流量计系列产品
 
 

电磁流量计励磁控制方案设计

发布时间:2018-07-02
 

基于能量回馈和电流旁路的高低压励磁控制方案框图如图1所示,主要由高、低压电源、能量回馈电路、高、低压切换电路、恒流控制电路、电流旁路电路、H桥开关电路、检流电路和励磁时序产生电路组成。
1 工作流程
在励磁平稳阶段,励磁线圈中的励磁电流为稳态设定值。迟滞比较电路控制高低压切换电路,切换至低压源作为励磁工作电源,并切断电流旁路电路。恒流控制电路在低压供电的情况下通过H桥向励磁线圈提供恒定电流。

当励磁方向切换时,励磁线圈首先对能量回馈电路放电,检流电路检测到的电流值瞬间为负,从而切换高压源作为励磁工作电源,同时接通电流旁路电路,以屏蔽恒流控制电路。励磁线圈中的能量通过泄放回路,由能量回馈电路中的储能电容储存起来。此时电容两端的电压幅值超过输入端的高压源。待励磁线圈能量泄放完成后,励磁线圈中的电流减小为零并改变方向,能量回馈电路开始放电,将储存的能量通过电流旁路电路和H桥直接回馈给励磁线圈。待能量回馈电路两端电压下降到高压源电平状态时,由高压源直接通过电流旁路电路和H桥对励磁线圈进行励磁控制。当线圈中励磁电流上升到设定的超调量时,迟滞比较电路控制高低压切换电路,切换低压源作为励磁工作电源并切断电流旁路电路,然后由恒流控制电路开始对励磁电流进行恒流控制。
2 能量回馈
电磁流量计励磁线圈为一感性储能元件,在方波励磁时,励磁系统需要不断对其进行充放电。当励磁电流稳定时,励磁线圈中储存了一定的能量。当励磁方向切换时,励磁线圈需要先将所储存的能量泄放掉,然后改变电流方向,再重新充电。因此,需要为励磁线圈提供能量泄放回路。虽然,可以采用稳压限幅二极管搭建限幅电路构成能量泄放回路,即线圈中的电流流过限幅二极管,将能量消耗在二极管上。按照功的计算公式W=UIt可知,在电流与功均为定值的情况下,电压的幅值与时间成反比。所以,为了加快励磁线圈的能量泄放速度,能量泄放电路需要处在一个较高的电压水平,以提高励磁线圈的能量泄放功率。但是,限幅二极管的限幅电压很低,即使线圈中的电压能够突变,仍被限制在限幅二极管的反向导通电压幅值水平。并且,由于励磁线圈电流不能突变,所以能量泄放功率较小、能量泄放速度较慢,使得励磁方向切换后的励磁电流响应速度较慢,不利于实现高频励磁,且系统发热较为严重。因此,设计能量回馈电路来储存励磁线圈所泄放的能量,并在线圈中励磁电流方向改变时将能量重新回馈给励磁线圈,从而避免励磁线圈泄放的能量被消耗在电路中。
采用储能电容结合相应的保护电路来搭建能量回馈电路。若将能量回馈电路设置在H桥输入端,对于恒流源而言,相当于加入了一个容性负载,这不仅会降低恒流控制性能,还会影响能量泄放速度。这是因为,在励磁方向切换至高压供电前,H桥输入端是处于励磁平稳阶段的低压状态,这不利于线圈能量快速泄放。为此,将能量回馈电路设置在高压电源与高低压切换电路之间,如图1所示。这样,能量回馈电路中的储能电容会被预充电到与高压电源相同的电压,且在励磁线圈的能量泄放过程中会逐渐升压,从而能够加快能量泄放速度。
在励磁线圈中的能量泄放完成后,由于励磁线圈中电流方向开始反向且幅值很小,高低压切换电路仍选择高压源作为励磁工作电源,以加快电流响应速度。所以,能量回馈电路中的储能电容将储存的能量重新回馈给励磁线圈。这样,励磁线圈中的能量在一次方向切换过程中,既与储能电容完成一次能量往返交换,又避免了在电路上的损耗。

3 恒流控制
目前已有的恒流电路采用反馈进行PWM调节来进行恒流控制,或者通过在H桥低端设置晶体管进行恒流控制。采用PWM反馈控制原理构建的恒流源,响应速度较慢,不适用于高频励磁,并且电流波动较大。在H桥低端设置晶体管则会导致H桥的低端电压波动较大,不利于H桥的开关控制。因此,采用三段线性稳压电源芯片搭建恒流源电路,并且将恒流电路放置于H桥的高端输入端。在励磁电流尚未达到设定值时,线性稳压电源为饱和输出,输出电压跟随输入电压的变化;而当励磁电流接近设定值时,线性稳压电源输出则为线性调节输出,以进行恒流控制。这样能够获得较快的励磁电流响应速度,电流波动较小。

4 电流旁路
在电磁流量计励磁恒流控制中,通过产生电流超调可以加速恒流控制。但由于本方案中采用高低压励磁的控制方式,高压与低压之间的切换条件为:励磁电流到达设定的阈值。为了获得超调,要求该设定的阈值大于励磁电流的稳态设定值。又由于三端线性稳压电源芯片搭建的恒流源电路,其输出端的设定电阻决定了其输出电流的大小。所以,如不采取措施,则会导致在励磁电流达到设定值后,由于没有满足切换条件,系统仍以高压电源供电,这将导致三端稳压电源芯片输入输出之间的电压超过最大允许值。
由于低压源供电时恒流控制电路针对感性负载的控制响应速度较慢,从而会使励磁电流到达稳态的时间较长。另外,励磁工作电源突然从高压源切换到低压源也会使三端稳压电源芯片的输出产生一个暂态响应过程,同样不利于励磁电流快速进入稳态。因此,在恒流控制电路两端并联电流旁路电路,以实现励磁电流响应超调,加快响应速度。
在图1中当电流旁路电路接通时,恒流控制电路将被屏蔽,实现励磁工作电源与H桥直通的目的;该电路断开则使恒流控制电路重新起作用。电流旁路电路由迟滞比较电路控制是否接通。励磁电流能否实现响应超调,依赖于迟滞比较电路参数的配置。比较电路迟滞环的阈值下限设为低于励磁电流的稳态设定值,在励磁电流在下降到一定值时,才选通高压源作为励磁工作电源。阈值上限则根据电流超调量的要求,取略高于励磁电流的稳态设定值,在励磁电流上升到设定超调量后,切换低压源作为励磁工作电源并切断电流旁路电路。这样,迟滞比较电路和电流旁路电路共同实现励磁电流的响应超调控制,从而加速励磁电流的恒流控制速度。
另外,励磁系统中检流电路设置在H桥外励磁线圈的充放电回路上。励磁线圈充电时,检流电路所检测到的电流值为正值;励磁线圈放电时,检流电路所检测到的电流值为负值。