CN113659553B - 一种有源可控波形的磁性源电磁发射机系统及控制方法 - Google Patents

一种有源可控波形的磁性源电磁发射机系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种有源可控波形的磁性源电磁发射机系统及控制方法，包括主控电路(2)产生开关信号并经驱动电路(3)隔离放大，提供通断时序；外部直流电源(1)，为升压boost电路(4)持续提供直流电压，并经降压buck电路(5)和全桥发射电路(6)在发射电流上升沿期间和平顶段期间为发射线圈(8)提供发射电流；在发射电流下降沿期间双二极管钳位电路(7)提供能量回馈通路，同时为发射线圈(8)提供高压钳位，将发射电流下降沿期间发射线圈回馈的能量存储在升压boost电路(4)的电容中；去过冲电路(9)在发射电流下降沿过零后为发射线圈(8)提供能量释放通路。本发明可实现发射线圈发射电流上升沿线性度可调与下降沿高速关断，发射线圈的发射能量能够回馈利用，减少能量消耗。

Description

一种有源可控波形的磁性源电磁发射机系统及控制方法
技术领域
本发明涉及一种有源可控波形的磁性源电磁发射机系统及控制方法，属于磁性源电磁发射机的技术领域。
背景技术
常用的矿产资源勘探手段主要有化探分析、物探以及遥感技术，其中物探方法主要借助于电磁波在大地中的传播机理对电性参数进行识别。根据电磁法工作方式不同，可以分为电性源瞬变电磁法和磁性源电磁法。瞬变电磁法(Time-domain electromagneticmethod，TEM)是一种常见的物探方法，因其横向分辨率高、低阻反应灵敏、探测深度深、抗干扰能力强等优点被广泛应用。
由于发展时间短、技术水平不足、以及其他相关因素的制约，磁性源电磁发射机的开发工作也出现了一些技术难题。目前磁性源大功率电磁发射机存在发射电流的平顶段纹波大、下降沿线性度低、关断时间长以及开通电流上升时间长等，这些难题极大程度上限制了磁性源大功率电磁探测系统探测精度与深度。针对下降沿线性度低、关断时间长以及开通电流上升时间长问题，现有常采用的是一种馈能型恒压箝位电路，负载能量一部分经电阻消耗，另一部分存储于电源侧电容中，使得该电容电压上升。在下一次脉冲上升沿时该电容能量释放，由于电容电压大于电源电压，加速了电流的上升，并有较多的能量回馈，所以称为馈能型恒压箝位电路。但是该方法电流上升的电压不可控，当负载电感较小时，提供电容的能量并不多，并不能实现电流的快速上升和下降。
在电流脉冲下降沿，负载电感上的电流将变为零，即线圈将释放能量，而由于发射机需要按一定的频率连续发射脉冲电流，为降低耗能、提升探测效率，应考虑将每次发射的能量循环利用。
因此，需要一种可发射双极性梯形波电流脉冲，发射电流前后沿可控、变化速率较快且能实现发射能量循环利用的磁性源电磁发射机电路。
发明内容
针对现有的馈能型恒压箝位电路在负载电感较小，不足以提供现有恒压箝位电路电容能量时，不能实现电流快速线性上升和下降，本发明提供一种有源可控波形的磁性源电磁发射机系统及控制方法，以实现在小负载电感下，发射线圈发射电流上升沿线性度可调与下降沿高速关断，发射线圈的发射能量能够回馈利用，减少能量消耗。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种有源可控波形的磁性源电磁发射机系统，包括外部直流电源，还包括主控电路、驱动电路、升压boost电路、降压buck电路、全桥发射电路、双二极管箝位电路、去过冲电路和发射线圈；
其中，所述主控电路连接外部直流电源，用于产生开关信号，并经驱动电路进行隔离放大后为升压boost电路、降压buck电路、全桥发射电路和去过冲电路中的可控开关器件提供通断时序；
所述外部直流电源，用于为升压boost电路持续提供直流电压，并经降压buck电路为全桥发射电路提供直流电压，且由全桥发射电路在发射电流上升沿期间和平顶段期间为发射线圈提供正向或反向的发射电流；
所述双二极管钳位电路连接升压boost电路和全桥发射电路，用于在发射电流下降沿期间为升压boost电路和发射线圈提供能量回馈通路同时为发射线圈提供高压钳位；
所述升压boost电路还用于将发射电流下降沿期间发射线圈回馈的能量存储在电容中；
