脈沖電流是很快的一次性暫態(tài)量，而且電流幅值較大，當(dāng)采集測(cè)試時(shí)，對(duì)測(cè)試設(shè)備元器件要求較高。因此，脈沖電流測(cè)控技術(shù)在對(duì)于雷電流這樣大電流沖擊時(shí)出現(xiàn)的危害是具有很大的研究意義。

**1 **總體設(shè)計(jì)方案

1kA脈沖電流發(fā)生器是由單片機(jī)控制系統(tǒng)、充電回路電路、放電回路、放電采集電路以及液晶顯示模塊所組成。整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)單片機(jī)控制IGBT開關(guān)閉合時(shí)間以及其斷開時(shí)間來(lái)控制整個(gè)電路的充電模塊和放電模塊，以達(dá)到充放電電壓、幅值可調(diào)的目的。最后再通過(guò)采集電路進(jìn)行采集輸入單片機(jī)，并顯示在液晶屏上。脈沖電流發(fā)生器測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 脈沖電流發(fā)生器系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

整個(gè)脈沖電流測(cè)控系統(tǒng)包括控制模塊、采集模塊和充放電的主電路模塊。系統(tǒng)可分為充電和放電兩個(gè)過(guò)程。

充電過(guò)程為：220V的交流電通過(guò)整流橋及濾波后產(chǎn)生300V的直流電源，通過(guò)按鍵向單片機(jī)發(fā)送調(diào)節(jié)開關(guān)閉合時(shí)間以及發(fā)送充電指令，單片機(jī)接受到指令后控制前級(jí)充電開關(guān)閉合，由IGBT控制的直流電源向儲(chǔ)能電容開始充電，直到單片機(jī)按指令時(shí)間停止對(duì)電容充電，自動(dòng)斷開前級(jí)開關(guān)，停止充電。

隨即單片機(jī)對(duì)后級(jí)開關(guān)發(fā)出指令，閉合開關(guān)，使得儲(chǔ)能電容開始放電，在后級(jí)放電電路中，采用的是RLC回路，在通過(guò)負(fù)載很小的電阻時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)瞬態(tài)的沖擊電流，通過(guò)參數(shù)調(diào)整可產(chǎn)生一個(gè)8/20μs脈沖波形。

經(jīng)采集電路采集信號(hào)后，由單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換輸出給液晶顯示電路并顯示在液晶屏幕上其檢測(cè)到的波形、幅值、上升沿時(shí)間和半波時(shí)間等參數(shù)。

2****硬件設(shè)計(jì)

**2.1 **直流電源設(shè)計(jì)

主回路中分為兩個(gè)主要部分：充電電路以及放電回路。充電電路中為了給儲(chǔ)能電容充電，需要直流電源為其充電。如圖2所示，采用單相橋式整流電路整流后為儲(chǔ)能電容充電，其構(gòu)成的原則就是可以保證在充電回路中負(fù)載上的電壓和電流方向保持一致。

在相同情況下，對(duì)二級(jí)管的要求是一樣的，但單相橋式整流法要比半波整流電路輸出電壓高、效率高、脈動(dòng)波動(dòng)小等，所以選擇了單相橋式整流電路。R12的作用是為了起到一個(gè)限流作用，防止過(guò)大電流對(duì)前級(jí)IGBT造成毀壞。

圖2 主電路原理圖

主電路，Q11與Q12均為IGBT開關(guān)，C12為儲(chǔ)能電容，R15為試樣電阻，L11為放電電路中的諧振電感。電路上電之前，處于初始狀態(tài)，儲(chǔ)能電容C12兩端電壓為0，開關(guān)Q11與Q12處于斷開狀態(tài)，當(dāng)S1閉合后這時(shí)的電路將由單片機(jī)控制完成。

當(dāng)電路上電后，利用按鍵設(shè)置好充電時(shí)間，然后按下充電按鈕，單片機(jī)接受到設(shè)置的參數(shù)信號(hào)后，會(huì)發(fā)出一個(gè)高電平信號(hào)，控制充電回路中的IGBT開關(guān)閉合，使得充電回路導(dǎo)通，從而讓整流后的直流電源對(duì)儲(chǔ)能電容C12開始充電。當(dāng)充電時(shí)間達(dá)到預(yù)設(shè)值后，單片機(jī)會(huì)發(fā)出一個(gè)低電平使得開關(guān)Q11斷開，此時(shí)整個(gè)充電過(guò)程結(jié)束。

當(dāng)Q11斷開后，單片機(jī)會(huì)間隔50μs對(duì)開關(guān)Q12發(fā)出一個(gè)高電平，使其閉合，從而開始后級(jí)回路中的放電過(guò)程。同理，當(dāng)放電結(jié)束后，也就是C12兩端電壓為0時(shí)，單片機(jī)會(huì)在指定足夠長(zhǎng)的時(shí)間后變成低電平，使其后級(jí)驅(qū)動(dòng)開關(guān)IGBT斷開，這是整個(gè)過(guò)程就結(jié)束了。

