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dn800污水流量計勵磁控制方案設(shè)計
點(diǎn)擊次數(shù):1937 發(fā)布時間:2021-08-19 07:13:14
基于能量回饋和電流旁路的高低壓勵磁控制方案框圖如圖1所示,主要由高、低壓電源、能量回饋電路、高、低壓切換電路、恒流控制電路、電流旁路電路、H橋開關(guān)電路、檢流電路和勵磁時序產(chǎn)生電路組成。
1 工作流程
在勵磁平穩(wěn)階段,勵磁線圈中的勵磁電流為穩(wěn)態(tài)設(shè)定值。遲滯比較電路控制高低壓切換電路,切換至低壓源作為勵磁工作電源,并切斷電流旁路電路。恒流控制電路在低壓供電的情況下通過H橋向勵磁線圈提供恒定電流。
當(dāng)勵磁方向切換時,勵磁線圈*先對能量回饋電路放電,檢流電路檢測到的電流值瞬間為負(fù),從而切換高壓源作為勵磁工作電源,同時接通電流旁路電路,以屏蔽恒流控制電路。勵磁線圈中的能量通過泄放回路,由能量回饋電路中的儲能電容儲存起來。此時電容兩端的電壓幅值超過輸入端的高壓源。待勵磁線圈能量泄放完成后,勵磁線圈中的電流減小為零并改變方向,能量回饋電路開始放電,將儲存的能量通過電流旁路電路和H橋直接回饋給勵磁線圈。待能量回饋電路兩端電壓下降到高壓源電平狀態(tài)時,由高壓源直接通過電流旁路電路和H橋?qū)畲啪€圈進(jìn)行勵磁控制。當(dāng)線圈中勵磁電流上升到設(shè)定的超調(diào)量時,遲滯比較電路控制高低壓切換電路,切換低壓源作為勵磁工作電源并切斷電流旁路電路,然后由恒流控制電路開始對勵磁電流進(jìn)行恒流控制。
2 能量回饋
dn800污水流量計勵磁線圈為一感性儲能元件,在方波勵磁時,勵磁系統(tǒng)需要不斷對其進(jìn)行充放電。當(dāng)勵磁電流穩(wěn)定時,勵磁線圈中儲存了一定的能量。當(dāng)勵磁方向切換時,勵磁線圈需要先將所儲存的能量泄放掉,然后改變電流方向,再重新充電。因此,需要為勵磁線圈提供能量泄放回路。雖然,可以采用穩(wěn)壓限幅二*管搭建限幅電路構(gòu)成能量泄放回路,即線圈中的電流流過限幅二*管,將能量消耗在二*管上。按照功的計算公式W=UIt可知,在電流與功均為定值的情況下,電壓的幅值與時間成反比。所以,為了加快勵磁線圈的能量泄放速度,能量泄放電路需要處在一個較高的電壓水平,以提高勵磁線圈的能量泄放功率。但是,限幅二*管的限幅電壓很低,即使線圈中的電壓能夠突變,仍被限制在限幅二*管的反向?qū)妷悍邓?。并且,由于勵磁線圈電流不能突變,所以能量泄放功率較小、能量泄放速度較慢,使得勵磁方向切換后的勵磁電流響應(yīng)速度較慢,不利于實現(xiàn)高頻勵磁,且系統(tǒng)發(fā)熱較為嚴(yán)重。因此,設(shè)計能量回饋電路來儲存勵磁線圈所泄放的能量,并在線圈中勵磁電流方向改變時將能量重新回饋給勵磁線圈,從而避免勵磁線圈泄放的能量被消耗在電路中。
采用儲能電容結(jié)合相應(yīng)的保護(hù)電路來搭建能量回饋電路。若將能量回饋電路設(shè)置在H橋輸入端,對于恒流源而言,相當(dāng)于加入了一個容性負(fù)載,這不僅會降低恒流控制性能,還會影響能量泄放速度。這是因為,在勵磁方向切換至高壓供電前,H橋輸入端是處于勵磁平穩(wěn)階段的低壓狀態(tài),這不利于線圈能量快速泄放。為此,將能量回饋電路設(shè)置在高壓電源與高低壓切換電路之間,如圖1所示。這樣,能量回饋電路中的儲能電容會被預(yù)充電到與高壓電源相同的電壓,且在勵磁線圈的能量泄放過程中會逐漸升壓,從而能夠加快能量泄放速度。