所述去过冲电路连接全桥发射电路，用于在发射电流下降沿过零时为发射线圈提供能量释放通路。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述升压boost电路包括电容C1、电感L3、开关管T6、二极管D13和第一电压传感器，其中开关管T6设置有续流二极管D6；所述外部直流电源的一端和电感L3的一端连接，电感L3的另一端分别与开关管T6的集电极、二极管D13的正极连接；开关管T6的发射极分别与外部直流电源的另一端、电容C1的一端连接；二极管D13的负极与电容C1的另一端连接；所述第一电压传感器连接在电容C1的两端；以及，开关管T6的控制端连接主控电路。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述降压buck电路包括开关管T5、二极管D9、电容C2、电感L1、电阻R1和第二电压传感器，其中开关管T5设置有续流二极管D5；所述电容C2、电感L1、电阻R1依次串联连接，二极管D9的正极分别连接电容C2的一端和升压boost电路，电容C2的另一端连接至全桥发射电路；且二极管D9负极分别连接电感L1另一端和开关管T5的发射极，开关管T5的集电极连接升压boost电路；所述第二电压传感器连接在电容C2的两端；以及，开关管T5的控制端连接主控电路。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述降压buck电路还包括滞环控制器，所述滞环控制器的输入端分别连接电容C2和一个参考电压，滞环控制器的输出端连接至开关管T5的控制端，所述滞环控制器通过比较参考电压和电容C2的电压控制开关管T5导通或关断。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述全桥发射电路包括开关管T1、开关管T2、开关管T3、开关管T4、快恢复二极管D10，其中开关管T1设置有续流二极管D1，开关管T2设置有续流二极管D2，开关管T3设置有续流二极管D3；开关管T4设置有续流二极管D4；所述降压buck电路连接快恢复二极管D10的正极，快恢复二极管D10的负极分别连接开关管T1的集电极、开关管T3的集电极，开关管T1的发射极经发射线圈连接开关管T3的发射极；开关管T1的发射极还连接至开关管T2的集电极，开关管T3的发射极还连接至开关管T4的集电极，开关管T2的发射极并接开关管T4的发射极后连接至降压buck电路；以及，开关管T1的控制端、开关管T2的控制端、开关管T3的控制端、开关管T4的控制端均连接主控电路。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述双二极管钳位电路由两个二极管D11和二极管D12构成，其中二极管D11和二极管D12的正极分别连接在发射线圈的两端，及二极管D11和二极管D12的负极分别连接至升压boost电路。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述去过冲电路包括开关管T7、T8和电阻R2，其中开关管T7设置有续流二极管D7，开关管T8设置有续流二极管D8；所述全桥发射电路分别连接开关管T7的集电极和开关管T8的发射极，开关管T7的发射极和开关管T8的集电极均连接电阻R2的一端，电阻R2的另一端连接T4的集电极；以及，开关管T7的控制端、开关管T8的控制端均连接主控电路。
一种基于所述有源可控波形的磁性源电磁发射机系统的控制方法，包括如下步骤：
步骤1：利用外部直流电源为升压boost电路持续提供直流电压，主控电路使用PI控制器单闭环方式控制升压boost电路中电容的电压上升到设定值U1；
步骤2：主控电路使用滞环控制方式使得降压buck电路中电容的电压控制在设定值U2；
步骤3：主控电路使用PI控制器单闭环方式控制全桥发射电路为发射线圈提供的发射电流在上升到给定电流，并保持恒定；
步骤4：主控电路控制全桥发射电路向发射线圈停止供电，并在发射线圈的发射电流下降沿期间利用双二极管钳位电路提供的能量回馈通路将发射线圈回馈的能量存储在升压boost电路的电容中；