**2.2 **單片機(jī)電路

如圖3所示，P10口作為A/D采集所用，P11和P12作為給控制開關(guān)輸出高低電平，當(dāng)輸出高電平時(shí)開關(guān)閉合，當(dāng)輸出低電平時(shí)開關(guān)斷開。S1是設(shè)置充電時(shí)間按鍵，S2是確認(rèn)按鍵。J12是單片機(jī)的下載端口。

圖3 單片機(jī)電路

在這里特別說(shuō)明一點(diǎn)，單片機(jī)使用的是30M的晶振，這樣對(duì)于STC12C5A60S2單片機(jī)來(lái)講，可以大大提高其采樣率，理論計(jì)算采樣率為350kHz，采樣周期則為2.8μs，為之后采集波形帶來(lái)了一定程度上的方便，但對(duì)于8/20μs波形來(lái)講依舊還是太大，無(wú)法精確采集，仍會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，在程序中采用插值法來(lái)減少這樣所帶來(lái)的誤差。

**2.4 **采樣電路

如圖4所示的采樣電路，由于放電回路中瞬時(shí)電流太大，不易采集測(cè)量，這是利用線圈感應(yīng)的方式把大電流感應(yīng)成小電流，再測(cè)量負(fù)載兩端的電壓大小即可。由于本次設(shè)計(jì)要求最大電流為1000A，所以經(jīng)過(guò)計(jì)算利用銅線自制一個(gè)空心線圈。由于計(jì)算的比例是1:2000，購(gòu)買一個(gè)電流互感器更為方便。

圖4 采樣電路

采樣電路中負(fù)載選用的是10的電阻，所以當(dāng)最大電流1kA經(jīng)過(guò)時(shí)，R13上的電壓只有5V，此時(shí)才可以輸入單片機(jī)選用的A/D中，經(jīng)過(guò)單片機(jī)的采樣與計(jì)算再輸出顯示。

3軟件設(shè)計(jì)

通過(guò)單片機(jī)控制充放電時(shí)間來(lái)控制充電電壓大小，以達(dá)到后級(jí)電流可調(diào)的目的，再利用采集電路對(duì)放電回路中的負(fù)載進(jìn)行電參數(shù)采集，然后送給單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算，最后在液晶顯示屏上顯示所需要的數(shù)據(jù)。軟件設(shè)計(jì)的主函數(shù)流程圖如圖5所示。

圖5 主函數(shù)流程圖

4****演示結(jié)果與分析

實(shí)物圖如圖6所示。右下方模塊是單片機(jī)電路，包括單片機(jī)最小系統(tǒng)及液晶顯示模塊；而右上方為采樣電路部分，左側(cè)是一自制電源，通過(guò)變壓器將220V電壓轉(zhuǎn)成15V和5V電壓供給電路。

圖6 實(shí)物展示

圖7 控制電壓

單片機(jī)控制充放電開關(guān)是通過(guò)輸出一個(gè)高低電平來(lái)控制通斷的，如圖7所示，左側(cè)的圖顯示為充電狀態(tài)，右側(cè)的圖顯示為放電狀態(tài)。單片機(jī)輸出5V的高電平則表示開關(guān)閉合，輸出0V的低電平則表示為開關(guān)斷開。

波形及參數(shù)測(cè)試如圖8所示，液晶顯示屏在前端丟失了部分波形，沒有采集顯示出來(lái)；而采集到的電參數(shù)，像幅值、半波時(shí)間以及上升沿時(shí)間是與實(shí)際上存在一定的誤差。

在這里對(duì)這樣的結(jié)果進(jìn)行簡(jiǎn)單分析：波形部分，認(rèn)為產(chǎn)生丟失波形的原因有兩個(gè)，其一是使得單片機(jī)判斷出現(xiàn)波形時(shí)的算法還有待改進(jìn)；其二是雷電波形發(fā)生的時(shí)候有一定的干擾；電參數(shù)部分，幅值、上升沿時(shí)間以及半波時(shí)間的確定存在一定的誤差，這來(lái)源于51單片機(jī)的缺陷，采樣率依舊比較低，采樣周期只有2.8μs，對(duì)于產(chǎn)生的8/20μs波形來(lái)說(shuō)依舊略大，無(wú)法更精細(xì)的判斷，導(dǎo)致產(chǎn)生一定誤差。

圖8 波形及參數(shù)測(cè)試

**5 **結(jié)論

雷電釋放瞬間會(huì)產(chǎn)生較大的脈沖電流，放電一次時(shí)間很短，約在40μs左右，本文主要針對(duì)1kA電流的脈沖電流發(fā)生器展開研究，對(duì)如何控制和采集脈沖電流的問(wèn)題提出了利用STC12C5A60S2的單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)方案。因此對(duì)于脈沖電流測(cè)控技術(shù)的研究對(duì)于預(yù)防雷電產(chǎn)生的影響具有較大的現(xiàn)實(shí)意義。