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電磁流量計基于線性電源的單雙頻勵磁控制系統(tǒng)

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更新時間：2022-11-11 15:59:49瀏覽次數(shù)：205次

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蘇州華陸儀器儀表有限公司

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產(chǎn)品簡介

電磁流量計基于線性電源的單雙頻勵磁控制系統(tǒng)，勵磁電流響應(yīng)速度快，保證了穩(wěn)定的信號零點，檢流準(zhǔn)確，勵磁頻率**這從而為提高電磁流量計測量精度和測量速度奠定了基礎(chǔ)，并為其進(jìn)行漿液流體的測量提供了條件。

詳細(xì)介紹

電磁流量計基于線性電源的單雙頻勵磁控制系統(tǒng) ，依據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，電磁流量計通過勵磁線圈將磁場施加給被測流體，從而通過檢測磁場中運動流體的感應(yīng)電動勢來測量導(dǎo)電液體體積流量，目前，國內(nèi)的電磁流量計基本上采用低頻方波勵磁方式，以獲得穩(wěn)定的零點，但是，低頻方波勵磁無法實現(xiàn)快速測量和保證漿液測量的精度。

然而，在高頻勵磁（雙頻勵磁中也存在高頻勵磁）時，由于勵磁線圈的感性負(fù)載特性，勵磁電流在勵磁半周期內(nèi)很難達(dá)到穩(wěn)態(tài)，從而使信號很難獲得穩(wěn)定的零點。因而，恒流控制的快速響應(yīng)特性是高頻勵磁控制系統(tǒng)的設(shè)計重點。同時，勵磁電流的準(zhǔn)確檢測及勵磁頻率的**控制是獲得高精度信號處理結(jié)果的前提。但是，國外公司沒有披露這些關(guān)鍵技術(shù)的具體細(xì)節(jié)[8-9]。
針對恒流控制的快速性、勵磁電流檢測的準(zhǔn)確性及勵磁頻率控制的**性的目的，基于線性電源設(shè)計了恒流控制電路、并采用高壓源激勵，使其具有快速響應(yīng)性能，基于H橋設(shè)計實現(xiàn)方波勵磁驅(qū)動電路，在H橋低端與地之間接入檢流電路，并通過控制H橋工作方式實現(xiàn)準(zhǔn)確檢流，基于DSP結(jié)合外圍器件設(shè)計勵磁時序產(chǎn)生電路實現(xiàn)單頻或雙頻**勵磁。
2 系統(tǒng)硬件
2.1 設(shè)計方案
該電磁流量計勵磁控制系統(tǒng)主要包括恒流源電路、勵磁線圈驅(qū)動電路、勵磁時序產(chǎn)生電路及檢流電路，其框圖如圖1所示。
系統(tǒng)由恒流源電路向勵磁線圈驅(qū)動電路供電，勵磁線圈驅(qū)動電路根據(jù)勵磁時序產(chǎn)生電路發(fā)出的勵磁時序控制信號CT1和CT2，對勵磁線圈進(jìn)行方波勵磁。檢流電路置于勵磁線圈驅(qū)動電路中，將流過勵磁線圈的電流轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出。勵磁時序產(chǎn)生電路基于DSP設(shè)計，DSP同時進(jìn)行電磁流量計的信號處理。
2.2 恒流源電路
由于采用高頻勵磁，勵磁電流高達(dá)數(shù)百毫安，勵磁線圈為感性負(fù)載，而采用DC/DC器件或類似PWM控制原理反饋控制構(gòu)建的恒流源電路會使勵磁電流響應(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。
2.3 勵磁線圈驅(qū)動電路及檢流電路
勵磁線圈驅(qū)動電路主要由H橋及其開關(guān)驅(qū)動電路組成，其電路框圖如圖3所示。H橋優(yōu)異采用PNP達(dá)林頓晶體管，以方便其開關(guān)驅(qū)動電路通過電流控制信號CON1和CON2控制其通斷，從而避免因感性負(fù)載造成優(yōu)異電壓不穩(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)確檢測勵磁電流。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)計為低阻值，以保證H橋低端電壓波動幅值較小。H橋優(yōu)異接上限幅電路，以保證H橋正常工作，并且為勵磁線圈在電流方向切換時釋放能量提供回路。H橋控制采用對臂聯(lián)動控制，以保證單雙頻勵磁時續(xù)流回路均具有高阻抗，進(jìn)而保證零點穩(wěn)定性。CON1、CON2、CON3、CON4由H橋開關(guān)驅(qū)動電路根據(jù)接收的勵磁時序CT1和CT2產(chǎn)生。其中，CON1與CON4由CT1控制，CON2與CON3由CT2控制，以實現(xiàn)單頻勵磁或雙頻勵磁時勵磁線圈中電流流過檢流電路。CD1和CD2直接接勵磁線圈，以提供勵磁電流。
2.4 勵磁時序產(chǎn)生電路
勵磁時序產(chǎn)生電路主要由DSP芯片TMS320F2812（以下簡稱F2812）結(jié)合多路開關(guān)及電平匹配電路組成，以產(chǎn)生勵磁時序控制信號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OEn由DSP的GPIO控制，通道選擇信號SLE和輸入信號SIG由DSP的EV模塊及其中的GPTimer根據(jù)勵磁方式的不同通過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邏輯電平以控制勵磁線圈驅(qū)動電路。由于系統(tǒng)上電復(fù)位時，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CES2和CES2下拉，以使CT1和CT2為低電平，從而使勵磁線圈驅(qū)動電路中的H橋各橋臂均關(guān)斷。系統(tǒng)啟動后，OEn置低，多路開關(guān)被使能。SLE為低電平時，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，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信號波形即可進(jìn)行不同方式的勵磁控制。
3 系統(tǒng)軟件
基于硬件電路設(shè)計之上，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器（GPTimer）控制PWM輸出以產(chǎn)生勵磁時序控制信號。這樣，系統(tǒng)在啟動勵磁后無需軟件再次干預(yù)，從而保證勵磁頻率的精度，并減輕CPU的負(fù)擔(dān)，以便進(jìn)行電磁流量計的信號處理任務(wù)。系統(tǒng)上電復(fù)位后，先初始化GPIO口，使控制信號OEn為低電平，以使能多路開關(guān)輸出。
單頻勵磁：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。SLE信號頻率由GPTimer4初始化時設(shè)定，即為勵磁頻率。這樣，在系統(tǒng)初始化完成后，啟動GPTimer4即可啟動勵磁。單頻勵磁的時序波形圖如圖5所示。
雙頻勵磁：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控制信號頻率。其中，SIG信號頻率由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同時啟動。系統(tǒng)初始化完成后啟動GPTimer3即可啟動雙頻勵磁。雙頻勵磁的時序波形圖如圖6所示。
4 實驗結(jié)果
系統(tǒng)研制完成后，為考察其性能指標(biāo)，針對重慶川儀自動化股份有限公司生產(chǎn)的口徑為40mm的接觸式電磁流量計一次儀表（勵磁線圈電感值約為250mH）進(jìn)行了勵磁控制實驗，勵磁電流由圖2中R1確定為320mA左右。實驗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。實驗步驟：1）將電磁流量計一次儀表裝在標(biāo)定裝置上，并與該勵磁控制系統(tǒng)接好線，同時將一次儀表的感應(yīng)輸出信號接至電磁流量計信號采集模塊；2）啟動標(biāo)定裝置并手動控制閥門調(diào)節(jié)至某上等速；3）啟動系統(tǒng)開始對一次儀表進(jìn)行勵磁。系統(tǒng)中，檢流電路與傳感器輸出信號均由電磁流量計系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)理放大采集，并通過RS232通信傳送至上位機保存。系統(tǒng)采樣率為4800Hz。