步骤5：当去过冲电路检测到发射线圈的发射电流下降至零时，主控电路控制去过冲电路为发射线圈提供能量释放通路。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述方法还包括在发射线圈的电感值低于预设值时，外部直流电源控制提高升压boost电路中电容电压的设定值U1。
本发明采用上述技术方案，能产生如下技术效果：
本发明的系统及方法，能够更加准确的控制升压boost电路中电容C1的电压，实现发射电流的快速下降和电流下降线性度的提高。同时，本发明的恒压上升部分的降压buck电路中电容C2电压线性度可调。在发射线圈的参数改变的情况依旧能实现快速的电流上升和电流下降，以实现在小负载电感下，发射线圈发射电流上升沿线性度可调与下降沿高速关断。除此之外全桥发射电路经过升压boost电路和降压buck电路从外部直流电源获取能量，无需额外电源为全桥发射电路提供能量。以及，利用升压boost电路的电容C1存储发射电流下降沿期间发射线圈回馈的能量。在磁性源电磁发射机极其有限的空间内减少了电池组所需占用的体积和重量，在一定程度上减轻了磁性源电磁发射装置的重量和成本，同时降低了发射机能量损耗，提高了装置的利用率、经济性。
因此，本发明能够在电流下降沿期间实现高速、线性关断，尾部振荡小，有效抑制电流过冲，同时仅利用了双极性梯形波脉冲电流的下降沿作为一次场源，未对双极性梯形波脉冲电流的上升沿进行利用，将下降沿期间发射线圈中储存的能量回馈到恒压源，并为下一发射电流脉冲的上升沿释放提供能量，使电流快速上升，减少了能量损耗，同时提高了发射机的工作效率。
附图说明
图1为本发明的有源可控波形的磁性源电磁发射机系统的模块示意图。
图2为本发明的有源可控波形的磁性源电磁发射机系统的电路示意图。
图3为本发明的磁性源电磁发射机中升压boost电路的控制原理示意图。
图4为本发明的磁性源电磁发射机中降压buck电路的控制原理示意图。
图5为本发明的磁性源电磁发射机中全桥发射电路的控制原理示意图。
图6为本发明与现有技术箝位电容电压仿真波形对比图。
图7为本发明与现有技术发射电流仿真波形对比图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的实施方式进行描述。
如图1所示，本发明涉及一种有源可控波形的磁性源电磁发射机系统，包括外部直流电源1，还包括主控电路2、驱动电路3、升压boost电路4、降压buck电路5、全桥发射电路6、双二极管箝位电路7、去过冲电路9和发射线圈8。
其中，所述外部直流电源1连接主控电路2，且主控电路2连接驱动电路3，驱动电路3分别连接至升压boost电路4、降压buck电路5、全桥发射电路6和去过冲电路9；所述主控电路2连接外部直流电源1，用于产生开关信号，并经驱动电路3进行隔离放大后为升压boost电路4、降压buck电路5、全桥发射电路6和去过冲电路9中的可控开关器件提供通断时序；
所述外部直流电源，连接升压boost电路4，所述升压boost电路4与降压buck电路5、全桥发射电路6依次连接；所述外部直流电源用于为1升压boost电路4持续提供直流电压，并经降压buck电路5为全桥发射电路6提供直流电压，由全桥发射电路6在发射电流上升沿期间和平顶段期间为发射线圈8提供正向或反向的发射电流；所述双二极管钳位电路7连接升压boost电路4和全桥发射电路6，用于在发射电流下降沿期间为升压boost电路4和发射线圈8提供能量回馈通路同时为发射线圈8提供高压钳位；所述升压boost电路4还用于将发射电流下降沿期间发射线圈回馈的能量存储在电容中；所述去过冲电路9连接全桥发射电路6，用于在发射电流下降沿过零时为发射线圈8提供能量释放通路。
本发明产生磁性源电磁发射机所需的双极性梯形波电流；再采用电容储存发射电流下降沿期间线圈回馈的能量。本发明发射线圈发射电流的波形是双极性梯形波脉冲，正向和负向的发射电流波形均可按电流的变化趋势分为上升沿、平顶区和下降沿三个阶段。
如图2所示，本发明的系统中升压boost电路4的电路结构，具体包括：电容C1、电感L3、开关管T6、二极管D13和第一电压传感器，其中开关管T6设置有续流二极管D6；所述外部直流电源1的一端和电感L3的一端连接，电感L3的另一端分别与开关管T6的集电极、二极管D13的正极连接；开关管T6的发射极分别与外部直流电源1的另一端、电容C1的一端即负极连接；二极管D13的负极与电容C1的另一端即正极连接；所述第一电压传感器连接在电容C1的正负极两端，利用第一电压传感器测量电容C1两端的电压；以及，开关管T6的控制端连接主控电路2。本实施例中，所述外部直流电源1采用直流源连接在升压boost电路4中。
