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基于線性電源的單/雙頻電磁流量計(jì)勵(lì)磁控制系統(tǒng)
研制電磁流量計(jì)勵(lì)磁控制系統(tǒng) , 提出基于線性電源設(shè)計(jì)恒流源電路 , 并采用高壓源激勵(lì)使系統(tǒng)具有快速響應(yīng)性能, 基于 H橋設(shè)計(jì)勵(lì)磁線圈驅(qū)動(dòng)電路以進(jìn)行方波激勵(lì) , 設(shè)計(jì)檢流電路以實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁電流的準(zhǔn)確檢測(cè) , 基于 DSP設(shè)計(jì)勵(lì)磁時(shí)序產(chǎn)生電路實(shí)現(xiàn)單頻或雙頻勵(lì)磁。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 , 該勵(lì)磁控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的高頻或雙頻勵(lì)磁并保證電磁流量計(jì)輸出信號(hào)具有穩(wěn)定零點(diǎn), 從而為提高其測(cè)量速度和測(cè)量精度奠定基礎(chǔ)。
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, 低頻方波依據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律 , 電磁流量計(jì)通過(guò)勵(lì)勵(lì)磁無(wú)法實(shí)現(xiàn)快速測(cè)量和保證漿液測(cè)量的精度。為磁線圈將磁場(chǎng)施加給被測(cè)流體 , 從而通過(guò)檢測(cè)磁場(chǎng)此, 國(guó)外提出高頻勵(lì)磁和雙頻勵(lì)磁方式 , 例如, 日本中運(yùn)動(dòng)流體的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)來(lái)測(cè)量導(dǎo)電液體體積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(méi)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(guò)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 Fig. 1 Diagram of excitation control system for electromagnetic flowmeter 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(guò)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(guò)調(diào)整該電阻值即可獲得期望電流。輸入電壓 VCC為 36 V, 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 Fig. 2 Schematic circuit diagram of constant-current source
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(guò)電流控制信號(hào) CON1和 CON2控制其通斷 , 從而避免因感性負(fù)載造成電壓不穩(wěn)而較難控制的問(wèn)題 ; 低端采用 N溝道 MOS管, 以方便直接通過(guò)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*流過(guò)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 Fig. 3 Block diagram of excitation coil’s drive circuit and current measuring circuit
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 TMS320F 2812(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 GP Timer根據(jù)勵(lì)磁方式的不同通過(guò) 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 3.3V CMOS邏輯電平轉(zhuǎn)換為 5 V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(guò)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(guò)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 Fig. 4 Block diagram of exciting scheduling generating circuit