實驗中，分別通過軟件設(shè)定采用單頻25Hz和雙頻6.25Hz/75Hz進(jìn)行方波勵磁，并在儀表量程范圍內(nèi)取多個流量點進(jìn)行實驗。實驗結(jié)果顯示，針對上述電磁流量計一次儀表，勵磁電流在勵磁方向切換后上升時間（0%~90%）約為2.3ms，調(diào)節(jié)時間（進(jìn)入穩(wěn)態(tài)±0.5%誤差帶）約為4.5ms。由于勵磁電流調(diào)節(jié)時間只與電路參數(shù)有關(guān)，因而下面只給出流速約為30m3/H情況下，高頻勵磁和雙頻勵磁時系統(tǒng)所采集的勵磁電流信號和一次儀表輸出信號曲線圖分別如圖7、圖8所示。由圖3所示檢流原理可知，檢流電阻上所檢測的電流信號穩(wěn)態(tài)時只可能為零或正，而其能夠根據(jù)已知的勵磁階段進(jìn)行翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成實際勵磁線圈中的電流信號（與傳感器輸出信號波形相似）。

圖7 高頻（25Hz）勵磁信號波形圖

圖8 雙頻（6.25Hz/75Hz）勵磁信號波形圖

圖9 本文技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)勵磁實驗結(jié)果波形圖

在蘇州華陸儀器儀表有限公司100口徑（電感值約為353.5mH）標(biāo)定線上，分別對該勵磁系統(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)的勵磁系統(tǒng)進(jìn)行勵磁實驗，實驗結(jié)果如圖9所示。由圖可知，本文所研制的勵磁系統(tǒng)在25Hz勵磁時能快速進(jìn)入勵磁穩(wěn)態(tài)，且勵磁電流超調(diào)小，而現(xiàn)有技術(shù)勵磁電流超調(diào)量大且在12.5Hz勵磁時即無法進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。
5 結(jié)論
本文提出采用線性電源設(shè)計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)動控制、H橋低端檢流以保證單雙頻勵磁零點穩(wěn)定和電流檢測的準(zhǔn)確性，采用DSP通過其片上硬件產(chǎn)生PWM勵磁控制信號以保證勵磁頻率的**性。經(jīng)上述研究分析及實驗結(jié)果可知，所研制的基于線性電源的單雙頻電磁流量計勵磁控制系統(tǒng)能對電磁流量計一次儀表進(jìn)行高頻勵磁或雙頻勵磁，勵磁電流響應(yīng)速度快，保證了穩(wěn)定的信號零點，檢流準(zhǔn)確，勵磁頻率**，這從而為提高電磁流量計測量精度和測量速度奠定了基礎(chǔ)，并為其進(jìn)行漿液流體的測量提供了條件。

關(guān)鍵詞：電磁流量計線性電源流量計芯片控制閥