如图2所示，本发明的系统中降压buck电路5的电路结构，具体包括开关管T5、二极管D9、电容C2、电感L1、电阻R1和第二电压传感器，其中开关管T5设置有续流二极管D5；所述电容C2、电感L1、电阻R1依次串联连接，二极管D9的正极分别连接电容C2的一端即其负极和升压boost电路4中电容C1的另一端即其负极，电容C2的另一端即其正极连接至全桥发射电路6中快恢复二极管D10的正极；且二极管D9的负极分别连接电感L1的另一端和开关管T5的发射极，开关管T5的集电极连接升压boost电路4中电容C1的另一端即其正极；所述第二电压传感器连接在电容C2的正负极两端，利用第二压传感器测量电容C2两端的电压；以及，开关管T5的控制端连接主控电路2。所述降压buck电路5还包括滞环控制器，滞环控制器的输入端分别连接电容C2和一个参考电压U2*，滞环控制器的输出端连接至开关管T5的控制端，所述滞环控制器通过比较参考电压U2*和电容C2的电压的大小，控制开关管T5导通或关断。
如图2所示，本发明的系统中全桥发射电路6的电路结构，具体包括开关管T1、开关管T2、开关管T3、开关管T4、快恢复二极管D10，其中开关管T1设置有续流二极管D1，开关管T2设置有续流二极管D2，开关管T3设置有续流二极管D3；开关管T4设置有续流二极管D4；其中，所述降压buck电路5中的电容C2的正极连接快恢复二极管D10的正极，快恢复二极管D10的负极分别连接开关管T1的集电极、开关管T3的集电极，开关管T1的发射极经发射线圈8连接开关管T3的发射极；开关管T1的发射极还连接至开关管T2的集电极，开关管T3的发射极还连接至开关管T4的集电极，开关管T2的发射极并接开关管T4的发射极后连接至降压buck电路5中的电容C2的负极；以及，开关管T1的控制端、开关管T2的控制端、开关管T3的控制端、开关管T4的控制端均连接主控电路2。
如图2所示，本发明的系统中双二极管钳位电路7的电路结构，具体包括：所述双二极管钳位电路7由两个二极管D11和二极管D12构成，其中二极管D11和二极管D12的正极分别连接在发射线圈8的两端，及二极管D11和二极管D12的负极分别连接至升压boost电路4中电容C1的正极。
如图2所示，本发明的系统中发射线圈8的电路结构，具体包括：电阻R、电感L及电流传感器，所述电阻R和电感L串联连接后连接至电流传感器，由电流传感器测量发射线圈8中的发射电流大小。
如图2所示，本发明的系统中去过冲电路9的电路结构，具体包括：开关管T7、T8和电阻R2，其中开关管T7设置有续流二极管D7，开关管T8设置有续流二极管D8；所述全桥发射电路6中的开关管T1的发射极分别连接开关管T7的集电极和开关管T8的发射极，开关管T7的发射极和开关管T8的集电极均连接电阻R2的一端，电阻R2的另一端连接T4的集电极；以及，开关管T7的控制端、开关管T8的控制端均连接主控电路2。
本发明中，所述外部直流电源为升压boost电路4中电容C1持续供能并经降压buck电路和全桥发射电路为发射线圈提供发射电流在上升沿和平顶段所需电能；所述降压buck电路5中的电容C2，在发射电流上升沿期间为发射线圈提供能量，在发射电流平顶段期间为发射线圈提供能量。升压boost电路4中的电容C1，在发射电流下降沿期间存储发射线圈回馈的能量。双二极管钳位电路7连接升压boost电路4的电容C1和全桥发射电路6，在发射电流下降沿期间为升压boost电路4的电容C1和发射线圈提供能量回馈通路，同时为发射线圈提供高压钳位，实现下降沿高速关断。并且，所述主控电路产生开关信号，驱动电路对主控电路输出的开关信号进行隔离放大后，分别为升压boost电路4、降压buck电路5、去过冲电路9和全桥发射电路6中的可控开关器件提供通断时序，控制磁性源电磁发射机系统实现能量存储、能量补充和电流发射功能。以及，所述去过冲电路9在发射电流下降沿过零时为发射线圈提供能量释放通路，避免全桥发射电路，造成电流过冲。
本发明还提出一种基于上述有源可控波形的磁性源电磁发射机系统的控制方法，该方法包括如下步骤：
