摘要:為了提高勵磁頻率和減少發(fā)熱，使電磁流量計能夠更好地用于漿液流量測量和灌裝流量測量，并長期穩(wěn)定、可靠地工作，研究了基于PWM控制的脈沖勵磁方案，分析其工作原理，計算各種參數(shù)，研制實際系統(tǒng)，進行測試和實驗。結果表明，該系統(tǒng)能實現(xiàn)更高的勵磁頻率，產(chǎn)生穩(wěn)定的勵磁電流，極大地減小了勵磁系統(tǒng)的功耗，能去除微分干擾對流量信號測量的影響，水流量檢定精度優(yōu)于0.5級。
引言
電磁流量計是基于電磁感應原理工作的儀表,其中的勵磁系統(tǒng)為一次儀表中的勵磁線圈提供所需的勵磁電流,以形成磁場"。勵磁系統(tǒng)是該類流量計的重要組成部分，也是功耗最大的部分口。當測量通常的導電液體時,電磁流量計往往采用低頻方波勵磁的方式產(chǎn)生磁場,例如,采用2.5Hz或者5Hz的勵磁頻率,以便輸出信號有足夠長、穩(wěn)定的時間段4.,保證較高的測量精度;當測量漿液流量或者進行灌裝測量時,必須采用高頻勵磁,例如,12.5Hz和25Hz或者更高頻率，以克服具有11f特性的漿液噪聲影響和加快儀表的響應速度。為此,人們研究了2種高頻勵磁系統(tǒng):一種是基于線性電源工作原理的,即高低壓電源切換的勵磁系統(tǒng)[5~]);另外一種是基于開關電源工作原理的，即脈沖勵磁系統(tǒng)l8-10]。前一種勵磁系統(tǒng)的特點是在勵磁電流穩(wěn)態(tài)階段勵磁電流值不變,這樣磁場就非常穩(wěn)定,保證了測量精度",但是,恒流控制電路的功耗較大,容易導致勵磁系統(tǒng)發(fā)熱，影響使用壽命。后一種勵磁系統(tǒng)根據(jù)開關管的開關頻率是否受勵磁線圈電抗的影響，分為基于電流幅值控制的勵磁系統(tǒng)和基于電流誤差控制的勵磁系統(tǒng)(又稱基于PWM控制的脈沖勵磁系統(tǒng))。基于電流幅值控制的勵磁系統(tǒng)采用遲滯比較器來控制勵磁電流18.9]。該勵磁系統(tǒng)依靠遲滯比較器的上下門限將勵磁電流維持在一個小范圍內波動,既保持勵磁電流在穩(wěn)態(tài)過程相對穩(wěn)定,又使能量主要消耗在勵磁線圈上,避免電路發(fā)熱。但是,這種勵磁系統(tǒng)沒有考慮:當勵磁線圈的電抗不同時,勵磁電流上升的曲線是不同的,這樣勵磁電流上升至上門限值或者下降至下門限值的時間.就不同,即當勵磁線圈不同時,勵磁電流波動的頻率就不同;勵磁電流的波動會引入遠大于流量信號的微分干擾,影響流量的測量,而波動的頻率因勵磁線圈不同而存在差異,需要逐臺對電磁流量計進行處理,才能有效地抑制勵磁電流波動的影響,這在實際生產(chǎn)中很難實現(xiàn)�；赑WM(pulsewidthmodulation)控制的勵磁系統(tǒng)的開關頻率是固定的9.10。勵磁電流在穩(wěn)態(tài)階段以固定的頻率波動,不會隨勵磁線圈的不同而變化,使我們可以采用相應的處理方法來消除勵磁電流波動的影響。.但是,文獻[9,10]沒有披露關鍵的技術細節(jié),也沒有給出深人的分析和具體的計算。
基于PWM控制的脈沖勵磁系統(tǒng)的工作原理和穩(wěn)流控制方案,定量計算其勵.磁頻率、開關管的開關頻率、勵磁系統(tǒng)功耗和勵磁線圈阻抗,并給出具體的設計參數(shù);研制了基于PWM控制的脈沖勵磁系統(tǒng)的電磁流量計,進行了實驗驗證。
2基于PWM控制的脈沖勵磁系統(tǒng)
2.1工作原理
