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1、 本科生毕业论文（设计）中文题目 复合波形航空电磁发射电路设计 英文题目 The design of the composite waveform aviation electromagnetic emission circuit 学生姓名 宋树超 班级 651204 学号 65120414 学 院 仪器科学与电气工程学院 专 业 电气工程及其自动化专业 指导教师 于生宝 职称 教授 摘要直升机时间域航 电系统包括发射和接收系统，本文结合国内外时间域航 电系统的研究成果，设计完成双极性半正弦电流与窄脉冲电流交替发射的航 空电磁法发射机。发射机由驱动控制与逆变两电路组成。针对发射电流指标参数，提
2、出了串联谐 振方式的逆变电路方案，并应用MATLAB仿真模块SIMULINK对逆变电路进行了仿真试验，取得了良好效果；通过分析功率器件的工作条件，选取了H40T120型号的大功率IGBT的作为开关器件；以MC9S12XS128MAL单片机为主控芯片，产生可调的控制信号，利用按键设置频率和占空比参数，并由液晶显示。主要指标为：基准频率25Hz，半正弦波电流峰值10A，脉宽 4.1ms,窄脉冲电流峰值1A。关键词 航空电磁系统 双极性半正弦电流 MC9S12XS128MAL H40T120Title The design of the composite waveform aviation ele
3、ctromagnetic emission circuitAbstractHelicopter time-domain airborne electromagnetic system composed of a transmitting system and receiving system structure, this paper combines the research achievements at home and abroad in time domain airborne electromagnetic system, completed the design of bipol
4、ar semi sinusoidal current and narrow pulse alternating current emission of airborne electromagnetic transmitter. The transmitter is composed of a drive control unit and an inverter unit.For the emission current parameters, the series resonant inverter circuit scheme, and simulated by MATLAB SIMULIN
5、K module of the inverter circuit were simulation test, and achieved good results; through the analysis of the working condition of the power devices, selected the IGBT rate of work H40T120 models as a switching device; single-chip microcomputer MC9S12XS128MAL main control chip, adjustable control si
6、gnal, use the button to set the frequency and duty ratio, and the LCD display. The main indicators are 25Hz half sine wave current peak value 10A, pulse width 4.1ms, narrow pulse current peak value 1A.Keywords airborne electromagnetic system bipolar semi sinusoidal current MC9S12XS128MAL H40T120目录1
7、绪论1.1课题研究背景11.2直升机航空电磁勘察系统原理21.3时间域航空电磁系统国内外发展现状31.4课题研究意义和主要研究内容42 逆变单元数学建模与参数计算42.1主电路的分析与建模42.2逆变电路系统整体数学模型42.3半桥式串联谐振逆变电路的仿真分析42.4本章小结53 控制算法及软件设计93.1 逆变单元控制概述93.2 五脉冲PWM控制策略103.3 软件设计133.4本章小结134 硬件设计144.1逆变单元系统总体架构分析144.2主电路设计154.3功率器件IGBT选型164.4驱动电路设计184.5本章小结195 实验结果及分析225.1 结果概述225.2 结果分析23
8、总结31参考文献31致谢33371 绪论1.1课题研究背景目前，我们国家经济成长迅速，增进的速率亘古未有。然而，对矿产的索取量也在不停地扩充。近些年以来，我国对于勘探、开采矿产资源等工作，发展得突飞猛进，为解决我国资源短缺等问题做出了巨大贡献。然而，由于低覆盖地区有限的矿资源量，随着不断加大的开采力度，大批矿山的资源储量日渐枯竭，同时，新勘探的矿山也只有少数，矿山资源不能够接替产生的现象十分严重，满足人们日益增长的矿产需求变得无比艰难。因此，我们国家在资本补给方面一直面对着无比庞大的挑战1。我国部分地形的结构十分复杂，山区的面积为600多万平方公里，再加上沼泽、湖泊、森林、沙漠等其它地区，一共