步骤1：利用外部直流电源1为升压boost电路4持续提供直流电压，主控电路2使用PI控制器单闭环方式控制升压boost电路4中电容的电压上升到设定值U1，具体如下：
将直流源作为外部直流电源，连接至电容C1、电感L3、开关管T6、二极管D13和第一电压传感器连接起来构成的升压boost电路4，使得直流源为升压boost电路持续提供直流电压，然后主控电路2使用PI控制器单闭环方式控制电容C1的电压UC1，其原理如图3所示，具体为：利用第一电压传感器检测获得电容C1两端的电压UC1，给定一个电容的参考电压U1*和获得的电容C1两端的电压UC1做差，通过PI控制器后，输入PWM比较器中作比较得到开关信号，再将开关信号输入驱动电路隔离放大后，驱动升压boost电路4中的开关管T6导通关断，使电容C1的电压UC1快速上升到设定值U1。
步骤2：主控电路2使用滞环控制方式使得降压buck电路(5)中的电容电压控制在设定值U2；具体如下：
将开关管T5、二极管D9、电容C2、电感L1、电阻R1和第二电压传感器连接起来构成降压buck电路5，主控电路2使用滞环控制方式控制电容C2的电压UC2，其原理如图4所示，具体为：利用第二电压传感器检测获得电容C2两端的电压UC2，将获得的电容C2两端的电压UC2与给定一个电容的参考电压U2*做差，输入滞环控制器中。所述滞环控制内设置环宽大小，可以但不限于设置的是U2*加减0.5V，则实际电压在U2*加减0.5V内变化，即滞环上限电压指的是U2*加0.5V，滞环下限电压指的是U2*减0.5V；滞环控制器进行电压判断，当电容C2两端的电压UC2大于滞环上限电压时，控制开关管T5关断，当电容C2两端的电压UC2小于滞环上限电压时，控制开关管T5导通，将电容C2的电压的值UC2控制在设定值U2。
步骤3：主控电路2使用PI控制器单闭环方式控制全桥发射电路6为发射线圈8提供的发射电流在上升到给定电流，并保持恒定，具体如下：
在发射环节，当发射正向/反向电流时，主控电路2控制全桥发射电路6中的开关管T1、T2、T3、T4向发射线圈8供能，二极管D10导通，电容C2的电压跌落。主控电路2使用PI控制器单闭环方式控制发射线圈8的电流，其原理如图5所示，具体为：利用电流传感器检测获得发射线圈8的发射电流I。给定一个发射电流I*将其和发射线圈8的发射电流I做差，通过PI控制器后，输入PWM比较器中作比较得到开关信号，再将开关信号输入驱动电路隔离放大后驱动全桥发射电路6中开关管T2和T4，在发射正极性方波电流时，主控电路2控制开关管T1保持导通且开关管T3保持断开；在发射负极性方波电流时，主控电路2控制开关管T3保持导通且开关管T1保持断开。主控电路2控制发射线圈8的电流尽快上升到给定电流I*，并尽快保持恒定。
步骤4：主控电路2控制全桥发射电路6向发射线圈8停止供电，并在发射线圈8的发射电流下降沿期间利用双二极管钳位电路7提供的能量回馈通路将发射线圈回馈的能量存储在升压boost电路4的电容C1中，具体如下：
所述主控电路2控制开关管T1、T2、T3、T4全部关断，使得全桥发射电路6停止供电给发射线圈8，发射线圈8的发射电流快速线性下降到零。这个过程中，升压boost电路4中的电容C1电压保持高压恒定，二极管D11或者D12导通，发射线圈的能量通过二极管D11或者D12向电容C1快速转移，实现能量的回馈。
步骤5：当去过冲电路9检测到发射线圈8的发射电流下降至零时，主控电路2控制去过冲电路9为发射线圈8提供能量释放通路，具体如下：
在上述能量的回馈过程中，由于开关管和二极管等元器件中存在寄生电容，与发射线圈的电感发生谐振，在电流关断的后期会出现明显的波形震荡，严重影响了接收端的效果和接收数据的质量。如图2所示，为改善这种情况，消除电路中的震荡现象，当电流传感器检测到发射线圈8的发射电流降低至零时，主控电路2控制去过冲电路9中的开关管T7、T8导通，电阻R2并入发射线圈8，实现电流去过冲。
优选地，所述方法在发射线圈8电感值低于预设值时，外部直流电源1通过升压boost电路4提高电容C1的电压初始值U1，以提高发射线圈8的发射电流下降沿阶段的速度和线性度。