針對勵磁線圈是感性負載、流過其電流不能突變的特點,PWM控制電路控制開關管將勵磁電源間斷地施加在勵磁線圈上,實現(xiàn)勵磁電流的變化和穩(wěn)定,其工作原理如圖1所示。
取樣電阻與勵磁線圈串聯(lián),其上的壓降反映流過勵磁線圈的電流值。PWM控制電路根據(jù)勵磁電流值輸出控制信號,由驅動電路完成電平轉換后導通和關斷開關管,以控制勵磁電流。在勵磁電流上升時,始終導通開關管,將勵磁電壓一直加在勵磁線圈.上,以加速勵磁電流的上升;在勵磁電流達到穩(wěn)態(tài)值時,控制開關管頻繁通斷,將勵磁電源電壓以固定的頻率加在勵磁線圈上,維持勵磁電流的基本穩(wěn)定，即以固定的頻率進行很小幅度的波動。在勵磁電流.上升到穩(wěn)態(tài)階段的過程中,加在勵磁線圈。上的電壓E和勵磁電流i隨時間t變化的波形如圖2所示,其中,實線為加在勵磁線圈上的電壓變化情況,虛線為勵磁電流變化情況,Enx表示最大勵磁電壓,1表示勵磁電流的穩(wěn)態(tài)平均值。
該勵磁方式的特點是:在勵磁電流穩(wěn)態(tài)階段,開關管不停地通斷,使勵磁電流做小幅度的穩(wěn)定波動，將勵磁電壓盡可能降在勵磁線圈上,避免勵磁系統(tǒng)發(fā)熱,同時,勵磁電流固定的波動頻率便于消除其引人的干擾。
2.2勵磁頻率
基于PWM控制的脈沖勵磁系統(tǒng)可以實現(xiàn)更高的勵磁頻率,以滿足漿液流量測量和灌裝流量測量。在勵磁的開始階段,勵磁電流在勵磁電源的作用下快速上升至穩(wěn)態(tài)階段。勵磁電流i與勵磁線圈上所加電壓E之間的關系為:
可見，勵磁電流值變化量相同,其所需的時間與勵磁線圈兩端施加的電壓成反比。所以，基于PWM控制的脈沖勵磁系統(tǒng)可通過提供更高的勵磁電壓來減小勵磁電流上升到穩(wěn)態(tài)值的時間,實現(xiàn)更高的勵磁頻率。勵磁電流的穩(wěn)態(tài)平均值1。在穩(wěn)態(tài)階段的時間需至少保持t,以保證電磁流量計的測量。勵磁電流上升的時間為:
式中tg為勵磁時序的死區(qū)時間。以DN40電磁流量計為例,基于PWM控制的脈沖勵磁系統(tǒng)中勵磁電壓為80V,勵磁電流為240mA,勵磁線圈電感值為200mH、電阻值為56Q,則勵磁電流上升時間t。為650μs。若電磁流量計實現(xiàn)準確測量需要勵磁電流保持2ms的穩(wěn)態(tài)時間,其勵磁時序的死區(qū)時間為150μs,則該勵磁系統(tǒng)能實現(xiàn)的最高勵磁頻率可以達到約178Hz。如果進一步提高勵磁電源的電壓，.則可以實現(xiàn)更高的勵磁頻率,而普通勵磁系統(tǒng)的勵磁頻率僅為5Hz和6.25Hz。
2.3開關管的開關頻率
基于PWM控制的脈沖勵磁系統(tǒng)會在電磁流量計測量時引人微分干擾,而微分干擾是由勵磁電流波動而造成的周期信號,其頻率與開關管的開關頻率相等,便于采用相應的方法來抑制甚至消除;電磁流量計輸出的流量信號也是周期信號,其頻率與勵磁頻率相等。因此,可以把開關管的開關頻率控制在遠遠高于流量信號頻率的頻段,并采用硬件低通濾波器對微分干擾進行衰減。
電磁流量計輸出流量信號頻段主要在200Hz.以下。為此:設置硬件低通濾波器的截止頻率為流量信號頻率的5~10倍,即大約為幾千Hz;設置開關管的開關頻率為硬件低通濾波器截止頻率的10倍左右，即大約為幾十kHz。這樣硬件低通濾波器不僅可以消除輸出信號中噪聲的干擾，還可以極大地抑制電流波動所帶來的微分干擾。
2.4勵磁功耗分析.
