基于線性電源的單/雙頻電磁流量計(jì)勵(lì)磁控制系統(tǒng)

基于線性電源的單/雙頻電磁流量計(jì)勵(lì)磁控制系統(tǒng) 
   摘要: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)單頻或雙頻精確勵(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)精確的高頻或雙頻勵(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)。
   關(guān)鍵詞:電磁流量計(jì); 勵(lì)磁控制系統(tǒng); 線性電源; 高頻勵(lì)磁; 雙頻勵(lì)磁
   1引言流量[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(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(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 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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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
   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(guò)其片上 EV模塊及其中通用定時(shí)器 (GP Timer)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(wú)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(kāi)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 GP Timer4, 由 T4PWM輸出產(chǎn)生 SLE信號(hào)。 SLE信號(hào)頻率由 GP Timer4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) GP Timer4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 Fig. 5 Scheduling curves of single-frequency exciting 雙頻勵(lì)磁: SIG和 SLE均由 F2812片上 EV模初始化設(shè)置為低頻 , GP Timer4初始化為隨 GP 塊中 PWM輸出控制產(chǎn)生 , 且分別由 GP Timer3 和 Timer3同時(shí)啟動(dòng)。系統(tǒng)初始化完成后啟動(dòng) GP GP Timer4控制信號(hào)頻率。其中 , SIG信號(hào)頻率由 Timer3即可啟動(dòng)雙頻勵(lì)磁。雙頻勵(lì)磁的時(shí)序波形GP Timer3初始化設(shè)置為高頻 , SLE由 GP Timer4圖如圖 6所示。圖 6 雙頻勵(lì)磁時(shí)序波形圖 Fig. 6 Scheduling curves of dual-frequency exciting
   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 40 mm的接觸式智能電磁流量計(jì)一次儀表(勵(lì)磁線圈電感值約為 250 mH)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 320 mA左右。實(shí)驗(yàn)在江西流量器廠生產(chǎn)的 XBT DN15-50Ⅱ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)至某速 ; 3)啟動(dòng)系統(tǒng)開(kāi)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(guò)調(diào)理放大采集 , 并通過(guò) RS232通信傳送至上位機(jī)保存。系統(tǒng)采樣率為 4 800 Hz。實(shí)驗(yàn)中, 分別通過(guò)軟件設(shè)定采用單頻 25 Hz和雙頻 6.25 Hz/75 Hz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 2.3 ms,調(diào)節(jié)時(shí)間 (進(jìn)入穩(wěn)態(tài)±0.5%誤差帶 )約為 4.5 ms。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 30 m3/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 Fig. 7 Signal waveform of high-frequency(25Hz) exciting 圖 8 雙頻(6.25Hz/75Hz)勵(lì)磁信號(hào)波形圖 Fig. 8 Signal waveform of dual-frequency(6.25Hz/75Hz) exciting 在重慶川儀自動(dòng)化股份有限公司 100口徑(電由圖可知 , 本文所研制的勵(lì)磁系統(tǒng)在 25 Hz勵(lì)磁時(shí)感值約為 353.5 mH)標(biāo)定線上 , 分別對(duì)該勵(lì)磁系統(tǒng)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)有和現(xiàn)有技術(shù)中采用 DC/DC調(diào)壓反饋恒流控制技術(shù)技術(shù)勵(lì)磁電流超調(diào)量大且在 12.5 Hz勵(lì)磁時(shí)即無(wú)法的勵(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。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 (a) Proposed technical exciting result by 25Hz (b) Existing technical exciting result by 12.5Hz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 Fig. 9 Waveform of exciting results by the proposed technology and existing technology
   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(guò)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智能電磁流量計(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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