进一步地，主控电路2使用滞环控制方式控制降压buck电路5的电容C2的电压，实现对发射线圈8发射电流上升沿阶段的速度和线性度的有源可控。在电磁发射机的性能指标中，平顶段的稳流精度也是一项重要的指标。之所以选择滞环的控制方式可以得到更优的稳流精度，如果用PWM斩波的方式势必会对平顶段的稳流精度造成影响。
现有的磁性源电磁发射机发射电流，由于发射线圈为阻感性负载，因此电流从零上升和下降到零这两个过程无法瞬时完成且电流并非线性。本发明为了加快电流上升和下降并提高线性度，提高磁性源电磁发射机的发射性能，所采用的技术核心在于双极性梯形波电流上升沿线性提升和下降沿高速关断。
如图2所示，当全桥发射电路6中开关管T1、T4闭合，开关管T2、T3断开，发射线圈中发射电流为正极性；当开关管T2、T3闭合，开关管T1、T4断开，发射线圈中发射电流为负极性；正负发射电流达到稳态电流后，主控电路2控制断开开关管T1、T4或者T2、T3开关管，发射电流快速下降，电场的快速变化导致一次磁场的变化，进而探测目标体。
为了提高电流下降的速度和线性度，避免得到的二次场数据受到一次场的干扰，发射线圈8通常会并联一个电容，并由它提供发射线圈反向恒定电压。如图2所示，当发射线圈中的发射电流为正时，升压boost电路4中的电容C1通过二极管D12、D2与发射线圈并联。当发射线圈中的发射电流为负时，升压boost电路4中电容C1通过二极管D11、D4与发射线圈并联。忽略理想状态的二极管压降，则发射线圈两端的电压由电容C1决定，负载放电和电流关断过程至电流衰减为零时结束。
发射线圈两端通过二极管并联电容C1，需要保证其负载电压稳定为常数，其电压电流的关系为：
Figure BDA0003219489660000101
其中，L是发射线圈的电感值；u0为箝位电压；i0为发射线圈电流；t为电流下降时间。
在实现下降沿快速关断的同时减少了发射机对接收到的电磁信号的干扰。但是当发射线圈电感较小，存储的能量较低，发射线圈无法马上给电容C1冲到足够的电容电压，此时电容电压较低，电流下降较慢，下降时间无法达到要求。
如图2所示，本发明升压boost电路4中的电容C1通过连接外部直流电源，主控电路向开关管T6发送经隔离放大后的开关信号，利用boost电路的原理可以对电容C1进行充电储能，最后得到的电容C1两端电压为：
UC1＝Vd/(1-D1)
其中，D1是开关管T6接通脉冲触发信号的占空比；Vd为外接直接电源的电压；UC1为电容C1的电压。
本发明外部直流电源通过升压boost电路给电容C1供电，在升压boost电路的作用下可以将电容C1两端的电势迅速升到一个较高的电压值，实现发射电流的快速下降。
为了提高电流上升的速度和线性度，减小波形畸变，在同等波形畸变的情况下，提高工作频率和工作效率。在电流上升阶段，需要为发射线圈提供正向的恒定电压。电容C2在提供发射电流所需能量的同时，提供正向的恒定电压。如图2所示，电容C2连接降压buck电路中的电容C1，D9的存在使得电感L1能够通过电阻R1、电容C2、二极管D9续流。降压buck电路的开关管T5接通隔离放大后的开关信号，实际上构成了一个buck降压斩波电路，电容C2并没有单独接一个电源，能量来自单一电池组，减小了装置的体积和重量。所述电容C2两端的电压为：
UC2＝D2UC1
其中D2是开关管T5接通脉冲触发信号的占空比；UC1为电容C1的电压；UC2为电容C2的电压。
本发明中，发射线圈发射的能量来自电容C2，取消了全桥发射电路的单独供电电源。在小功率的磁性源电磁发射机中，电池组电源通过电容C1、电感L3、开关管T6、二极管D13构成的升压boost电路和开关管T5、二极管D9、电容C2、电感L1、电阻R1构成的降压buck电路实现对全桥发射电路的供电。
由于每个电流周期的下降沿下降时间和线性度要求一致，因此恒压箝位电路的电容C1电压需要保证基本一致。在电容C1向降压buck电路中的电容C2供能的同时需要考虑如何保持电容C1的电压稳定。电容C1在给电容C2充电过程中，电容C1的电压会有波动，电容C1电压主要通过开关管T6闭环控制。除此之外，对电阻R1、电感L1、电容C1、C2参数的合理设计能有效的消除谐振带来的电压波动，保证电容C1的电压恒定。电容C1在给电容C2充电时的回路电流大小可以通过电阻R1、电感L1进行限制，避免开关管T1导通时电容电压变化而产生瞬间大电流，保护了器件达到了安全控制的目的。
