【正文】 圖 峰值檢測(cè)電路測(cè)試結(jié)果 主控單元 硬件部分 設(shè)計(jì) 12348U1ALM393V+1OFT2IN3V4OUT5Ch6REF7LOG8U2LF398VCCGNDVCCVSSC1GNDR180MR2INOUT第 3 。 圖 峰值檢測(cè)電路原理圖 以信號(hào)發(fā)生器為信號(hào)源的測(cè)試結(jié)果如圖 。上電后電流互感器輸出的模擬信號(hào)接入峰值檢測(cè)電路，通過(guò)采樣保持并與輸入端信號(hào)比較得到一個(gè)與峰值大小相等的直流電平。 峰值電流采集記錄單元的整體框圖如圖 所示。 電流采集記錄單元設(shè)計(jì) 峰值 電流采集記錄單元應(yīng)該具有以下功能： 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中 能 夠采集并顯示當(dāng)前發(fā)射電流的峰值 和時(shí)間、 能夠 實(shí)時(shí) 記錄電流突變前后的值和相應(yīng)的時(shí)間點(diǎn) 、 實(shí)驗(yàn)完成后能夠顯示出實(shí)驗(yàn)過(guò)程中電流 變化 前后的值和相應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)。 針對(duì) 上述兩個(gè) 問(wèn)題，本文提出了 解決 相應(yīng) 問(wèn)題的 發(fā)射系統(tǒng) 輔助 功能 單元 的設(shè)計(jì)。 發(fā)射 電流的突變會(huì)對(duì)后續(xù)的數(shù)據(jù)處理帶來(lái)不可預(yù)知的 不良 影響，甚至使處理結(jié)果與實(shí)際情況完全不符，這就需要一個(gè) 能采集 記錄 峰值 電流 的 單元 ， 它能夠 實(shí)時(shí)記錄飛行過(guò)程中的 峰值 電流變化情況 和變化發(fā)生時(shí)的時(shí)間 。 設(shè)計(jì)并仿真了 主控單元 控制時(shí)序發(fā)生電路 ，設(shè)計(jì)了 大功率晶閘管驅(qū)動(dòng)電路，最終設(shè)計(jì)完成了控制驅(qū)動(dòng)電路的 PCB板，并得到相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出。 Z1Q1TIP122D2550R1T1Trans D3LED30R330R4100 R5100 R6550R2Q2TIP122D1T2Trans D4LEDD6D5GNDGNDOUT1OUT2+24V+24V+24VK1G1K2G2第 2 章 功率發(fā)射機(jī)電路關(guān)鍵技術(shù)研究 26 圖 輸出脈沖頻率 25Hz 圖 輸出脈沖頻率 75Hz 圖 輸出脈沖頻率 125Hz 第 2 章 功率發(fā)射機(jī)電路關(guān)鍵技術(shù)研究 27 本章總結(jié) 本章工作主要完成了功率發(fā)射電路方案選擇 并 應(yīng)用 Matlab 完成 了相應(yīng)方案的 電路原理仿真。 圖 控制驅(qū)動(dòng)電路 PCB 板實(shí)物 電路板所用電源為 24V 直流電源，通過(guò) TEKTRONIX 公司生產(chǎn)的 TDS2022B 系列數(shù)字式存儲(chǔ)示波器 測(cè)試 控制驅(qū)動(dòng)板輸出脈沖信號(hào) 波形。 第 2 章 功率發(fā)射機(jī)電路關(guān)鍵技術(shù)研究 25 圖 驅(qū)動(dòng)電路硬件原理圖 控制驅(qū)動(dòng)電路 PCB 測(cè)試 用印制電路板制造的電子產(chǎn)品具有可靠性高 、 一致性好 、 機(jī)械強(qiáng)度高、重量輕、體積小、易于標(biāo)準(zhǔn)化等優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)采用脈沖變壓器耦合連接將控制電路與功率電路隔離開(kāi)。 其三，脈沖 變壓器耦合連接 。 其二，光耦合器連接 。其一，直接連接 。根據(jù)要求本設(shè)計(jì)需要產(chǎn)生的觸發(fā)信號(hào)應(yīng)為強(qiáng)觸發(fā)脈沖，前沿陡，有一定脈寬。第一，觸發(fā)信號(hào)可為直流、交流和脈沖電壓。