电磁成形短脉冲放电电流的高速数据采集与信号处理

摘要

作为一种轻合金材料高速成形的新型技术手段，电磁成形技术得到了越来越广泛的应用。它可以实现一些高强度难成形的金属材料的成形，具有非接触提高材料表面质量、高速率减小金属工件回弹等优势，能克服传统成形方法的技术瓶颈。而电磁成形工艺中，成形线圈与金属工件之间相互作用的电磁力是由流过成形线圈电流的快速变化产生的。电磁成形技术中，成形回路的放电电流是一个重要参数，一方面反映了放电回路电气参数的实时特征，另一方面是计算驱动材料变形的电磁力的基础。因此，对电磁成形装置放电电流的准确测量具有重要意义。
　　电磁成形过程中的放电电流是一种变化频率高、幅值大的脉冲电流，其测量存在一些传统电流测量难以克服的困难之处。论文根据实际的测量要求，分析了电磁成形短脉冲放电电流的测量原理，仿真分析了放电电流的变化特性，提出了以空心线圈作为传感器采集放电电流微分形式的信号、以结构灵活的数字积分器进行积分运算的总体技术方案。
　　在测量系统硬件设计方面，论文针对传感器输出电压过大问题，通过信号的衰减处理后将数据送入以FPGA和DSP为核心的硬件系统进行差分放大，以消除零点漂移等干扰因素对数据准确性的影响，而后将数据送入AD芯片中进行模数转换，将模拟信号转换为数字信号进行积分运算。在测量系统软件实现方面，论文阐述了测量装置各模块的软件设计构架，介绍了数据采集和处理的软件实现方案，结合具体功能实现，给出了部分程序代码。测量系统信号处理的关键部分采用了基于FPGA和DSP的数据采集方案，将DSP高速数据处理和FPGA的高速时序控制特点结合起来，实现了放电电流10MSps的高速采集。
　　论文设计搭建了相应的放电电流测量装置，在华中科技大学国家脉冲强磁场中心973多时空电磁成形实验平台上进行了现场测试，测量了电磁胀环实验中的放电电流。实验结果表明，测量数据的一致性和误差均可控制在3％以内，满足脉冲大电流的测量需要，验证了本测量系统的可行性。论文计算并分析了测量误差，并以此为基础根据实际设计过程中的问题提出了今后可能的改进方案。
　　最后，对论文工作进行了总结，对下一步工作作出了展望。

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1 引言

1.1 课题背景和研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的主要工作

2 放电电流特性与测量原理分析

2.1 电磁成形放电装置

2.2 电磁成形放电电流特性

2.3 空心线圈测量原理

2.4 信号的衰减处理

2.5 积分器的选取

2.6 数字积分算法

2.7 信号的滤波

本章小结

3 电磁成形放电电流数据采集与处理系统硬件设计方案

3.1 总体设计方案

3.2 核心芯片选型

3.3 硬件电路模块介绍与工作原理

本章小结

4 电磁成形放电电流数据采集与处理系统的软件开发

4.1 设备驱动程序

4.2 高速数据采集与信号处理程序

4.3 网络通讯协议

本章小结

5 实验验证及结果分析

5.1 测量环境

5.2 测量数据与波形

5.3 测量结果分析

本章小结

6 论文总结

致谢

参考文献