基于線性電源的單/雙頻電磁流量計勵磁控制系統

基于線性電源的單/雙頻電磁流量計勵磁控制系統 
   摘要:研制電磁流量計勵磁控制系統 , 提出基于線性電源設計恒流源電路 , 并采用高壓源激勵使系統具有快速響應性能, 基于 H橋設計勵磁線圈驅動電路以進行方波激勵 , 設計檢流電路以實現勵磁電流的準確檢測 , 基于 DSP設計勵磁時序產生電路實現單頻或雙頻精確勵磁。經實驗驗證 , 該勵磁控制系統可實現精確的高頻或雙頻勵磁并保證電磁流量計輸出信號具有穩定零點, 從而為提高其測量速度和測量精度奠定基礎。
   關鍵詞:電磁流量計; 勵磁控制系統; 線性電源; 高頻勵磁; 雙頻勵磁
   1引言流量[1]。目前 , 國內的電磁流量計基本上采用低頻方波勵磁方式, 以獲得穩定的零點 [2-6]。但是, 低頻方波依據法拉第電磁感應定律 , 電磁流量計通過勵勵磁無法實現快速測量和保證漿液測量的精度。為磁線圈將磁場施加給被測流體 , 從而通過檢測磁場此, 國外提出高頻勵磁和雙頻勵磁方式 , 例如, 日本中運動流體的感應電動勢來測量導電液體體積橫河的雙頻電磁流量計 [7]和東芝的高頻電磁流量計。
    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載特性 , 勵磁電流在勵磁半周期內很難達到穩態 , 從而使信號很難獲得穩定的零點。因而 , 恒流控制的快速響應特性是高頻勵磁控制系統的設計重點。同時 , 勵磁電流的準確檢測及勵磁頻率的精確控制是獲得高精度信號處理結果的前提。但是 , 國外公司沒有披露這些關鍵技術的具體細節[8-9]。針對恒流控制的快速性、勵磁電流檢測的準確性及勵磁頻率控制的精確性的目的 , 基于線性電源設計了恒流控制電路、并采用高壓源激勵 , 使其具有快速響應性能 , 基于 H橋設計實現方波勵磁驅動電路, 在 H橋低端與地之間接入檢流電路 , 并通過控制 H橋工作方式實現準確檢流 , 基于 DSP結合外圍器件設計勵磁時序產生電路實現單頻或雙頻精確勵磁。
   2系統硬件
   2.1設計方案
   該電磁流量計勵磁控制系統主要包括恒流源電路、勵磁線圈驅動電路、勵磁時序產生電路及檢流電路, 其框圖如圖 1所示。圖 1 電磁流量計勵磁控制系統框圖 Fig. 1 Diagram of excitation control system for electromagnetic flowmeter 系統由恒流源電路向勵磁線圈驅動電路供電 , 勵磁線圈驅動電路根據勵磁時序產生電路發出的勵磁時序控制信號 CT1和 CT2, 對勵磁線圈進行方波勵磁。檢流電路置于勵磁線圈驅動電路中 , 將流過勵磁線圈的電流轉換為電壓信號輸出。勵磁時序產生電路基于 DSP設計, DSP同時進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 , 勵磁電流高達數百毫安 , 勵磁線圈為感性負載, 而采用 DC/DC器件或類似 PWM控制原理反饋控制構建的恒流源電路會使勵磁電流響應速度慢 , 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為保護二極管 , D2防止電流反向。由于電流進入穩態后負載端電壓較低 , 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勵磁線圈驅動電路及檢流電路
   勵磁線圈驅動電路主要由 H橋及其開關驅動電路組成, 其電路框圖如圖 3所示。H橋采用 PNP達林頓晶體管 , 以方便其開關驅動電路通過電流控制信號 CON1和 CON2控制其通斷 , 從而避免因感性負載造成電壓不穩而較難控制的問題 ; 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確檢測勵磁電流。 H橋橋臂 PNP管和 MOS管均選用內部反并肖特基二極管。檢流電路設計為低阻值, 以保證 H橋低端電壓波動幅值較小。 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橋控制采用對臂聯動控制 , 以保證單雙頻勵磁時續流回路均具有高阻抗 , 進而保證零點穩定性。CON1、CON2、 CON3、CON4由 H橋開關驅動電路根據接收的勵磁時序 CT1和 CT2產生。其中, CON1與 CON4由 CT1控制, CON2與 CON3由 CT2控制, 以實現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。圖
   3 勵磁線圈驅動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勵磁時序產生電路勵磁時序產生電路主要由 DSP芯片 TMS320F 2812(以下簡稱 F2812)結合多路開關及電平匹配電路組成, 以產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 GP Timer根據勵磁方式的不同通過 PWM輸出產生 , 從而減輕 CPU負擔。電平匹配電路用于將 DSP的 3.3V CMOS邏輯電平轉換為 5 V邏輯電平以控制勵磁線圈驅動電路。由于系統上電復位時 , DSP各引腳輸出高電平 , 因而多路開關各通道輸出呈高阻狀態 , 故系統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 , 從而使勵磁線圈驅動電路中的 H橋各橋臂均關斷。系統啟動后 , OEn置低, 多路開關被使能。 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。據此 , 通過產生不同的 SIG與 SLE信號波形即可進行不同方式的勵磁控制。圖 4 勵磁時序產生電路硬件原理框圖 Fig. 4 Block diagram of exciting scheduling generating circuit