觸發(fā) 脈沖決定每個(gè)晶閘管的導(dǎo)通時(shí)刻，是晶閘管變流裝置中不可缺少的一個(gè)重要組成部分。 圖 控制電路原理仿真 圖 控制電路仿真結(jié)果 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 驅(qū)動(dòng)電路的要求 驅(qū)動(dòng)電路主要 完成 大功率器件的開(kāi)通和關(guān)斷，以及電路的強(qiáng)弱電隔離。仿真過(guò)程中， 將 Proteus中的 電路 原理圖作為實(shí)際 電路板使用 ，而 后在 Keil C 集成環(huán)境 中編制程序 實(shí)現(xiàn)對(duì) 電路 板的控制， 這種仿真方式 與通過(guò)硬件仿真器對(duì) 電路 板的調(diào)試 具有相同的效果 。主程序流程如圖 ，兩個(gè)中斷 子程序流程如圖 。OUT2=0。i=5000。所以在延時(shí)“去抖”程序執(zhí)行時(shí)應(yīng)保證單片機(jī) I\O端口輸出低電平。頻率的轉(zhuǎn)換 通過(guò)每次按鍵進(jìn)入 外部中斷按鍵調(diào)頻子程序Vss1Vdd2Vee3RS4RW5E6D07D18D29D310D411D612D713D714X1 LCD1602VCCGND10KR10D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 +24VGNDVCC47uFC1IN1GND2OUT3*78L051G1A121Y118A241Y216A361Y314A481Y4122G19B1112Y19B2132Y27B3152Y35B4172Y43U274F244GNDOUT1OUT2第 2 章 功率發(fā)射機(jī)電路關(guān)鍵技術(shù)研究 22 后將設(shè)置的標(biāo)志位加 1，返回后通過(guò)在定時(shí)器中斷子程序中改變定時(shí)器初值實(shí)現(xiàn) ，頻率 顯示 功能也 在定時(shí)器中斷程序中 完成 ，定時(shí)器中斷 工作過(guò)程是 通過(guò)循環(huán)設(shè)置定時(shí)器初值實(shí)現(xiàn)。 圖 液晶電路圖 電源電路 圖 緩沖電路 軟件設(shè)計(jì) 軟件部分主要完成時(shí)序的產(chǎn)生 以及數(shù)據(jù)和控制信號(hào)的傳輸功能。 液 晶 顯 示時(shí) 序 信 號(hào) 輸 出單 片 機(jī) 控 制 核 心頻 率 選 擇 按 鍵圖 控制時(shí)序發(fā)生單元框圖 硬件設(shè)計(jì) 本 文 采用 51系列單片機(jī) AT89S52為控制核心 [21]，如圖 小系統(tǒng)， 圖 中包括 按鍵 S2 復(fù)位電路；三種頻率 的輸出時(shí)序信號(hào) 之間的轉(zhuǎn)換 是 通第 2 章 功率發(fā)射機(jī)電路關(guān)鍵技術(shù)研究 21 過(guò)按鍵 S1觸發(fā)單片機(jī)外部中斷 的方式完成 的， 其 按鍵 電路 原理 如圖 所示 。 其二：采用可編程器件通過(guò)軟件編制實(shí)現(xiàn)時(shí)序 控制 信號(hào)的產(chǎn)生，其中單片機(jī)具有技術(shù)成熟、抗干擾能力強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)，基本思路是通過(guò)軟件延時(shí)與單片機(jī)自 帶定時(shí)器控制時(shí)序邏輯，同時(shí)單片機(jī)具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性，同時(shí)可以增加按鍵和液晶顯示實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能。 結(jié)合圖 ，主控單元的 控制 時(shí)序發(fā)生 電路應(yīng)能夠 產(chǎn)生 三種頻率的兩路脈沖信號(hào)，每路脈沖信號(hào)頻率分別為 25Hz、 75Hz、 125Hz， 相位相差半個(gè)周期， 每個(gè) 信號(hào)的上升沿對(duì)應(yīng)晶閘管的開(kāi)通時(shí)刻，三種頻率的 兩路信號(hào)合成時(shí)序分別如圖 、 b、 c所示 ，圖 中的兩路脈沖信號(hào)分別是黑色填充脈沖和白色填充脈沖。 