空间磁场环境模拟线圈驱动恒流源设计

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本站小编 Free考研考试/2021-12-25

为提高航天产品空间应用在轨可靠性和寿命,促进国产宇航元器件和材料空间应用品质的提升,模拟航天产品在轨的外太空空间环境意义重大^[1].电磁场是诱发航天产品在轨故障的主要原因之一.为了获得均匀的电磁场,通常采用霍姆赫兹线圈来产生电磁场^[2].其驱动电源可采用恒压源或恒流源,由于模拟空间电磁场环境的稳定度要求较高(优于1%),若采用恒压源驱动霍姆赫兹线圈,线圈发热会引起其阻值改变,使得线圈的电流也随之变化,从而导致电磁场不稳定;若采用恒流源驱动霍姆赫兹线圈,则可以避免线圈电阻变化引起的励磁电流变化,从而产生稳定的电磁场^[3].恒流源作为稳定电源的一个分支,按功率器件的工作状态不同,可分为开关型恒流源和线性恒流源.开关型恒流源效率较高,但高频噪声大,输出纹波较大;线性恒流源输出电流稳定,电路简单可靠,但其效率较低^[4].考虑到电磁场对稳定度要求较高,本文采用线性恒流源驱动霍姆赫兹线圈^{[5, 6]}.针对模拟线圈磁感应强度0~20Gs连续可调,磁场稳定度优于1%的要求,采用前级电压源与后级电流源串联的主电路拓扑结构,结合电压闭环控制和电流闭环负反馈控制的方法,实现了稳定的恒流输出.其中,电压源采用适合中小功率的半桥逆变结构,电流源采用功率金属-氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET),并使其工作在线性放大区,以实现高精度恒流输出.为了减小功率MOSFET的损耗,采用MOSFET漏源极电压闭环负反馈调节电压源的输出电压,不仅实现了稳定电压的输出,而且使输出电压随负载电流改变,始终将MOSFET的漏源电压保持在较低的电压,提高了恒流源的效率.1 恒流源的构成为了提高电流控制精度,恒流源采用前级电压源与后级电流源串联的主电路拓扑结构.其中,电压源输出电压为0~50V连续可调,恒流源输出电流为0~10A连续可调,其基本构成如图 1所示.

图 1 恒流源的基本构成Fig. 1 Basic composition of constant current source

图选项

在图 1中,220V/50Hz交流电经一次整流滤波电路、半桥逆变电路、降压变压器和二次整流滤波电路后变换成直流输出,输出电压0~50V连续可调.电压源的输出再输入到电流源电路进行线性调节,获得稳定的电流输出;恒流输出电路再连接至霍姆赫兹线圈,从而在线圈内部得到均匀分布的电磁场.图 1中,U_f为电压源输出电压反馈信号,U_g为电压源输出电压的调节值,U_DSf为功率MOSFET的漏源电压降反馈信号,U_c为恒流输出驱动电路控制信号,I_f为采集的输出电流反馈信号,I_g为电流给定值.所设计的霍姆赫兹线圈由一对匝数、边长、高度和厚度相同的共轴平行放置的正方形线圈组成,单个线圈的外形长宽均匀384mm,高度为150mm,匝数为150匝,厚度约为4mm,线圈阻值R_L=2.5Ω.控制电路采用MC9S12XEP100单片机,结合PWM控制芯片SG3525A,实现了恒压恒流控制.其中,电压源采用双闭环控制方法,内环为电压源输出电压负反馈调节电路,实现恒压输出,外环采用功率MOSFET的漏源电压闭环调节电压源输出,将MOSFET的漏源电压控制在25V左右,从而降低MOSFET线性电流源的功耗;电流源采用电流闭环负反馈控制方式来实现恒定电流输出.2 恒流源主电路拓扑2.1 电压源主电路拓扑电压源主电路拓扑结构采用中小功率的半桥逆变结构^{[7, 8]},如图 2所示.