如图6所示，为本发明与现有技术箝位电容电压仿真波形对比图，当发射线圈的电感较小时，现有技术箝位电容电压依靠发射线圈多次下降沿期间充电才能达到设定电压，这导致刚开始的波形下降沿不能满足要求；本发明外部直流电源通过给升压boost电路的电容C1供电，短暂超调后，迅速达到设定电压，实现每个电流周期的下降沿下降时间和线性度要求一致。
如图7所示，为本发明与现有技术发射电流仿真波形对比图，本发明上升沿在降压buck电路滞环控制下实现可控，电流上升更快，上升沿的线性度得到明显提高。本发明下降沿在发射线圈的电感较小情况下也有明显的改善，升压boost电路中电容C1电压连接外部直流电源，可不受发射线圈电感储存能量限制，实现箝位电容C1可调可控。
综上，本发明能够更加准确的控制电容C1的电压，实现发射电流的快速下降和电流下降线性度的提高。在发射线圈的电感减小的情况依旧能实现C1箝位电容快速达到设定电压，实现电流的快速下降。同时，本发明的恒压上升部分的电容C2电压可调，实现对电流上升沿的有源可控。除此之外，全桥发射电路经过升压boost电路和降压buck电路从外部直流电源获取能量，无需额外电源为全桥发射电路提供能量，利用升压boost电路的电容C1储存发射电流下降沿期间发射线圈回馈的能量。在磁性源电磁发射机极其有限的空间内减少了电池组所需占用的体积和重量，在一定程度上减轻了磁性源电磁发射装置的重量和成本，同时降低了发射机能量损耗，提高了装置的利用率、经济性。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下,对上述实施例进行修饰或改变。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种有源可控波形的磁性源电磁发射机系统，包括外部直流电源(1)，其特征在于，还包括主控电路(2)、驱动电路(3)、升压boost电路(4)、降压buck电路(5)、全桥发射电路(6)、双二极管钳位电路(7)、去过冲电路(9)和发射线圈(8)；
其中，所述主控电路(2)连接外部直流电源(1)，用于产生开关信号，并经驱动电路(3)进行隔离放大后为升压boost电路(4)、降压buck电路(5)、全桥发射电路(6)和去过冲电路(9)中的可控开关器件提供通断时序；
所述外部直流电源(1)，用于为升压boost电路(4)持续提供直流电压，并经降压buck电路(5)为全桥发射电路(6) 提供直流电压，且由全桥发射电路(6)在发射电流上升沿期间和平顶段期间为发射线圈(8)提供正向或反向的发射电流；
所述双二极管钳位电路(7)连接升压boost电路(4)和全桥发射电路(6)，用于在发射电流下降沿期间为升压boost电路(4)和发射线圈(8)提供能量回馈通路同时为发射线圈(8)提供高压钳位；
所述升压boost电路(4)还用于将发射电流下降沿期间发射线圈回馈的能量存储在电容中；
所述去过冲电路(9)连接全桥发射电路(6)，用于在发射电流下降沿过零时为发射线圈(8)提供能量释放通路；
以及，该磁性源电磁发射机系统的控制过程，具体为：利用外部直流电源(1)为升压boost电路(4)持续提供直流电压，主控电路(2)使用PI控制器单闭环方式控制升压boost电路(4)中电容的电压上升到设定值U1；
所述主控电路(2)使用滞环控制方式使得降压buck电路(5)中电容的电压控制在设定值U2，且使用PI控制器单闭环方式控制全桥发射电路(6)将为发射线圈(8)提供的发射电流上升到给定电流，并保持恒定；以及，所述主控电路(2)控制全桥发射电路(6)向发射线圈(8)停止供电，并在发射线圈(8)的发射电流下降沿期间利用双二极管钳位电路(7)提供的能量回馈通路将发射线圈回馈的能量存储在升压boost电路(4)的电容中；当去过冲电路(9)检测到发射线圈(8)的发射电流下降至零时，主控电路(2)控制去过冲电路(9)为发射线圈(8)提供能量释放通路。
2.根据权利要求1所述有源可控波形的磁性源电磁发射机系统，其特征在于：所述升压boost电路(4)包括电容C1、电感L3、开关管T6、二极管D13和第一电压传感器，其中开关管T6设置有续流二极管D6；所述外部直流电源(1)的一端和电感L3的一端连接，电感L3的另一端分别与开关管T6的集电极、二极管D13的正极连接；开关管T6的发射极分别与外部直流电源(1)的另一端、电容C1的一端连接；二极管D13的负极与电容C1的另一端连接；所述第一电压传感器连接在电容C1的两端；以及，开关管T6的控制端连接主控电路(2)。
