍵S1觸發單片機外部中斷的方式完成的。硬件電路中還包括實時顯示輸出脈沖信號頻率的液晶部分，液晶采用LCD1602，；電源采用常用的電源管理芯片78L05給單片機和74LS244提供5V直流電源，；由于單片機I\O口輸出TTL電平信號帶載能力比較弱，通常需要在信號輸出端增加一級緩沖電路用以提高單片機I\O口的帶載能力，本設計采用74LS244作為輸出級緩沖電路。 軟件設計軟件部分主要完成時序的產生以及數據和控制信號的傳輸功能。單片機開始工作后，首先初始化各子模塊，而后進入控制輸出脈沖信號的階段，這一階段由定時器中斷子程序完成。頻率的轉換通過每次按鍵進入外部中斷按鍵調頻子程序后將設置的標志位加1，返回后通過在定時器中斷子程序中改變定時器初值實現，頻率顯示功能也在定時器中斷程序中完成，定時器中斷工作過程是通過循環設置定時器初值實現。軟件編寫的關鍵環節，中斷入口的按鍵電路是在硬開關的環境下工作，按鍵操作進行后頻率轉換時單片機應首先執行按鍵延時“去抖”程序，在這個過程中單片機的輸入輸出端口為默認的輸出高電平，這個時候如果整體電路正在工作過程中，勢必會產生兩個晶閘管同時導通的狀態，這個時候電路相當于短路狀態，晶閘管有可能承受變化率過高的電流而導致損壞。所以在延時“去抖”程序執行時應保證單片機I\O端口輸出低電平。具體延時程序如下：for(i=0。i=5000。i++) {OUT1=0。OUT2=0。}其中OUTOUT2分別代表兩路的輸出時序信號。 主程序流程 控制電路仿真對控制電路的仿真可以給硬件電路的實際制作提供原理性的參考，同時可以實時進行軟件程序的調試，可配合Keil C軟件實現程序的聯合調試，它支持匯編語言和C語言的在線編程。仿真過程中，將Proteus中的電路原理圖作為實際電路板使用，而后在Keil C集成環境中編制程序實現對電路板的控制，這種仿真方式與通過硬件仿真器對電路板的調試具有相同的效果。，圖中給出的是方式2即125Hz的頻率點圖形。 驅動電路設計 驅動電路的要求驅動電路主要完成大功率器件的開通和關斷，以及電路的強弱電隔離。對于本設計中所用驅動只需考慮如何開通晶閘管，即在晶閘管的陽極加上正向電壓后，還必須在門極與陰極之間加上觸發電壓，晶閘管才能從關斷變為導通。觸發脈沖決定每個晶閘管的導通時刻，是晶閘管變流裝置中不可缺少的一個重要組成部分。對于驅動信號的要求。第一，觸發信號可為直流、交流和脈沖電壓。實際應用中，晶閘管觸發導通后，觸發信號就不再起控制作用了，為減小門極損耗，多采用脈沖觸發信號，而不采用直流或交流觸發信號；第二，觸發脈沖應有足夠的功率，觸發脈沖功率的大小是決定晶閘管元件能否可靠觸發的一個關鍵指標；第三，為了使元件在觸發導通后，陽極電流能迅速上升超過擎住電流而維持導通，觸發脈沖應有一定的寬度，脈沖的前沿應盡可能陡。根據要求本設計需要產生的觸發信號應為強觸發脈沖，前沿陡，有一定脈寬。驅動電路與晶閘管電路的連接方式可以分為三種。其一，直接連接。由于主電路電壓經常高于觸發電路的電壓，采用直接連接容易造成操作不安全，主電路又往往干擾觸發電路。其二，光耦合器連接。它是一種將電信號轉換為光信號，又將光信號轉換為電信號的半導體器件，具有可實現輸入輸出間電隔離，且絕緣性能好，抗干擾能力強的優點，但是單體驅動能力有限，還需要后續功率放大電路。其三，脈沖變壓器耦合連接。在導磁率較高的鐵磁材料上繞制的變壓器，能夠很好的把一次側的脈沖信號傳輸到二次繞組，二次繞組與晶閘管連接，電路與控制電路有良好的電氣絕緣，適合做大功率器件的驅動隔離。本設計采用脈沖變壓器耦合連接將控制電路與功率電路隔離開。 驅動電路的硬件設計本文所設計硬件電路采用分立元件構成，控制單元輸出信號OUTOUT2經過輸入電阻進入驅動單元，功放QQ2選用達林頓管TIP122，它起到放大時序信號電流的作用，穩壓管Z1用來穩定電源電壓，二極管DD2起到防止反接的保護作用，電阻RR4是限流電阻，變壓器TT2變比為1：1的脈沖變壓器，變壓器通過保護二極管連接到晶閘管觸發端，本節采用一對發光二極管指示脈沖輸出信號。 驅動電路硬件原理圖 控制驅動電路PCB測試用印制電路板制造的電子產品具有可靠性高、一致性好、機械強度高、重量輕、體積小、易于標準化等優點。驅動電路設計完成后，將控制電路與驅動電路組合并且制作了PCB電路板。 控制驅動電路PCB板實物電路板所用電源為24V直流電源，通過TEKTRONIX公司生產的TDS2012B系列數字式存儲示波器測試控制驅動板輸出脈沖信號波形。、由圖中結果可以看出，三種頻率的波形均滿足晶閘管驅動電路所要求的強脈沖輸出。 輸出脈沖頻率25Hz 本章工作主要完成了功率發射電路方案選擇并應用Matlab完成了相應方案的電路原理仿真。根據所選串聯諧振的發射方案研究了功率器件的選型，發射線圈的設計制作。設計并仿真了主控單元控制時序發生電路，設計了大功率晶閘管驅動電路，最終設計完成了控制驅動電路的PCB板，并得到相應的驅動信號輸出。第3章 電流采集記錄與過沖削弱關鍵技術研究第3章 電流采集記錄與過沖削弱關鍵技術研究 概述在直升機航空瞬變電磁勘察系統飛行過程中，無法直接觀測發射系統的發射電流是否有突變的情況發生。發射電流的突變會對后續的數據處理帶來不可預知的不良影響，甚至使處理結果與實際情況完全不符，這就需要一個能采集記錄峰值電流的單元，它能夠實時記錄飛行過程中的峰值電流變化情況和變化發生時的時間。感性發射線圈電流固有的在過零時的過沖也會干擾接收系統對于淺層瞬變電磁信號的分辨，從而影響瞬變電磁系統數據處理的精度。針對上述兩個問題，本文提出了解決相應問題的發射系統輔助功能單元的設計。本章將著重介紹峰值電流采集記錄單元和過沖削弱單元的設計原理和每個單元的工作過程，給出相應單元的電路原理圖和測試結果，最后結合上一章所述內容對整個弱電控制系統進行總結并整合到一起裝入機箱。 電流采集記錄單元設計峰值電流采集記錄單元應該具有以下功能：實