图 2 电压源主电路拓扑Fig. 2 Main circuit topology of voltage source

图选项

在图 2中,AC220V交流电经全桥整流滤波后变换成310V的直流电,再经由电容C₃、C₄、功率开关管Q₁和Q₂组成的半桥逆变电路变换成20kHz的交流方波,通过高频变压器降压耦合至输出全波整流滤波电路变换成可控的电压,输出电压U_o为0~50V连续可调.2.2 MOSFET线性电流源工作原理针对磁场线圈驱动电流高稳定度的要求,采用MOSFET作为线性电流源的功率器件,并使其工作在线性放大区来实现稳定的恒流输出.一般的功率MOSFET有3个工作区域,即饱和区、截止区和线性放大区.在线性放大区,当漏源极电压U_DS一定时,漏极电流I_D跟栅源极电压U_GS在一定的电压区域内呈线性关系^{[9, 10]},如图 3所示.本文所设计的电流输出控制电路正是基于功率MOSFET的这种特性来实现高稳定度恒流输出的.

图 3 2SK1217功率MOSFET的特性曲线Fig. 3 Characteristic curves of 2SK1217 power MOSFET

图选项

功率MOSFET选用FUJI公司生产的N-沟道功率MOSFET管2SK1217作为线性恒流源的功率器件,2SK1217的最大漏极电流为8A,漏源极之间最大电压为900V.如图 (3b)所示,当0.5A≤I_D≤10A时,2SK1217具有非常好的线性度.2.3 电流源主电路拓扑MOSFET线性电流源主电路拓扑如图 4所示.

图 4 电流源主电路拓扑Fig. 4 Main circuit topology of current source

图选项

在图 4中,电压源输出电压U_o作为电流源的输入,电流源输出端连接至霍姆赫兹线圈,I_o为输出电流,R_S为电流取样精密电阻,L_H为霍姆赫兹线圈的等效电感.在电路中,GND为驱动信号和电流电压采样信号的公共地参考点,Drive为MOSFET的栅极电压驱动信号,工作时,为了提高输出功率,采用Q₃、Q₄两个功率MOSFET并联,并且Q₃、Q₄工作在线性放大区,输出电流的大小由驱动信号Drive的电压幅值控制.因此,改变驱动电压就可以调节输出电流的大小.3 控制电路设计3.1 电压源控制由于工作在放大区的功率MOSFET功耗比工作在正常开关状态下的功耗要大的多,功率MOSFET发热比较严重.电压源控制电路采用双闭环控制方法使MOSFET管的漏源电压保持在25V左右,这样即实现了线性恒流输出,又保证了较小的功耗.电压源双闭环控制的工作原理如图 5所示.

图 5 电压闭环负反馈控制原理框图Fig. 5 Block diagram of voltage negative feedback loop

图选项

在图 5中,U_DSg是根据MOSFET管2SK1217的转移特性曲线设定的最小漏源电压,它与实际的MOSFET两端的漏源反馈电压U_DSf一起输入到数字PID控制算法构成外环调节,其输出经D/A变换后得到电压源输出电压的调节值U_g,U_g再与电压源输出电压反馈信号U_f一起输入到PID电路构成内环调节,其输出连接至PWM控制电路,进而改变PWM脉冲宽度,从而实现恒定的电压输出,并且使MOSFET管的漏源电压始终保持在25V左右.PWM控制电路采用SG3525A芯片,该芯片能够输出一组相位相差180°的PWM信号,并且死区时间可调^{[11, 12]}.SG3525外围电路如图 6所示.

图 6 SG3525的外围电路Fig. 6 Peripheral circuits of SG3525

图选项

3.2 电流源控制电流源电路采用电流闭环负反馈控制方法来实现恒定电流输出,其工作原理框图如图 7所示.

