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            詳談電磁流量計勵磁恒流系統的改進設計

            來源:作者:發表時間:2017-10-16 09:27:58

                     在勵磁系統中, 恒流控制的作用是維持勵磁線圈中電流值的穩定,以產生穩定的磁場。 但是,在傳統的勵磁恒流系統中,由于勵磁線圈的感性負載特性且不同勵磁線圈的直流電阻不同,會造成無法實現高頻勵磁和恒流調節器難以匹配不同勵磁線圈等問題。 針對這一情況,本文在分析傳統的勵磁恒流系統的基礎上,對勵磁恒流系統進行了改進,減小了恒流調節器的熱耗,加快了恒流電流響應速度,提高了勵磁系統的勵磁頻率。

             
            1 傳統的勵磁恒流系統
            1.1 勵磁恒流系統的工作原理
                    在勵磁控制中,應用勵磁恒流系統實現勵磁電流的穩定,以產生穩定的工作磁場,原理圖如圖 1 所示。勵磁恒流系統由直流電源、勵磁線圈、恒流調節器、基準電壓源 Vref 和檢流電路組成。直流電源作為系統的工作電源,恒流調節器通過調整 c 、 e 兩端的電壓實現勵磁線圈中勵磁電流的恒定, 檢流電路為恒流調節器提供勵磁電流反饋值,基準電壓源 Vref 決定了恒流控制中勵磁電流穩態值的設定。
             
            1.2 目前存在的問題
                    由文獻 [3] 可知,勵磁線圈中的電流和勵磁線圈 c 、 e 兩端的所加電壓之間的關系為:
            20171016093151.jpg
                    式中: i 為勵磁線圈中流過的電流, E 為勵磁線圈兩端的電壓, R 為勵磁線圈的直流電阻, L 為勵磁線圈的電感。 對式( 1 )兩端進行求導,可以得到:
            20171016093155.jpg
                    可見, 勵磁電流變化速率與勵磁線圈兩端所加的電壓成正比,勵磁線圈兩端的電壓越高,勵磁電流上升速度越快,從而可以提高勵磁頻率。
             
                    然而,恒流控制一般是通過改變恒流調節器自身壓降實現回路電流恒定,在勵磁電流穩定時,較高的勵磁電壓會使恒流調節器的壓降增大,會造成恒流調節器功耗變大、發熱嚴重的問題。此外, 勵磁系統中的勵磁工作電壓的取值一般為勵磁電流穩定時勵磁線圈兩端的電壓與恒流系統中其它電路單元上的電壓之和,而不同的勵磁線圈直流電阻是不相等的。針對一個固定物理參數的勵磁線圈,總存在一個**合理的勵磁電壓既能使恒流調節器正常工作,又不會使恒流調節器承當過大的壓降從而導致嚴重的發熱問題。但是,當激勵其它勵磁線圈時,恒流調節器就會偏離這個**佳值,特別是勵磁線圈直流電阻值相差較大時,可能使恒流調節器不能正常工作,或者使恒流調節器發熱嚴重。
             
            2 高性能勵磁恒流系統設計
            2.1 方案設計
                    傳統的勵磁恒流系統應用于高頻勵磁時,恒流調節器發熱嚴重,且無法解決不同勵磁線圈的直流電阻不同造成的恒流調節器難以設計的問題。 為了解決此問題,設計了如圖 2 所示的高性能勵磁恒流系統,主要由高、低壓電源、電源切換電路、勵磁線圈、恒流調節器、平衡電阻、 檢流電路、 MCU 控制單元和比較控制電路組成。
            高性能勵磁恒流系統原理結構圖
                    采用高低壓電源切換作為勵磁恒流系統工作電源的方法,既加快了勵磁電流的恒流控制速度, 又減小了勵磁電流穩定時恒流調節器兩端的壓降,降低了恒流調節器的功耗。 引入平衡電阻,并聯在恒流調節器的兩端,流經平衡電阻的電流與流過恒流調節器的電流之和為恒流預設值, 恒流調節器通過調節部分電流就能實現恒流控制。 勵磁線圈阻值變大時,恒流調節器兩端電壓減小,流經恒流調節器的電流增大;勵磁線圈阻值變小時,恒流調節器兩端電壓增大,流經恒流調節器的電流減小。 引入平衡電阻, 實現了勵磁線圈直流電阻變化時恒流調節器功率自動均衡變化,有效控制了恒流調節器的熱耗,使恒流調節器能夠匹配不同的勵磁線圈。
             
                    高、 低壓電源切換方法的選擇對提高勵磁恒流系統的響應速度具有重要影響。 由于勵磁線圈物理參數并不是恒定的,MCU 控制單元設置延時的方法無法正確選擇高、低壓切換的時刻點。 根據恒流電流值來控制高、低壓電源切換的方法,要求在恒流電流未達到穩態值之前切換低壓電源作為工作電源, 恒流電流上升速度慢,恒流控制系統響應速度慢。 因此,本文結合這兩種方法, 通過 MCU 控制單元和比較控制電路組合控制電源切換電路實現高、低壓電源切換。 在恒流控制開始時, MCU 控制單元和比較控制電路切換高壓電源作為工作電源, 同時 MCU控制單元開始計時,恒流電流在高壓電源的激勵下快速上升,恒流電流上升到預設值后, 由比較控制電路控制電源切換電路關閉高壓電源, 低壓電源作為恒流系統的工作電源, MCU 控制單元計時時間 (計時時間要保證恒流電流在高壓電源的激勵下達到預設值)結束后, MCU 控制單元關閉。
             