在勵磁線圈中的能量泄放完成后,由于勵磁線圈中電流方向開始反向且幅值很小,高低壓切換電路仍選擇高壓源作為勵磁工作電源,以加快電流響應(yīng)速度。所以,能量回饋電路中的儲能電容將儲存的能量重新回饋給勵磁線圈。這樣,勵磁線圈中的能量在一次方向切換過程中,既與儲能電容完成一次能量往返交換,又避免了在電路上的損耗。
3 恒流控制
目前已有的恒流電路采用反饋進(jìn)行PWM調(diào)節(jié)來進(jìn)行恒流控制,或者通過在H橋低端設(shè)置晶體管進(jìn)行恒流控制。采用PWM反饋控制原理構(gòu)建的恒流源,響應(yīng)速度較慢,不適用于高頻勵磁,并且電流波動較大。在H橋低端設(shè)置晶體管則會導(dǎo)致H橋的低端電壓波動較大,不利于H橋的開關(guān)控制。因此,采用三段線性穩(wěn)壓電源芯片搭建恒流源電路,并且將恒流電路放置于H橋的高端輸入端。在勵磁電流尚未達(dá)到設(shè)定值時,線性穩(wěn)壓電源為飽和輸出,輸出電壓跟隨輸入電壓的變化;而當(dāng)勵磁電流接近設(shè)定值時,線性穩(wěn)壓電源輸出則為線性調(diào)節(jié)輸出,以進(jìn)行恒流控制。這樣能夠獲得較快的勵磁電流響應(yīng)速度,電流波動較小。
4 電流旁路
在dn800污水流量計勵磁恒流控制中,通過產(chǎn)生電流超調(diào)可以加速恒流控制。但由于本方案中采用高低壓勵磁的控制方式,高壓與低壓之間的切換條件為:勵磁電流到達(dá)設(shè)定的閾值。為了獲得超調(diào),要求該設(shè)定的閾值大于勵磁電流的穩(wěn)態(tài)設(shè)定值。又由于三端線性穩(wěn)壓電源芯片搭建的恒流源電路,其輸出端的設(shè)定電阻決定了其輸出電流的大小。所以,如不采取措施,則會導(dǎo)致在勵磁電流達(dá)到設(shè)定值后,由于沒有滿足切換條件,系統(tǒng)仍以高壓電源供電,這將導(dǎo)致三端穩(wěn)壓電源芯片輸入輸出之間的電壓超過*大允許值。
由于低壓源供電時恒流控制電路針對感性負(fù)載的控制響應(yīng)速度較慢,從而會使勵磁電流到達(dá)穩(wěn)態(tài)的時間較長。另外,勵磁工作電源突然從高壓源切換到低壓源也會使三端穩(wěn)壓電源芯片的輸出產(chǎn)生一個暫態(tài)響應(yīng)過程,同樣不利于勵磁電流快速進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。因此,在恒流控制電路兩端并聯(lián)電流旁路電路,以實現(xiàn)勵磁電流響應(yīng)超調(diào),加快響應(yīng)速度。
在圖1中當(dāng)電流旁路電路接通時,恒流控制電路將被屏蔽,實現(xiàn)勵磁工作電源與H橋直通的目的;該電路斷開則使恒流控制電路重新起作用。電流旁路電路由遲滯比較電路控制是否接通。勵磁電流能否實現(xiàn)響應(yīng)超調(diào),依賴于遲滯比較電路參數(shù)的配置。比較電路遲滯環(huán)的閾值下限設(shè)為低于勵磁電流的穩(wěn)態(tài)設(shè)定值,在勵磁電流在下降到一定值時,才選通高壓源作為勵磁工作電源。閾值上限則根據(jù)電流超調(diào)量的要求,取略高于勵磁電流的穩(wěn)態(tài)設(shè)定值,在勵磁電流上升到設(shè)定超調(diào)量后,切換低壓源作為勵磁工作電源并切斷電流旁路電路。這樣,遲滯比較電路和電流旁路電路共同實現(xiàn)勵磁電流的響應(yīng)超調(diào)控制,從而加速勵磁電流的恒流控制速度。