發(fā)射 線圈 組裝完成后的實(shí)物 如圖 。諧振線圈全部制作 并組裝 完成后 需要 測(cè)量其 等效電阻和電感 參數(shù)，利用 TENMARS 公司生產(chǎn)的 的等效 電阻，利用電橋測(cè)量線圈電感。 由于 制作線圈所購(gòu)置的鋁管材料只有 6m 長(zhǎng)， 要組成周長(zhǎng)約為 25 米的圓， 需要通過(guò)將 五根 鋁管經(jīng)彎管加工 切除多余部分 后連接成為一個(gè)完整的線圈。C 125 1271 A ITSM 通態(tài)不重復(fù)浪涌電流 10ms底寬 , 正弦半波 , VR= 125 13 KA IGT 門極觸發(fā)電流 VA=12V, IA=1A 25 40 300 mA VGT 門極觸發(fā)電壓 V IH 導(dǎo)通 維持 電流 20 250 mA 第 2 章 功率發(fā)射機(jī)電路關(guān)鍵技術(shù)研究 18 諧振線圈的 實(shí)現(xiàn) 本文發(fā)射線圈的制作主要參照國(guó)外資料，并通過(guò)文獻(xiàn) [9]所提供的計(jì)算 方法和計(jì)算 公式 得到 線圈各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行制作， 對(duì)于發(fā)射線圈的材料的選擇，銅材和鋁材主要從重量、導(dǎo)電性、經(jīng)濟(jì)型三個(gè)方面綜合比較選擇了鋁制管制作發(fā)射線圈。C 125 1000 A IT(AV) 通態(tài)平均電流 180176。 C) 參數(shù)值 單位 最小 典型 最大 IT(AV) 通態(tài)平均電流 180176。 同時(shí)考慮晶閘管裕量和晶閘管的工作狀態(tài)，在選擇晶閘管通態(tài)平均電流值參數(shù)時(shí)取其計(jì)算值的 ，即取通態(tài)平均電流約為 大于 1194A的 參數(shù)的晶閘管即可滿足要求。通態(tài)平均電流計(jì)算公式如下： 第 2 章 功率發(fā)射機(jī)電路關(guān)鍵技術(shù)研究 17 m( ) m m 0 m01 1 1s in ( c o s ) | 22 2 2T A V II I d I I? ?? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ?? ??（ ） 峰值電流 m 2500IA? ，所以通態(tài)平均電流 ()796T AVIA? 。根據(jù)項(xiàng)目指標(biāo)要求諧振線圈峰值電流達(dá)到 2500A，半正弦電流波形脈寬為 4ms， 主要利用 這兩 項(xiàng) 指標(biāo)選擇晶閘管的參數(shù)。 UC 1T 1T 2RCLC 2++驅(qū) 動(dòng)信 號(hào)驅(qū) 動(dòng)信 號(hào) 圖 發(fā)射電路原理圖 圖中 C1， C2 為無(wú)功補(bǔ)償電解電容， U 為直流穩(wěn)壓電源。 我們從功率的角度分析這個(gè)問(wèn)題，當(dāng)發(fā)射機(jī)正常工作時(shí)，發(fā)射線圈流過(guò)峰值為 2500A的正弦半波電流，仿真結(jié)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(fā)射機(jī)電源 提供的視在功率為： c os si nmmS U I U tI t? ? ? ?????????（ ） 將 mU =500V， mI =2500A帶入 并 求取極值 ，當(dāng) cos t? =sint? 時(shí) 得到 發(fā)射第 2 章 功率發(fā)射機(jī)電路關(guān)鍵技術(shù)研究 16 機(jī)最大視在功率 mS =625KVA， 而實(shí)驗(yàn)提供的直流穩(wěn)壓電源為 6KW，這樣發(fā)射機(jī)工作在最大視在功率 點(diǎn) 時(shí)，電源需要提供 瞬時(shí)無(wú)功功率為 。 功率發(fā)射電路電源設(shè)計(jì) 上述串聯(lián)諧振方案的仿真是在理想電源的情況下實(shí)現(xiàn)的 ，也就是不考慮電源輸出電流對(duì)發(fā)射電路的影響 [20]。 