基于線性電源的單/雙頻電磁流量計(jì)勵(lì)磁控制系統(tǒng)

1 引言

    依據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，電磁流量計(jì)通過勵(lì)磁線圈將磁場(chǎng)施加給被測(cè)流體，從而通過檢測(cè)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)流體的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)來測(cè)量導(dǎo)電液體體積流量[1]。目前，國(guó)內(nèi)的電磁流量計(jì)基本上采用低頻方波勵(lì)磁方式，以獲得穩(wěn)定的零點(diǎn)[2-6]。但是，低頻方波勵(lì)磁無法實(shí)現(xiàn)快速測(cè)量和保證漿液測(cè)量的精度。為此，國(guó)外提出高頻勵(lì)磁和雙頻勵(lì)磁方式，例如，日本橫河的雙頻電磁流量計(jì)[7]和東芝的高頻電磁流量計(jì)。    

    然而，在高頻勵(lì)磁（雙頻勵(lì)磁中也存在高頻勵(lì)磁）時(shí)，由于勵(lì)磁線圈的感性負(fù)載特性，勵(lì)磁電流在勵(lì)磁半周期內(nèi)很難達(dá)到穩(wěn)態(tài)，從而使信號(hào)很難獲得穩(wěn)定的零點(diǎn)。因而，恒流控制的快速響應(yīng)特性是高頻勵(lì)磁控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)。同時(shí)，勵(lì)磁電流的準(zhǔn)確檢測(cè)及勵(lì)磁頻率的精確控制是獲得高精度信號(hào)處理結(jié)果的前提。但是，國(guó)外公司沒有披露這些關(guān)鍵技術(shù)的具體細(xì)節(jié)[8-9]。      

    針對(duì)恒流控制的快速性、勵(lì)磁電流檢測(cè)的準(zhǔn)確性及勵(lì)磁頻率控制的精確性的目的，基于線性電源設(shè)計(jì)了恒流控制電路、并采用高壓源激勵(lì)，使其具有快速響應(yīng)性能，基于H橋設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方波勵(lì)磁驅(qū)動(dòng)電路，在H橋低端與地之間接入檢流電路，并通過控制H橋工作方式實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確檢流，基于DSP結(jié)合外圍器件設(shè)計(jì)勵(lì)磁時(shí)序產(chǎn)生電路實(shí)現(xiàn)單頻或雙頻精確勵(lì)磁。

    2 系統(tǒng)硬件

    2.1 設(shè)計(jì)方案

    該電磁流量計(jì)勵(lì)磁控制系統(tǒng)主要包括恒流源電路、勵(lì)磁線圈驅(qū)動(dòng)電路、勵(lì)磁時(shí)序產(chǎn)生電路及檢流電路，其框圖如圖1所示。

圖1 電磁流量計(jì)勵(lì)磁控制系統(tǒng)框圖

    系統(tǒng)由恒流源電路向勵(lì)磁線圈驅(qū)動(dòng)電路供電，勵(lì)磁線圈驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)勵(lì)磁時(shí)序產(chǎn)生電路發(fā)出的勵(lì)磁時(shí)序控制信號(hào)CT1和CT2，對(duì)勵(lì)磁線圈進(jìn)行方波勵(lì)磁。檢流電路置于勵(lì)磁線圈驅(qū)動(dòng)電路中，將流過勵(lì)磁線圈的電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出。勵(lì)磁時(shí)序產(chǎn)生電路基于DSP設(shè)計(jì)，DSP同時(shí)進(jìn)行電磁流量計(jì)的信號(hào)處理。    

    2.2 恒流源電路

    由于采用高頻勵(lì)磁，勵(lì)磁電流高達(dá)數(shù)百毫安，勵(lì)磁線圈為感性負(fù)載，而采用DC/DC器件或類似PWM控制原理反饋控制構(gòu)建的恒流源電路會(huì)使勵(lì)磁電流響應(yīng)速度慢，因而采用高功率線性電源搭建恒流控制電路，以獲得較高的響應(yīng)速度。恒流源電路原理圖如圖2所示。R1采用精密電阻，通過調(diào)整該電阻值即可獲得期望電流。輸入電壓VCC為36V，D1為保護(hù)二極管，D2防止電流反向。由于電流進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后負(fù)載端電壓較低，因而線性電源上固定散熱片以降低芯片工作溫度。