            2.2 系統硬件研制
                    改進的高性能勵磁恒流系統電路組成如圖 3 所示。 高壓電源與低壓電源由多路輸出開關電源提供,高壓電源的選擇要求恒流電流在高壓電源的激勵下能在較短的時間內達到預設值,同時要考慮恒流系統元器件的耐壓值;低壓電源的電壓則要保證恒流穩態時,恒流調節器兩端電壓相對較小為準,以降低電路功耗。
            高性能勵磁恒流系統硬件電路圖
                    電源切換電路主要由電阻 R1 、光耦 U1 、開關三極管 T1 和肖特基二極管 D1 、 D2 組成, 其控制信號由 MCU 控制單元和比較控制電路組合產生。 當控制信號為低電平時,開關三極管打開,高壓電源作為勵磁工作電源,控制信號為高電平時,開關三極管關閉,高壓電源被切除,切換低壓電源作為勵磁工作電源。 肖特基二極管 D1 、 D2 用于勵磁線圈恒流結束時向高壓電源放電。比較控制電路由電阻 R4 和 R5 、光耦 U3 、比較器 U4 和基準電壓源 Vref2 組成。 其中,檢流電路由精密電阻 R3 組成,將恒流電流值轉換為電壓值,當恒流電流處于上升階段,其反饋信號Vfb 小于基準電壓源 Vref2 ,比較控制電路輸出高壓電源作為恒流控制工作電源的控制信號;當勵磁電流達到預設值后,反饋信號 Vfb 大于基準電壓源 Vref2 ,比較控制電路輸出切換低壓電源作為恒流控制工作電源的控制信號。
             
                    恒流調節器由分立元器件 NPN 三極管 T2 、電阻 R2 、電容C1 、運算放大器 U2 和基準電壓源 Vref1 搭建而成。 其中,基準電壓源 Vref1 與檢流電路 R3 的比值為恒流電流的預設值。 在勵磁恒流系統恒流控制的開始階段,恒流電流反饋信號 Vfb 為 0 且持續增大,在未達到恒流預設值時,運算放大器 U2 輸出高電平,三極管 T2 飽和導通, 此時恒流控制工作電源電壓全部落在勵磁線圈上,以使恒流電流快速上升。 當恒流電流上升至超過恒流預設值時,運算放大器 U2 輸出低電平使三極管 T2 截止,進而減小恒流電流;當恒流電流下降至小于恒流預設值時,運算放大器 U2 輸出控制三極管 T2 重新使恒流電流上升。 平衡電阻 R6 并聯在恒流調節器兩端,即連接在 NPN 三極管 T2 的集電極與發射極。
             
            3 實驗與測試
                    為考察設計的高性能勵磁恒流系統性能指標, 將其應用于研制的漿液型電磁流量計高頻勵磁系統中, 針對接觸式電磁流量計一次儀表進行勵磁控制實驗,設置勵磁頻率為 75Hz ,勵磁電流設定為 200mA 左右。設定系統正常工作時流過恒流調節器的電流不得小于恒流預設值的 20% ,則平衡電阻的阻值需滿足式( 3 )的關系:
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                    式中: R b 為平衡電阻的阻值, U 為低壓電源的電壓, V 為恒流系統中除恒流調節器以外其它電路的壓降, R m 為不同勵磁線圈中電阻**小的電阻值, I 為勵磁線圈中流過的電流。 假設不同勵磁線圈的直流電阻分布為 50Ω~100Ω , 系統中除恒流調節器兩端外其它電路工作電壓為 2V ,恒流調節器正常工作兩端**小壓降為 2V ,由于低壓電源的電壓設定需要不小于勵磁線圈兩端的電壓與恒流調節器的壓降、系統其它電路工作電壓之和,所以設定低壓電源電壓值為 25V ( U≥200mA×100Ω+2V+2V )。 根據式 (3) ,分流電阻阻值可選為 100Ω 。由 P=UI 可知,恒流調節器在勵磁電流穩定時的功率**大為 1W ,**小為 0.51W。
            高性能勵磁恒流系統勵磁電流波形圖
                    針對 40mm 口徑電磁流量計一次儀表傳感器 (電感值為335mH ,電阻值為 94.4Ω )實驗結果如圖 4 所示,恒流電流上升時間約為 374μs ( 0~90% ),調節時間約為 172μs 。
             
                    通過實驗可以發現, 系統恒流電流上升速度快, 調整時間短,在勵磁線圈電阻值變化較大時恒流調節器的功耗變化不大。
             
            4 結束語
                    經上述分析和實驗結果可知, 所研制的高性能勵磁恒流系統恒流速度快,系統穩定可靠,為勵磁系統進行高頻勵磁奠定了基礎。
             
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