同時(shí)要求 IGBT有很快的開(kāi)關(guān)頻率，這樣的 IGBT非常的昂貴 ，為了減少損耗使 IGBT有較好的開(kāi)關(guān)環(huán)境需要的附加電路也很復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難。 仿真結(jié)果顯示該方案可以較好的實(shí)現(xiàn)課題要求的發(fā)射電流指標(biāo)參數(shù)，包括峰值電流的大小、正弦半波的脈寬、以及發(fā)射電流頻率，而且波形形狀較為平滑，電路的結(jié)構(gòu)也比較簡(jiǎn)單。 主要 測(cè)量的參數(shù)為 串聯(lián)支路 電感線圈中電流的波形和電容電壓波形。 利用 Matlab軟件 Simulink模塊 仿真，每個(gè)器件均采用理想模型，仿真原理如圖 。該電路的工作過(guò)程分為兩個(gè)階段，諧振建立階段：晶閘管 T1開(kāi)通， U T RLC串聯(lián)支路構(gòu)成回路，電容 C正向充電電壓緩慢增加，電感 L中電流逐漸變大，當(dāng)電容電壓與 U1的電壓值相等時(shí)，電容不再?gòu)碾娫次漳芰?，這時(shí)電感中還存在正向流動(dòng)的電流，電容依然處于充電狀態(tài)，當(dāng)電感中的能量全部轉(zhuǎn)移到電容中時(shí)（電壓波形大致為余弦半波），電感中的電流過(guò)零（電流波形大致為正弦半波）， T1自動(dòng)關(guān)斷，此時(shí)電容電壓值 為 2U，電阻流過(guò)的正弦第 2 章 功率發(fā)射機(jī)電路關(guān)鍵技術(shù)研究 13 半波電流將消耗一部分電源能量，圖 支路電感和電阻的電流波形以及電容的電壓波形 ； 16ms后晶閘管 T2 開(kāi)通， UT RLC支路構(gòu)成回路，電容反向充電，電容在上一個(gè)階段存儲(chǔ)的能量全部轉(zhuǎn)移到電感中去，這時(shí)電容電壓為零、電感電流持續(xù)上升，電源 U2繼續(xù)給電容反向充電，當(dāng)電容電壓與 U2相等時(shí) U2不再給電容充電，而由電感中的電流持續(xù)給電容反向充電，電感中的能量全部轉(zhuǎn)移到電容中， 此時(shí)電容電壓值為 3U， 電感電流過(guò)零 T2自動(dòng)關(guān)斷， 電阻同樣會(huì)消耗一部分電源能量，圖 產(chǎn)生的過(guò)程和串聯(lián)支路各器件波形，再過(guò) 16ms 晶閘管 T1再次開(kāi)通， 這樣周而復(fù)始直到諧振穩(wěn)定階段。 對(duì)于功率開(kāi)關(guān)器件，我們可以選擇全控器件 IGBT和 MOSFET、半控器件晶閘管等，分析圖 ，并結(jié)合每種可控器件的控制特性，該方案選擇晶閘管作為開(kāi)關(guān)器件，因?yàn)榫чl管具有這樣的特性：可以人為控制它的開(kāi)通，但是只有晶閘管中流過(guò)的電流過(guò)零的時(shí)候才能使晶閘管關(guān)斷，這種特性與所需電流波形的特點(diǎn)不謀而合，電路原理如圖 （規(guī)定圖中所示箭頭方向?yàn)閰⒖颊较颍?。同樣，我們可以縮短RLC 支路斷開(kāi)時(shí)間，得到 75Hz 和 125Hz 的半正弦信號(hào)，當(dāng)達(dá)到 125Hz 時(shí)支路斷開(kāi)時(shí)間應(yīng)該等于零。要產(chǎn)生課題需求的 頻率為 25Hz 的 半正弦波形，我們需要做這樣的工作：把一個(gè)頻率為 125Hz 的周期正弦交流信號(hào)在前半周期過(guò)零時(shí)將 RLC 支路斷開(kāi) 16ms， 得到了周期為 40ms的新的半正弦信號(hào)（頻率為 25Hz）， 變換過(guò)程如圖 。 圖 SPWM 方式發(fā)射電路仿真結(jié)果 Conn2Conn3Conn1吸收電路 4Conn2Conn3Conn1吸收電路 3Conn1Conn2Conn3吸收電路 2Conn1Conn2Conn3 吸收電路 1示波器 6示波器 5示波器 4示波器 3示波器 2示波器 1Out 1Out 2驅(qū)動(dòng)信號(hào)負(fù)載線圈C o n t i n u o u sp o w e r g u iv+V o l t a g e