圖2 恒流源電路原理圖

    2.3 勵(lì)磁線圈驅(qū)動(dòng)電路及檢流電路

    勵(lì)磁線圈驅(qū)動(dòng)電路主要由H橋及其開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路組成，其電路框圖如圖3所示。H橋高端采用PNP達(dá)林頓晶體管，以方便其開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路通過電流控制信號(hào)CON1和CON2控制其通斷，從而避免因感性負(fù)載造成高端電壓不穩(wěn)而較難控制的問題；低端采用N溝道MOS管，以方便直接通過電壓控制信號(hào)CON3和CON4控制其通斷；由于MOS管柵極電流很小，從而可以在H橋低端與地之間接入檢流電路以準(zhǔn)確檢測(cè)勵(lì)磁電流。H橋橋臂PNP管和MOS管均選用內(nèi)部反并肖特基二極管。檢流電路設(shè)計(jì)為低阻值，以保證H橋低端電壓波動(dòng)幅值較小。H橋高端接上限幅電路，以保證H橋正常工作，并且為勵(lì)磁線圈在電流方向切換時(shí)釋放能量提供回路。H橋控制采用對(duì)臂聯(lián)動(dòng)控制，以保證單雙頻勵(lì)磁時(shí)續(xù)流回路均具有高阻抗，進(jìn)而保證零點(diǎn)穩(wěn)定性。CON1、CON2、CON3、CON4由H橋開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)接收的勵(lì)磁時(shí)序CT1和CT2產(chǎn)生。其中，CON1與CON4由CT1控制，CON2與CON3由CT2控制，以實(shí)現(xiàn)單頻勵(lì)磁或雙頻勵(lì)磁時(shí)勵(lì)磁線圈中電流完全流過檢流電路。CD1和CD2直接接勵(lì)磁線圈，以提供勵(lì)磁電流。

圖3 勵(lì)磁線圈驅(qū)動(dòng)電路及檢流電路框圖

    2.4 勵(lì)磁時(shí)序產(chǎn)生電路

    勵(lì)磁時(shí)序產(chǎn)生電路主要由DSP芯片TMS320F2812（以下簡(jiǎn)稱F2812）結(jié)合多路開關(guān)及電平匹配電路組成，以產(chǎn)生勵(lì)磁時(shí)序控制信號(hào)CT1和CT2，其硬件原理框圖如圖4所示。圖中，多路開關(guān)的輸出使能信號(hào)OEn由DSP的GPIO控制，通道選擇信號(hào)SLE和輸入信號(hào)SIG由DSP的EV模塊及其中的GPTimer根據(jù)勵(lì)磁方式的不同通過PWM輸出產(chǎn)生，從而減輕CPU負(fù)擔(dān)。電平匹配電路用于將DSP的3.3VCMOS邏輯電平轉(zhuǎn)換為5V邏輯電平以控制勵(lì)磁線圈驅(qū)動(dòng)電路。由于系統(tǒng)上電復(fù)位時(shí)，DSP各引腳輸出高電平，因而多路開關(guān)各通道輸出呈高阻狀態(tài)，故系統(tǒng)在電平匹配電路前通過下拉電路將控制信號(hào)CES2和CES2下拉，以使CT1和CT2為低電平，從而使勵(lì)磁線圈驅(qū)動(dòng)電路中的H橋各橋臂均關(guān)斷。系統(tǒng)啟動(dòng)后，OEn置低，多路開關(guān)被使能。SLE為低電平時(shí)，CES1與SIG相通，從而使CT1跟隨SIG變化，CT2為低電平；SLE為高電平時(shí)，CES2與SIG相通，從而使CT2跟隨SIG變化，CT1為低電平。據(jù)此，通過產(chǎn)生不同的SIG與SLE信號(hào)波形即可進(jìn)行不同方式的勵(lì)磁控制。

圖4 勵(lì)磁時(shí)序產(chǎn)生電路硬件原理框圖

    3 系統(tǒng)軟件

    基于硬件電路設(shè)計(jì)之上，本系統(tǒng)采用軟件初始化DSP及外圍硬件模塊使DSP通過其片上EV模塊及其中通用定時(shí)器（GPTimer）控制PWM輸出以產(chǎn)生勵(lì)磁時(shí)序控制信號(hào)。這樣，系統(tǒng)在啟動(dòng)勵(lì)磁后無需軟件再次干預(yù)，從而保證勵(lì)磁頻率的精度，并減輕CPU的負(fù)擔(dān)，以便進(jìn)行電磁流量計(jì)的信號(hào)處理任務(wù)。系統(tǒng)上電復(fù)位后，先初始化GPIO口，使控制信號(hào)OEn為低電平，以使能多路開關(guān)輸出。

    單頻勵(lì)磁：初始化SIG為高電平并保持不變；初始化F2812的片上EV模塊及其中GPTimer4，由T4PWM輸出產(chǎn)生SLE信號(hào)。SLE信號(hào)頻率由GPTimer4初始化時(shí)設(shè)定，即為勵(lì)磁頻率。這樣，在系統(tǒng)初始化完成后，啟動(dòng)GPTimer4即可啟動(dòng)勵(lì)磁。單頻勵(lì)磁的時(shí)序波形圖如圖5所示。    

圖5 單頻勵(lì)磁時(shí)序波形圖

    雙頻勵(lì)磁：SIG和SLE均由F2812片上EV模塊中PWM輸出控制產(chǎn)生，且分別由GPTimer3和GPTimer4控制信號(hào)頻率。其中，SIG信號(hào)頻率由GPTimer3初始化設(shè)置為高頻，SLE由GPTimer4初始化設(shè)置為低頻，GPTimer4初始化為隨GPTimer3同時(shí)啟動(dòng)。系統(tǒng)初始化完成后啟動(dòng)GPTimer3即可啟動(dòng)雙頻勵(lì)磁。雙頻勵(lì)磁的時(shí)序波形圖如圖6所示。    