另外,勵磁系統(tǒng)中檢流電路設(shè)置在H橋外勵磁線圈的充放電回路上。勵磁線圈充電時,檢流電路所檢測到的電流值為正值;勵磁線圈放電時,檢流電路所檢測到的電流值為負(fù)值。
1 工作流程
在勵磁平穩(wěn)階段,勵磁線圈中的勵磁電流為穩(wěn)態(tài)設(shè)定值。遲滯比較電路控制高低壓切換電路,切換至低壓源作為勵磁工作電源,并切斷電流旁路電路。恒流控制電路在低壓供電的情況下通過H橋向勵磁線圈提供恒定電流。
當(dāng)勵磁方向切換時,勵磁線圈*先對能量回饋電路放電,檢流電路檢測到的電流值瞬間為負(fù),從而切換高壓源作為勵磁工作電源,同時接通電流旁路電路,以屏蔽恒流控制電路。勵磁線圈中的能量通過泄放回路,由能量回饋電路中的儲能電容儲存起來。此時電容兩端的電壓幅值超過輸入端的高壓源。待勵磁線圈能量泄放完成后,勵磁線圈中的電流減小為零并改變方向,能量回饋電路開始放電,將儲存的能量通過電流旁路電路和H橋直接回饋給勵磁線圈。待能量回饋電路兩端電壓下降到高壓源電平狀態(tài)時,由高壓源直接通過電流旁路電路和H橋?qū)畲啪€圈進(jìn)行勵磁控制。當(dāng)線圈中勵磁電流上升到設(shè)定的超調(diào)量時,遲滯比較電路控制高低壓切換電路,切換低壓源作為勵磁工作電源并切斷電流旁路電路,然后由恒流控制電路開始對勵磁電流進(jìn)行恒流控制。
2 能量回饋
dn800污水流量計勵磁線圈為一感性儲能元件,在方波勵磁時,勵磁系統(tǒng)需要不斷對其進(jìn)行充放電。當(dāng)勵磁電流穩(wěn)定時,勵磁線圈中儲存了一定的能量。當(dāng)勵磁方向切換時,勵磁線圈需要先將所儲存的能量泄放掉,然后改變電流方向,再重新充電。因此,需要為勵磁線圈提供能量泄放回路。雖然,可以采用穩(wěn)壓限幅二*管搭建限幅電路構(gòu)成能量泄放回路,即線圈中的電流流過限幅二*管,將能量消耗在二*管上。按照功的計算公式W=UIt可知,在電流與功均為定值的情況下,電壓的幅值與時間成反比。所以,為了加快勵磁線圈的能量泄放速度,能量泄放電路需要處在一個較高的電壓水平,以提高勵磁線圈的能量泄放功率。但是,限幅二*管的限幅電壓很低,即使線圈中的電壓能夠突變,仍被限制在限幅二*管的反向?qū)妷悍邓?。并且,由于勵磁線圈電流不能突變,所以能量泄放功率較小、能量泄放速度較慢,使得勵磁方向切換后的勵磁電流響應(yīng)速度較慢,不利于實現(xiàn)高頻勵磁,且系統(tǒng)發(fā)熱較為嚴(yán)重。因此,設(shè)計能量回饋電路來儲存勵磁線圈所泄放的能量,并在線圈中勵磁電流方向改變時將能量重新回饋給勵磁線圈,從而避免勵磁線圈泄放的能量被消耗在電路中。
采用儲能電容結(jié)合相應(yīng)的保護(hù)電路來搭建能量回饋電路。若將能量回饋電路設(shè)置在H橋輸入端,對于恒流源而言,相當(dāng)于加入了一個容性負(fù)載,這不僅會降低恒流控制性能,還會影響能量泄放速度。這是因為,在勵磁方向切換至高壓供電前,H橋輸入端是處于勵磁平穩(wěn)階段的低壓狀態(tài),這不利于線圈能量快速泄放。為此,將能量回饋電路設(shè)置在高壓電源與高低壓切換電路之間,如圖1所示。這樣,能量回饋電路中的儲能電容會被預(yù)充電到與高壓電源相同的電壓,且在勵磁線圈的能量泄放過程中會逐漸升壓,從而能夠加快能量泄放速度。
在勵磁線圈中的能量泄放完成后,由于勵磁線圈中電流方向開始反向且幅值很小,高低壓切換電路仍選擇高壓源作為勵磁工作電源,以加快電流響應(yīng)速度。所以,能量回饋電路中的儲能電容將儲存的能量重新回饋給勵磁線圈。這樣,勵磁線圈中的能量在一次方向切換過程中,既與儲能電容完成一次能量往返交換,又避免了在電路上的損耗。
