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基于线性电源的单/双频电磁流量计励磁控制系统

时间:2021-02-22
开发了电磁流量计励磁控制系统。恒流源电路基于线性电源设计,采用高压源激励,系统具有快速响应性能。基于H桥设计励磁线圈驱动电路进行方波励磁,设计电流检测电路实现励磁电流的*检测,基于DSP设计励磁定时产生电路实现单频或双频励磁。实验表明,该励磁控制系统能够实现高频或双频励磁,保证电磁流量计的输出信号具有稳定的零点,为提高其测量速度和精度奠定了基础。
目前国内电磁流量计基本采用低频方波激励方式,以获得稳定的零点[2-6]。而低频方波是基于法拉第电磁感应定律,电磁流量计无法通过激励实现快速测量,保证泥浆测量的准确性。为了将磁场施加到用于磁性线圈的被测流体上,从而检测磁场,国外提出了高频激励和双频激励方法,例如日本的利用运动流体的感应电动势来测量导电液体体积的双频电磁流量计[7]和东芝的高频电磁流量计。
电磁流量计。
但在高频励磁(双频励磁也存在高频励磁)中,由于励磁线圈的感性负载特性,励磁电流在励磁半周内很难达到稳态,从而使信号很难获得稳定的零点。因此,恒流控制的快速响应特性是高频励磁控制系统的设计重点。同时,励磁电流的准确检测和励磁频率的控制是获得高精度信号处理结果的前提。然而,外国公司并没有披露这些关键技术的具体细节[8-9]。考虑到恒流控制的快速性、励磁电流检测的准确性和励磁频率的控制,设计了一种基于线性电源的恒流控制电路,该电路由高压电源激励,具有快速响应性能。基于H桥设计了方波激励驱动电路,在H桥的低端与地面之间连接了电流检测电路,通过控制H桥的工作模式实现了*的电流检测。激励时序产生电路基于数字信号处理器和外围设备设计,实现单频或双频激励。
2系统硬件。
2.1设计方案。
电磁流量计励磁控制系统主要包括恒流源电路、励磁线圈驱动电路、励磁定时产生电路和电流检测电路,其框图如图1所示。图1电磁流量计励磁控制系统框图图1励磁控制系统前级电磁流量计系统框图通过恒流源电路向励磁线圈驱动电路供电,励磁线圈驱动电路根据励磁定时产生电路发出的励磁定时控制信号CT1和CT2对励磁线圈进行方波励磁。电流检测电路设置在励磁线圈驱动电路中,将流经励磁线圈的电流转换成电压信号输出。基于数字信号处理器设计了励磁定时发生电路,同时对电磁流量计的信号进行处理。
2.2恒流源电路。
高频励磁,励磁电流高达几百毫安,励磁线圈为感性负载。由DC/DC器件的反馈控制或类似的PWM控制原理构成的恒流源电路会使激励电流的响应速度变慢,因此恒流控制电路由大功率线性电源构成,以获得更高的响应速度。恒流源电路原理图如图2所示。R1采用精密电阻,通过调整电阻值可以获得所需的电流。输入电压VCC是36V,D1是一个保护二极管,D2防止电流反向。由于电流进入稳态后负载端电压较低,散热器固定在线性电源上,以降低芯片的工作温度。图2恒流源电路示意图图2恒流源电路示意图。
2.3励磁线圈驱动电路和电流检测电路。
励磁线圈驱动电路主要由H桥及其开关驱动电路组成,其电路框图如图3所示。h桥高端采用PNP达林顿晶体管,方便其开关驱动电路通过电流控制信号CON1、CON2控制其通断,避免了高端电压不稳定,因感性负载而难以控制的问题;低端使用n沟道金属氧化物半导体晶体管,通过电压控制信号CON3和CON4直接控制其开关。由于MOS管的栅极电流很小,可以在H桥的低端和地之间连接一个电流检测电路,*检测激励电流。H桥臂的PNP晶体管和MOS晶体管选用内部反并联肖特基二极管。电流感应电路采用低电阻设计,保证H桥低端电压波动幅度小。在H桥的高端连接一个限幅器电路,保证H桥正常工作,并在电流方向切换时为励磁线圈提供释放能量的电路。h桥控制采用手臂联动控制,保证单、双频励磁时续流电路具有高阻抗,进而保证零点的稳定性。h桥开关驱动电路根据接收到的激励时序CT1和CT2产生CON1、CON2、CON3和CON4。CON1和CON4由CT1控制,CON2和CON3由CT2控制,实现单频励磁或双频励磁时励磁线圈中的电流完全流经电流检测电路。CD1和CD2直接连接到励磁线圈以提供励磁电流。图。
图3励磁线圈驱动电路和电流检测电路框图图3励磁线圈驱动电路和电流测量电路框图。
2.4励磁定时产生电路励磁定时产生电路主要由DSP芯片TMS320F2812(以下简称F2812)结合多路开关和电平匹配电路产生励磁定时控制信号CT1和CT2组成,其硬件原理框图如图4所示。图中多路开关的输出使能信号OEn由DSP的GPIO控制,通道选择信号SLE和输入信号SIG由DSP的EV模块和其中的GPTimer根据不同的激励方式通过PWM输出产生,减轻了CPU的负担。电平匹配电路用于将DSP的3.3VCMOS逻辑电平转换为5V逻辑电平,控制励磁线圈驱动电路。系统上电复位时,DSP的各个引脚输出高电平,所以多路开关的各个通道输出都处于高阻状态。因此,系统通过电平匹配电路前的下拉电路下拉控制信号CES2和CES2,使CT1和CT2为低电平,从而关断励磁线圈驱动电路中H桥的各桥臂。系统启动后,OEn设为低电平,多路开关启用。当SLE处于低电平时,CES1与SIG通信,使CT1随SIG变化,CT2处于低电平。当SLE处于高电平时,CES2与SIG通信,使CT2随SIG变化,CT1处于低电平。因此,通过产生不同的SIG和SLE信号波形,可以进行不同的励磁控制方法。图4激励定时产生电路的硬件原理框图图4方框图激励调度产生电路。
3系统软件。
该系统在硬件电路设计的基础上,利用软件初始化DSP和外围硬件模块,使DSP通过其片内EV模块和通用GPTimer控制PWM输出,产生励磁定时控制信号。这样系统启动励磁后不需要软件干预,保证了励磁频率的准确性,减轻了CPU负担,从而完成电磁流量计的信号处理任务。系统上电复位后,先初始化GPIO端口,使控制信号OEn处于低电平,使能多开关输出。单频激励:将SIG初始化为高电平并保持不变;初始化F2812和GPTimer4的片内EV模块,从T4PWM输出产生SLE信号。GPTimer4初始化时,设置SLE信号的频率。

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