图 7 电流闭环负反馈控制原理框图Fig. 7 Block diagram of current negative feedback loop

图选项

在图 7中,电流源控制电路以MC9S12XP100单片机为核心,根据功率MOSFET管2SK1217的转移特性曲线预先编制电流I_g与驱动电压U_GS的对应数据表,存入单片机中.工作时,单片机通过输入设定值I_g,并根据I_g计算查表得到驱动电压U_co;同时,I_g和I_f输入限制式增量PID控制算法,其输出为电压调整增量ΔU_c;最后,将U_co和ΔU_c进行求和,得到电流输出控制信号U_c,再经补偿电路和射随驱动电路连接到功率MOSFET的门极驱动,实现输出电流调节.为了提高系统的响应速度,减小超调,采用了限制式增量比例积分微分(Proportion Integration Differentiation,PID)控制^{[13, 14, 15, 16]},即输出ΔU_c为－ΔU_o≤ΔU_c≤ΔU_o(ΔU_o为一常数),经求和运算后驱动信号U_c为U_co－ΔU_o≤U_c≤U_co＋ΔU_o.其中,补偿电路和射随驱动电路如图 8所示.

图 8 恒流输出驱动控制电路Fig. 8 Control circuit of constant current output driver

图选项

从图 3(b)中可以看出,功率MOSFET管2SK-1217的电流零点所对应的驱动电压为3.5V左右.因此在图 8中,+5V通过VR1分压后与驱动电压U_c进行相加,以消除零点.晶体管T1为射随放大电路,可以提高驱动电压信号的驱动能力.4 实验结果4.1 输出电流稳定度测试采用FLUKE电流钳表测量恒流源的输出电流,设定电流I_g为10A,每3min测量一次,连续测量1h.恒流源输出电流I_o实测值如表 1所示.
根据测得的数据,绘制出实测输出电流曲线,如图 9所示.

图 9 输出电流数据曲线Fig. 9 Data curve of output current

图选项

电流稳定度是指在某一特定条件下输出电流的相对变化,可用式(1)进行计算：

式中：i为测量次数.将表 1实测电流数据代入式(1),可计算得Y_i=0.06%＜0.1%,即电流稳定度优于0.1%.表 1 不同时间输出电流值 Table 1 Data of output current at different time

测量时间/min

I_o/A

测量时间/min

I_o/A

3	9.99	33	10.00
6	10.00	36	10.01
9	10.00	39	10.00
12	10.01	42	10.00
15	10.00	45	10.01
18	10.02	48	10.00
21	10.00	51	9.99
24	10.01	54	10.00
27	10.01	57	9.99
30	10.00	60	9.98

表选项

4.2 模拟线圈磁感应强度测试测试时,将恒流源的输出连接至霍姆赫兹线圈,调节恒流源的输出电流,每隔0.5A用高斯计测量线圈中心点的磁感应强度,结果如表 2所示.
表 2 中心点磁感应强度 Table 2 Data of magnetic field intensity in center

电流值/A

磁感应强度/Gs

电流值/A

磁感应强度/Gs

0.5	2.69	3.0	16.37
1.0	5.43	3.5	19.11
1.5	8.11	4.0	21.82
2.0	10.92	4.5	24.55
2.5	13.62	5.0	27.26

表选项

从表 2可以看出,当恒流源输出电流为4A时,线圈中心点的磁感应强度已经达到21.82Gs,完全可以满足线圈中心磁感应强度20Gs的设计要求.长时间监测表明,线圈内部各点的磁感应强度波动均小于0.2Gs,能够满足磁场稳定度优于1%的要求.
5 结论1) 采用电压源和电流源串联的主电路拓扑结构,结合电压双闭环控制和电流闭环负反馈控制的方法,实现了稳定的恒流输出,并能可靠地驱动霍姆赫兹线圈,从而得到均匀稳定的电磁场.2) 电压源控制电路采用内环为电压源输出电压闭环负反馈调节,外环为功率MOSFET漏源极电压闭环负反馈调节的双闭环控制方法,不仅实现了稳定电压的输出,而且使输出电压随负载电流改变,始终使MOSFET的漏源电压保持在25V左右,减小了功率MOSFET的损耗,提高了恒流源的效率.3) 所设计的恒流源输出电流0~10A连续可调,霍姆赫兹线圈中心磁感应强度能够达到20Gs,电流稳定度优于0.1%,磁场稳定度优于1%,满足设计要求.
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