在基于PWM控制的脈沖勵磁系統(tǒng)中,開關管位于勵磁電源和勵磁線圈之間，以維持勵磁電流的穩(wěn)定,為勵磁系統(tǒng)中功耗最大的電路單元。開關管的損耗主要表現(xiàn)為導通損耗和開關損耗。導通損耗是開關管在導通狀態(tài)下,開關管的導通電阻的功率。由于勵磁電流為數(shù)百mA,開關管的導通電阻為數(shù)十mI,所以，開關管的導通損耗非常小。開關損耗為開關管從導通(關斷)轉換為關斷(導通)時的所有損耗。開關頻率越高,開關損耗就越大,所以,開關管的開關損耗反映了勵磁系統(tǒng)的功耗。當開關管接勵磁線圈時,開關損耗為[12]:
式中:Idmax為流過開關管的最大電流;tc為開關管由關斷(導通)到導通(關斷)的轉換時間;f.sw為開關管的開關頻率。
以DN40電磁流量計為例,基于PWM控制的脈沖勵磁系統(tǒng)的勵磁電壓為80V，勵磁電流為240mA,開關管的開關頻率為20kHz,開關管開關的轉換時間為100ns,則開關管的開關損耗約為38.4mW。
2.5勵磁線圈阻抗
合理地設計勵磁線圈的直流電阻值和電感值，有助于減小勵磁電流的波動幅值,使基于PWM控制的脈沖勵磁系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài)。
由式(1)和式(2)可知,當勵磁電壓固定時,勵磁電流的變化過程取決于勵磁線圈的電感值和直流電阻值。電感值由勵磁線圈的匝數(shù)決定。當勵磁線圈通人一--定的電流時,測量管內的磁場與勵磁線圈.的匝數(shù)成正比。為了保證電磁流量計正常測量所需要的磁場強度,勵磁線圈的匝數(shù)一般不宜變化,此時,可以通過改變勵磁線圈的線徑來調整直流電阻。
忽略開關管上的壓降,那么,勵磁線圈兩端的電壓就等于勵磁電壓:
式中Rmax為勵磁線圈的直流電阻值的最大值。
勵磁電流在穩(wěn)態(tài)階段的波形示意圖如圖3所示，其中，勵磁電流穩(wěn)態(tài)階段的Is波動周期為Tf，波動幅值為Ic，設允許勵磁電流最大波動幅值為Imax，則Ic＜Imax。近似認為在穩(wěn)態(tài)階段勵磁電流上升的斜率是固定值，等于勵磁電流在穩(wěn)態(tài)值處的斜率(圖3中a點處的斜率)。由于在勵磁電流穩(wěn)態(tài)階段，在開關管的一個開關周期內，勵磁電流的變化量為0，因此，僅研究勵磁電流在穩(wěn)態(tài)階段的上升過程。
所以，為了使基于PWM控制的脈沖勵磁系統(tǒng)在設定的開關頻率下正常工作，且勵磁電流值在穩(wěn)態(tài)階段的波動幅值小于Imax，勵磁線圈的直流電阻值需要滿足式(7)和式(13)所決定的范圍。
考慮到勵磁線圈的直流電阻值受溫度影響較大和電磁流量計的整機功耗，勵磁線圈的直流電阻值一般直接取下限值。以DN40電磁流量計為例，勵磁電壓為80V，勵磁電流在穩(wěn)態(tài)階段的平均值為240mA，開關管的開關頻率為20kHz，勵磁線圈的電感值為0.2H，勵磁電流在穩(wěn)態(tài)階段的波動幅值要小于5mA，勵磁線圈的直流電阻值的取值范圍為167Ω至333Ω。通過調整勵磁線圈的線徑把直流電阻值設置成167Ω，這樣既可以最大限度地克服溫升帶來的影響，又可以使電磁流量計的整機功耗最小。
3PWM控制的脈沖勵磁系統(tǒng)研制
3.1系統(tǒng)框圖
研制的基于PWM控制的脈沖勵磁系統(tǒng)主要由勵磁電源、能量回饋電路、勵磁線圈驅動電路、檢流電路、邏輯電路、PWM控制電路和勵磁時序產(chǎn)生電路組成，如圖4所示。其中，能量回饋電路