3 恒流控制
目前已有的恒流電路采用反饋進(jìn)行PWM調(diào)節(jié)來進(jìn)行恒流控制,或者通過在H橋低端設(shè)置晶體管進(jìn)行恒流控制。采用PWM反饋控制原理構(gòu)建的恒流源,響應(yīng)速度較慢,不適用于高頻勵磁,并且電流波動較大。在H橋低端設(shè)置晶體管則會導(dǎo)致H橋的低端電壓波動較大,不利于H橋的開關(guān)控制。因此,采用三段線性穩(wěn)壓電源芯片搭建恒流源電路,并且將恒流電路放置于H橋的高端輸入端。在勵磁電流尚未達(dá)到設(shè)定值時,線性穩(wěn)壓電源為飽和輸出,輸出電壓跟隨輸入電壓的變化;而當(dāng)勵磁電流接近設(shè)定值時,線性穩(wěn)壓電源輸出則為線性調(diào)節(jié)輸出,以進(jìn)行恒流控制。這樣能夠獲得較快的勵磁電流響應(yīng)速度,電流波動較小。
4 電流旁路
在dn800污水流量計勵磁恒流控制中,通過產(chǎn)生電流超調(diào)可以加速恒流控制。但由于本方案中采用高低壓勵磁的控制方式,高壓與低壓之間的切換條件為:勵磁電流到達(dá)設(shè)定的閾值。為了獲得超調(diào),要求該設(shè)定的閾值大于勵磁電流的穩(wěn)態(tài)設(shè)定值。又由于三端線性穩(wěn)壓電源芯片搭建的恒流源電路,其輸出端的設(shè)定電阻決定了其輸出電流的大小。所以,如不采取措施,則會導(dǎo)致在勵磁電流達(dá)到設(shè)定值后,由于沒有滿足切換條件,系統(tǒng)仍以高壓電源供電,這將導(dǎo)致三端穩(wěn)壓電源芯片輸入輸出之間的電壓超過*大允許值。
由于低壓源供電時恒流控制電路針對感性負(fù)載的控制響應(yīng)速度較慢,從而會使勵磁電流到達(dá)穩(wěn)態(tài)的時間較長。另外,勵磁工作電源突然從高壓源切換到低壓源也會使三端穩(wěn)壓電源芯片的輸出產(chǎn)生一個暫態(tài)響應(yīng)過程,同樣不利于勵磁電流快速進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。因此,在恒流控制電路兩端并聯(lián)電流旁路電路,以實現(xiàn)勵磁電流響應(yīng)超調(diào),加快響應(yīng)速度。
在圖1中當(dāng)電流旁路電路接通時,恒流控制電路將被屏蔽,實現(xiàn)勵磁工作電源與H橋直通的目的;該電路斷開則使恒流控制電路重新起作用。電流旁路電路由遲滯比較電路控制是否接通。勵磁電流能否實現(xiàn)響應(yīng)超調(diào),依賴于遲滯比較電路參數(shù)的配置。比較電路遲滯環(huán)的閾值下限設(shè)為低于勵磁電流的穩(wěn)態(tài)設(shè)定值,在勵磁電流在下降到一定值時,才選通高壓源作為勵磁工作電源。閾值上限則根據(jù)電流超調(diào)量的要求,取略高于勵磁電流的穩(wěn)態(tài)設(shè)定值,在勵磁電流上升到設(shè)定超調(diào)量后,切換低壓源作為勵磁工作電源并切斷電流旁路電路。這樣,遲滯比較電路和電流旁路電路共同實現(xiàn)勵磁電流的響應(yīng)超調(diào)控制,從而加速勵磁電流的恒流控制速度。
另外,勵磁系統(tǒng)中檢流電路設(shè)置在H橋外勵磁線圈的充放電回路上。勵磁線圈充電時,檢流電路所檢測到的電流值為正值;勵磁線圈放電時,檢流電路所檢測到的電流值為負(fù)值。