9、约占国家国土面积的76.4。这些高覆盖的地区的矿产资源十分丰富，然而却无法使用探测仪器进行大面积的地质探测，这就成为目前地质勘测工作上的一大难点。航 空电磁法(AEM)，是一种探测矿产资源和地质结构的地球物理勘测方法，它主要以飞行器作为运载工具，并以电磁场作为载体2。航 空电磁物探有着以下特点：通行性良好、快速性、大面积应用、成本低、可用于海域等。在植被发育或运积层的覆盖地区，更有着其他勘探手段无法达到的效果。近年来，随着航 空电磁法的广泛应用，国家对其重视程度明显提高。“航空地球物理勘查技术系统”更是被列入国家 “十一五”863计划重大项目里3。时域航 电发射机是时域航 电探察系统的重要构成
10、之一。近几年，时间域航空电 磁法在矿产勘探、寻找地下淡水、环境监测和未爆炸炮弹探测等方面已得到了广 泛的应用4。日趋完善的硬件 系统，逐步探 索前进的解释方法和数据处理，都使得直升机时间域航 空电磁系统在矿产 勘查方面逐步成为 主流。1.2直升机航电勘察系统原理直升机航电勘察系统如图 1.1 所示，它的组成包含：吊舱、直升机、发射接收系统。其基本探测原理是利用通以交变的电流的不接地回线（即发射线圈），在直升机飞行期间，往地下发出一次场。在发散的过程中，一次场碰到良导地 质物体，就会激发此地 质物体的涡 流效应。产生的涡 流电流则会通过热量的方式衰减甚至消耗掉，从而感生出新的电 磁场（即二次场）
11、。接着测量探 测地 质体介质产生的感生电 磁场，再通过处理二次场测量的数据，从而得到探 测地 质体的相关地质信息。最终通过反演计算，推导出目标地 质体的形态和导电性等特征5。实际应用方面，经常使用多次叠加的方式来提高数据的精度。发射线 圈中常常流过的电流主要有：双极性梯形波、双极性矩形波、双极性三角波和双极性半正弦波等6。图 1.1 直升机航电 勘察系统示意图1.3时间域航空电磁系统国内外发展现状 国外对于航 空电磁法探测设备的研究有着悠久的历史，已经制造并投入生产的性能优异的系统满目琳琅。1940年到1949年间，人们开始研究航 空电法并投入使用。像Dobrin等一些美国学者就首次在1946
12、年在其文章中提出了应用航空电磁法探测金属矿。加拿大的国际镍业公司（INCO）于1950年首先设计出航 空电磁法系统并完成飞行，这是第一套频率域航 空电磁法系统。INPUT（1965）则是首套时域航 电系统7。现在全国的时域吊舱式航 电系统有许多种。它们分别由不同的勘探公司、矿业公司研发，有些系统已非常成熟，如Geotech公司的VTEM系统，GPX公司使用的Hois TEM，Aeroquest公司的Aero TEM系统，Fugro的Heli GEOTEM系统等8。相比较下，国内航 空电磁法的研发很晚才起步，于20世纪50年代末开始，几家科研机构在之后相继展开了对航电系统的研制，并获得一定进展。
13、1970年到1979年间，吉林大学仪电学院也开始大规模地研究时域航 空电法系统，研发了M-1型固定翼时域航电系统，并且和国产飞机一起，组成了吊舱式脉冲瞬变航电系统，得到了多年的应用，已于1983年停止使用9 。在那之后，我们国家航 空电磁法的成长就一直处于阻滞状态。目前，我们国家直升机吊舱式时域航 电勘察系统还处于半空 白状况。1.4课题研究意义和主要研究内容现有时域航电发射电流几乎都是周期改变的，比如双极性梯形波、双极性矩形波、双极性三角波、双极性半正弦波等。其中，矩形波的响应特征最为理想。三角波对应响应最小，半正弦中等，而梯形波对应响应最大。是以，在必定前提下，Time Area更大的波形
14、，其对应关闭电源后的Secondary Field Response也会更大。并且梯形波、三角波和半正弦波三者中相对晚期响应差异来说，早期响应差异较为显著。是以，在设计波形时，需使发射电流的波形与方波尽量相似，这样进入地表以下的能量才会更大，传到二次场中信号与噪声的比例就会更高10。由于方波脉冲难以实现，而其他的电流波形会在探测深度等方面受到限制。为了提高发射机的探测范围，设计一套电流波形为双极性半正弦波与高频窄脉冲交替发射的电磁发射机。发射电路结构示意图如图1.2所示：双极性窄脉冲发射电路控制器双极性窄脉冲发射电路线圈直流电源图1.2 复合波形航空电磁发射电路结构示意图本文主要针对图1.3所
15、示的双极性交替发射波形的发射电路进行设计。图1.3 交替发射电流波形示意图具体设计指标如下：复合波形频率25Hz，半正弦波脉宽2ms，半正弦发射电流10A、窄脉冲发射电流1A同步发射。本文的主要工作如下：1）针对发射电流指标参数，查阅相关资料，提出了串联谐 振方式的逆变电路方案，并使用MATLAB仿真模块模拟试验了系统电路，得到杰出的效果。2） 控制算法设计以及编程。采取五脉冲PWM调控算法，在FreeScale公司的CodeWarrior集成开发环境下，以MC9S12XS128MAL微处理器为主控芯片，完成软件部分。包含编写PWM程序、频率调整代码，以及定时和中断等相关程序。3）完成逆变单元硬件的焊接调试。包含选择功率器件型号，设计主电路、IGBT 控制模块，以及整个系统的整体调试。其中通过分析功率器件的工作条件，选取了H40T120型号的大功率 IGBT 的作为开关器件，设计焊接了电路的PCB板，并调试成功
