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射频交流强磁场激励源的研究与实现

作　者: 刘雯静
导　师: 张远峰
学　校: 北京工商大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 射频激励源逆变全桥功率MOSFET
分类号: TM464
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

本文设计的射频交流强磁场激励源是为实现人们对动磁场环境的需要而设计的。本激励源通过对负载亥姆赫兹线圈施加不同强度、不同频率的激励,使亥姆赫兹线圈在其筒井内产生与设置参数对应的均匀的动磁场环境。考察项目中用户对动磁场频率和强度的要求,本文需实现的激励源应具有0~1MHz的频率输出和8kW的最大功率。目前射频激励源最前沿的研究成果是日本于1999年研制出的2MHz,6kW的MOSFET高频逆变电源,但这仍然不能满足项目需要的指标参数,因此本文主要针对解决高频率与大功率这一相对矛盾进行理论探讨和实验尝试。设计中充分利用了电力电子技术的发展成果,使用全桥逆变电路组成功率放大电路,同时通过实验选取效果最佳的缓冲吸收电路和保护电路进行配合。全桥电路的开关管选择APT公司生产的APT50M38JLL,驱动芯片选择德州仪器的UCC27322 ,它们的高工作频率、高耐压、大电流都为激励源功能的实现提供了可靠的保障。不同频率的驱动信号利用主控部分产生,低频处采用PWM波实现,高频处则使用高频方波。为解决高频下大功率难以实现这一难点,设计中还给激励源添加了滤波与无功补偿电路,这部分的设计为提高负载线圈中用于产生动磁场环境的电流强度起到了关键的作用。系统的主控部分采用了单片机与FPGA配合工作的方案。单片机选用了德州仪器公司的低功耗单片机MSP430F149,它用来完成与上位机PC机的通信,接收用户指令,并将控制命令中的相应参数传送给FPGA。同时单片机还监控整个电路,对主电路异常做出判断并给出正确的反应。FPGA选用了阿尔特拉公司的EP1C6Q240C8,它主要读取单片机的参数设置,完成数字逻辑,产生相应的驱动信号。系统在设计和制作过程中还采取了软件仿真与实际动手相结合的手段,不仅丰富了研究成果,也大大提高了研究的进度。本文设计完成的激励源样机的各项参数达到了国内外领先水平,可为航空、航天、车辆、军事装备等特殊应用领域中的高频大功率的恒压通用逆变电源提供实现思路,对民用电源的发展也具有一定的实践意义。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第1章绪论  8-14
  1.1 选题的背景和意义  8-9
  1.2 高频交流强磁场激励源（信号源）的发展与现状  9-12
    1.2.1 射频激励源的概况  9
    1.2.2 射频激励源的发展历程  9-10
    1.2.3 射频稳定激励源的分类  10
    1.2.4 射频稳定激励源的国内外研究成果  10-11
    1.2.5 射频激励源技术的发展趋势  11-12
  1.3 论文的主要工作和结构安排  12-14
第2章综合磁测系统概述  14-19
  2.1 综合磁测系统功能简介  14
  2.2 综合磁测系统的硬件组成  14-16
  2.3 综合磁测系统的控制软件  16-17
  2.4 本课题“射频交流强磁场激励源”在综合磁测系统中的嵌入  17
  2.5 “射频交流强磁场激励源”的主要功能及其性能指标  17-19
第3章高频交流强磁场激励源的研究与实现  19-44
  3.1 激励源的总体设计  19-20
  3.2 功率放大电路的选择  20-23
    3.2.1 逆变电路的工作原理  20-23
    3.2.2 逆变电路的选择  23
  3.3 开关管的选择  23-28
    3.3.1 功率MOSFET  24-27
    3.3.2 功率MOSFET 的选型  27-28
  3.4 驱动电路  28-30
    3.4.1 功率MOSFET 对驱动电路的要求  28
    3.4.2 驱动芯片的选择  28-29
    3.4.3 全桥的驱动电路  29-30
  3.5 全桥电路  30-32
    3.5.1 缓冲吸收电路  30-31
    3.5.2 全桥电路的设计  31-32
  3.6 光耦隔离部分  32-35
    3.6.1 控制信号的隔离  33
    3.6.2 驱动信号的隔离  33-35
  3.7 无功补偿与滤波电路  35-41
    3.7.1 亥姆赫兹线圈激励磁场原理  35-36
    3.7.2 感性负载的无功补偿  36-37
    3.7.3 投切电容无功补偿原理  37
    3.7.4 滤波及无功补偿电路的作用  37-38
    3.7.5 滤波及补偿方案  38
    3.7.6 元器件的选择及相关量的计算  38-41
  3.8 射频激励源的外围连接  41-43
    3.8.1 PCI-1711 简介  41
    3.8.2 PCI-1714 简介  41-42
    3.8.3 信号处理模块简介  42
    3.8.4 激励源的外围接口  42-43
  3.9 本章小结  43-44
第4章主控部分的实现思路及固件程序设计  44-51
  4.1 主控部分的方案选择  44-45
    4.1.1 三种常用的数字控制方案的对比  44-45
    4.1.2 主控电路的选择  45
  4.2 中央控制单元MCU  45-46
    4.2.1 MSP430F149 简介  45-46
    4.2.2 单片机的固件程序流程图  46
  4.3 FPGA 模块  46-50
    4.3.1 EP1C6Q240C8 简介  47-48
    4.3.2 低频PWM 波的滤波设计思路  48
    4.3.3 FPGA 中实现PWM 波的方法  48-49
    4.3.4 驱动信号的死区时间的控制  49-50
  4.4 本章小结  50-51
第5章系统仿真与实验  51-58
  5.1 Multisim10 简介  51
  5.2 系统仿真  51-54
  5.3 样机实验  54-58
    5.3.1 各级驱动信号的波形  54
    5.3.2 功率MOSFET 栅极驱动信号波形  54-56
    5.3.3 负载线圈两端的电压和电流波形  56-57
    5.3.4 结论  57-58
第6章总结与展望  58-60
  6.1 论文主要工作总结  58
  6.2 存在的问题与展望  58-60
参考文献  60-62
在学期间发表的学术论文与研究成果  62-63
致谢  63

射频交流强磁场激励源的研究与实现

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