3.根据权利要求1所述有源可控波形的磁性源电磁发射机系统，其特征在于：所述降压buck电路(5)包括开关管T5、二极管D9、电容C2、电感L1、电阻R1和第二电压传感器，其中开关管T5设置有续流二极管D5；所述电容C2、电感L1、电阻R1依次串联连接，二极管D9的正极分别连接电容C2的一端和升压boost电路(4)，电容C2的另一端连接至全桥发射电路(6)；且二极管D9负极分别连接电感L1的另一端和开关管T5的发射极；开关管T5的集电极连接升压boost电路(4)；所述第二电压传感器连接在电容C2的两端；以及，开关管T5的控制端连接主控电路(2)。
4.根据权利要求3所述有源可控波形的磁性源电磁发射机系统，其特征在于：所述降压buck电路(5) 还包括滞环控制器，所述滞环控制器的输入端分别连接电容C2和一个参考电压，滞环控制器的输出端连接至开关管T5的控制端，所述滞环控制器通过比较参考电压和电容C2的电压控制开关管T5导通或关断。
5.根据权利要求1所述有源可控波形的磁性源电磁发射机系统，其特征在于：所述全桥发射电路(6)包括开关管T1、开关管T2、开关管T3、开关管T4、快恢复二极管D10，其中开关管T1设置有续流二极管D1，开关管T2设置有续流二极管D2，开关管T3设置有续流二极管D3；开关管T4设置有续流二极管D4；所述降压buck电路(5)连接快恢复二极管D10的正极，快恢复二极管D10的负极分别连接开关管T1的集电极、开关管T3的集电极，开关管T1的发射极经发射线圈(8)连接开关管T3的发射极；开关管T1的发射极还连接至开关管T2的集电极，开关管T3的发射极还连接至开关管T4的集电极，开关管T2的发射极并接开关管T4的发射极后连接至降压buck电路(5)；以及，开关管T1的控制端、开关管T2的控制端、开关管T3的控制端、开关管T4的控制端均连接主控电路(2)。
6.根据权利要求1所述有源可控波形的磁性源电磁发射机系统，其特征在于：所述双二极管钳位电路(7)由两个二极管D11和二极管D12构成，其中二极管D11和二极管D12的正极分别连接在发射线圈(8)的两端，二极管D11和二极管D12的负极分别连接至升压boost电路(4)。
7.根据权利要求1所述有源可控波形的磁性源电磁发射机系统，其特征在于：所述去过冲电路(9)包括开关管T7、T8和电阻R2，其中开关管T7设置有续流二极管D7，开关管T8设置有续流二极管D8；所述全桥发射电路(6)分别连接开关管T7的集电极和开关管T8的发射极，开关管T7的发射极和开关管T8的集电极均连接电阻R2的一端，电阻R2的另一端连接至全桥发射电路(6)；以及，开关管T7的控制端、开关管T8的控制端均连接主控电路(2)。
8.一种基于权利要求1所述有源可控波形的磁性源电磁发射机系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：利用外部直流电源(1)为升压boost电路(4)持续提供直流电压，主控电路(2)使用PI控制器单闭环方式控制升压boost电路(4)中电容的电压上升到设定值U1；
步骤2：主控电路(2)使用滞环控制方式使得降压buck电路(5)中电容的电压控制在设定值U2；
步骤3：主控电路(2)使用PI控制器单闭环方式控制全桥发射电路(6)将为发射线圈(8)提供的发射电流上升到给定电流，并保持恒定；
步骤4：主控电路(2)控制全桥发射电路(6)向发射线圈(8)停止供电，并在发射线圈(8)的发射电流下降沿期间利用双二极管钳位电路(7)提供的能量回馈通路将发射线圈回馈的能量存储在升压boost电路(4)的电容中；
步骤5：当去过冲电路(9)检测到发射线圈(8)的发射电流下降至零时，主控电路(2)控制去过冲电路(9)为发射线圈(8)提供能量释放通路。
9.根据权利要求8所述基于有源可控波形的磁性源电磁发射机系统的控制方法，其特征在于：所述方法还包括在发射线圈(8)的电感值低于预设值时，外部直流电源(1)控制提高升压boost电路(4)中电容电压的设定值U1。
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