   3系統軟件
   基于硬件電路設計之上 , 本系統采用軟件初始化 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 (GP Timer)控制 PWM輸出以產生勵磁時序控制信號。這樣 , 系統在啟動勵磁后無需軟件再次干預 , 從而保證勵磁頻率的精度 , 并減輕 CPU的負擔, 以便進行電磁流量計的信號處理任務。系統上電復位后 , 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 GP Timer4, 由 T4PWM輸出產生 SLE信號。 SLE信號頻率由 GP Timer4初始化時設定 , 即為勵磁頻率。這樣 , 在系統初始化完成后 , 啟動 GP Timer4即可啟動勵磁。單頻勵磁的時序波形圖如圖 5所示。圖 5 單頻勵磁時序波形圖 Fig. 5 Scheduling curves of single-frequency exciting 雙頻勵磁: SIG和 SLE均由 F2812片上 EV模初始化設置為低頻 , GP Timer4初始化為隨 GP 塊中 PWM輸出控制產生 , 且分別由 GP Timer3 和 Timer3同時啟動。系統初始化完成后啟動 GP GP Timer4控制信號頻率。其中 , SIG信號頻率由 Timer3即可啟動雙頻勵磁。雙頻勵磁的時序波形GP Timer3初始化設置為高頻 , SLE由 GP Timer4圖如圖 6所示。圖 6 雙頻勵磁時序波形圖 Fig. 6 Scheduling curves of dual-frequency exciting
   4實驗結果
   系統研制完成后 , 為考察其性能指標 , 針對重慶川儀自動化股份有限公司生產的口徑為 40 mm的接觸式智能電磁流量計一次儀表(勵磁線圈電感值約為 250 mH)進行了勵磁控制實驗 , 勵磁電流由圖 2中 R1確定為 320 mA左右。實驗在江西流量器廠生產的 XBT DN15-50Ⅱ型水流量標定裝置上進行。實驗步驟: 1)將電磁流量計一次儀表裝在標定裝置上 , 并與該勵磁控制系統接好線 , 同時將一次儀表的感應輸出信號接至電磁流量計信號采集模塊 ; 2)啟動標定裝置并手動控制閥門調節至某速 ; 3)啟動系統開始對一次儀表進行勵磁。系統中 , 檢流電路與傳感器輸出信號均由電磁流量計系統經過調理放大采集 , 并通過 RS232通信傳送至上位機保存。系統采樣率為 4 800 Hz。實驗中, 分別通過軟件設定采用單頻 25 Hz和雙頻 6.25 Hz/75 Hz進行方波勵磁 , 并在儀表量程范圍內取多個流量點進行實驗。實驗結果顯示 , 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 2.3 ms,調節時間 (進入穩態±0.5%誤差帶 )約為 4.5 ms。由于勵磁電流調節時間只與電路參數有關 , 因而下面只給出流速約為 30 m3/H情況下 , 高頻勵磁和雙頻勵磁時系統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態時只可能為零或正 , 而其能夠根據已知的勵磁階段進行翻轉轉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 Fig. 7 Signal waveform of high-frequency(25Hz) exciting 圖 8 雙頻(6.25Hz/75Hz)勵磁信號波形圖 Fig. 8 Signal waveform of dual-frequency(6.25Hz/75Hz) exciting 在重慶川儀自動化股份有限公司 100口徑(電由圖可知 , 本文所研制的勵磁系統在 25 Hz勵磁時感值約為 353.5 mH)標定線上 , 分別對該勵磁系統能快速進入勵磁穩態 , 且勵磁電流超調小 , 而現有和現有技術中采用 DC/DC調壓反饋恒流控制技術技術勵磁電流超調量大且在 12.5 Hz勵磁時即無法的勵磁系統進行勵磁實驗 , 實驗結果如圖 9所示。進入穩態。 (a) 本文技術 25Hz勵磁結果 (b)現有技術 12.5Hz勵磁結果 (a) Proposed technical exciting result by 25Hz (b) Existing technical exciting result by 12.5Hz圖 9 本文技術與現有技術勵磁實驗結果波形圖 Fig. 9 Waveform of exciting results by the proposed technology and existing technology
   5 結論
   本文提出采用線性電源設計恒流源電路并由高壓電源供電以加快電流響應速度 , 采用 H橋對臂聯動控制、H橋低端檢流以保證單雙頻勵磁零點穩定和電流檢測的準確性 , 采用 DSP通過其片上硬件產生 PWM勵磁控制信號以保證勵磁頻率的精確性。經上述研究分析及實驗結果可知 , 所研制的基于線性電源的單雙頻智能電磁流量計勵磁控制系統能對電磁流量計一次儀表進行高頻勵磁或雙頻勵磁 , 勵磁電流響應速度快 , 保證了穩定的信號零點 , 檢流準確 , 勵磁頻率精確。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 , 并為其進行漿液流體的測量提供了條件。
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