圖6 雙頻勵(lì)磁時(shí)序波形圖    

    4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

    系統(tǒng)研制完成后，為考察其性能指標(biāo)，針對(duì)重慶川儀自動(dòng)化股份有限公司生產(chǎn)的口徑為40mm的接觸式電磁流量計(jì)一次儀表（勵(lì)磁線圈電感值約為250mH）進(jìn)行了勵(lì)磁控制實(shí)驗(yàn)，勵(lì)磁電流由圖2中R1確定為320mA左右。實(shí)驗(yàn)在江西流量器廠生產(chǎn)的XBTDN15-50Ⅱ型水流量標(biāo)定裝置上進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)步驟：1）將電磁流量計(jì)一次儀表裝在標(biāo)定裝置上，并與該勵(lì)磁控制系統(tǒng)接好線，同時(shí)將一次儀表的感應(yīng)輸出信號(hào)接至電磁流量計(jì)信號(hào)采集模塊；2）啟動(dòng)標(biāo)定裝置并手動(dòng)控制閥門調(diào)節(jié)至某一流速；3）啟動(dòng)系統(tǒng)開始對(duì)一次儀表進(jìn)行勵(lì)磁。系統(tǒng)中，檢流電路與傳感器輸出信號(hào)均由電磁流量計(jì)系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)理放大采集，并通過RS232通信傳送至上位機(jī)保存。系統(tǒng)采樣率為4800Hz。

    實(shí)驗(yàn)中，分別通過軟件設(shè)定采用單頻25Hz和雙頻6.25Hz/75Hz進(jìn)行方波勵(lì)磁，并在儀表量程范圍內(nèi)取多個(gè)流量點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，針對(duì)上述電磁流量計(jì)一次儀表，勵(lì)磁電流在勵(lì)磁方向切換后上升時(shí)間（0%~90%）約為2.3ms，調(diào)節(jié)時(shí)間（進(jìn)入穩(wěn)態(tài)±0.5%誤差帶）約為4.5ms。由于勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)時(shí)間只與電路參數(shù)有關(guān)，因而下面只給出流速約為30m3/H情況下，高頻勵(lì)磁和雙頻勵(lì)磁時(shí)系統(tǒng)所采集的勵(lì)磁電流信號(hào)和一次儀表輸出信號(hào)曲線圖分別如圖7、圖8所示。由圖3所示檢流原理可知，檢流電阻上所檢測(cè)的電流信號(hào)穩(wěn)態(tài)時(shí)只可能為零或正，而其能夠根據(jù)已知的勵(lì)磁階段進(jìn)行翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成實(shí)際勵(lì)磁線圈中的電流信號(hào)（與傳感器輸出信號(hào)波形相似）。

圖7 高頻（25Hz）勵(lì)磁信號(hào)波形圖

圖8 雙頻（6.25Hz/75Hz）勵(lì)磁信號(hào)波形圖    

    在重慶川儀自動(dòng)化股份有限公司100口徑（電感值約為353.5mH）標(biāo)定線上，分別對(duì)該勵(lì)磁系統(tǒng)和現(xiàn)有技術(shù)中采用DC/DC調(diào)壓反饋恒流控制技術(shù)的勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行勵(lì)磁實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。由圖可知，本文所研制的勵(lì)磁系統(tǒng)在25Hz勵(lì)磁時(shí)能快速進(jìn)入勵(lì)磁穩(wěn)態(tài)，且勵(lì)磁電流超調(diào)小，而現(xiàn)有技術(shù)勵(lì)磁電流超調(diào)量大且在12.5Hz勵(lì)磁時(shí)即無法進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。

（a）本文技術(shù)25Hz勵(lì)磁結(jié)果  （b）現(xiàn)有技術(shù)12.5Hz勵(lì)磁結(jié)果

圖9 本文技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)勵(lì)磁實(shí)驗(yàn)結(jié)果波形圖

    5 結(jié)論

    本文提出采用線性電源設(shè)計(jì)恒流源電路并由高壓電源供電以加快電流響應(yīng)速度，采用H橋?qū)Ρ勐?lián)動(dòng)控制、H橋低端檢流以保證單雙頻勵(lì)磁零點(diǎn)穩(wěn)定和電流檢測(cè)的準(zhǔn)確性，采用DSP通過其片上硬件產(chǎn)生PWM勵(lì)磁控制信號(hào)以保證勵(lì)磁頻率的精確性。經(jīng)上述研究分析及實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，所研制的基于線性電源的單雙頻電磁流量計(jì)勵(lì)磁控制系統(tǒng)能對(duì)電磁流量計(jì)一次儀表進(jìn)行高頻勵(lì)磁或雙頻勵(lì)磁，勵(lì)磁電流響應(yīng)速度快，保證了穩(wěn)定的信號(hào)零點(diǎn)，檢流準(zhǔn)確，勵(lì)磁頻率精確。這從而為提高電磁流量計(jì)測(cè)量精度和測(cè)量速度奠定了基礎(chǔ)，并為其進(jìn)行漿液流體的測(cè)量提供了條件。    

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