在開關管關斷時回收勵磁線圈中的能量，并在開關管導通時把收集的能量回饋給勵磁線圈，提高能量利用率;勵磁線圈驅動電路改變勵磁線圈中電流的方向，實現(xiàn)方波勵磁，抑制電極極化，也維持勵磁電流穩(wěn)定，為勵磁線圈提供續(xù)流回路;檢流電路獲取流過勵磁線圈的電流值;邏輯電路為勵磁線圈驅動電路提供控制信號;PWM控制電路維持流過勵磁線圈的電流值，在電流值上升時，產(chǎn)生占空比為1的方波，加快勵磁電流的上升，在電流值達到穩(wěn)態(tài)值時產(chǎn)生頻率固定、占空比自可調的PWM波形，以在勵磁線圈中產(chǎn)生穩(wěn)定的電流值;勵磁時序產(chǎn)生電路用來設定電磁流量計的勵磁頻率。
3.2勵磁線圈驅動電路
勵磁線圈驅動電路主要由H橋開關電路和H橋驅動電路組成，如圖5所示。H橋開關電路由4個NMOS管組成，受H橋驅動電路控制，其中，Q3和Q4為控制勵磁電流穩(wěn)定的開關管，實現(xiàn)脈沖勵磁，Q1和Q2用來改變勵磁電流方向的開關管;H橋驅動電路主要由電平轉換電路和光耦組成，其中，P1和P2是光耦，T1和T2是電平轉換電路。CT_1，CT_2，CT_3和CT_4分別是Q1，Q2，Q3和Q4的控制信號;VFB是由單刀雙擲開關S1輸出的檢流電阻上的電壓信號。在H橋開關電路的低端和地之間接入兩個檢流電阻，這2個檢流電阻通過開關進行選擇，以保證在勵磁電流方向切換時，單刀雙擲開關輸出的勵磁電流值總為正，實現(xiàn)對勵磁電流的準確控制。
3.3PWM控制電路
PWM控制電路主要由誤差放大器和PWM電路組成，如圖6所示。誤差放大器對基準值和電流值進行比較并放大誤差。PWM電路根據(jù)放大后的誤差信號產(chǎn)生控制開關管所需要的信號。PWM控制電路實時檢測勵磁電流值，并根據(jù)勵磁電流的大小輸出頻率固定、占空比自可調的PWM波形，以在勵磁線圈中產(chǎn)生波動較小、穩(wěn)定的電流值。
4性能測試和檢定實驗
為了考核基于PWM控制的脈沖勵磁系統(tǒng)的性能，將其與國內某公司生產(chǎn)的口徑為40mm的電磁流量計一次儀表相配合，測試其能夠實現(xiàn)的最高勵磁頻率、勵磁電流在穩(wěn)態(tài)段的波動情況和流量信號的穩(wěn)定性，對比不同勵磁系統(tǒng)的功耗，進行水流量檢定實驗。
4.1勵磁頻率測試
在80V勵磁電壓下，做160Hz勵磁頻率的實驗測試。當勵磁電流為240mA時，約經(jīng)0.8ms就進入了穩(wěn)態(tài)。而采用基于高低壓電源切換的勵磁方式，當高壓為80V、維持電流穩(wěn)定的低壓為17V、勵磁電流為180mA時，由于電源的切換導致勵磁系統(tǒng)需要從一個工作狀態(tài)轉移到另一個工作狀態(tài)，這個轉移過程所需要的時間要大于勵磁電流的上升時間，因此，勵磁電流無法進入穩(wěn)態(tài)。
4.2勵磁電流和PWM控制電路輸出電壓測試
分別用示波器的普通探頭和電流探頭測試PWM控制電路輸出的信號和流過勵磁線圈的電流值。測試結果表明:在勵磁電流上升時，PWM控制電路輸出占空比為1的信號;在勵磁電流進入穩(wěn)態(tài)時，發(fā)出頻率固定的脈沖控制信號。在勵磁電流穩(wěn)態(tài)段，開關管的頻率約為20kHz。勵磁電流經(jīng)過截止頻率為2kHz的四階巴特沃斯濾波后，在穩(wěn)態(tài)段的最大波動值僅約為3.7mA，比較穩(wěn)定。
4.3基于PWM控制的脈沖勵磁系統(tǒng)功耗測試
由于勵磁電源輸入的功率主要由基于PWM控制的脈沖勵磁系統(tǒng)和勵磁線圈承擔，所以，只要測出勵磁電源的輸入功率和勵磁線圈的功率，就可以得到基于PWM控制的脈沖勵磁系統(tǒng)的功率。根據(jù)勵磁電源的輸入電壓和輸入電流可以計算出輸入功率，根據(jù)勵磁電流和勵磁線圈的等效直流電阻可以計算出勵磁線圈的功率�；诟叩蛪弘娫辞袚Q勵磁系統(tǒng)的功率計算方法相同。
勵磁頻率設為12.5Hz、所配DN40一次儀表的勵磁線圈直流電阻為56Ω時，比較基于高低壓電源切換的勵磁系統(tǒng)與基于PWM控制的脈沖勵磁系統(tǒng)的功耗�；诟叩蛪弘娫辞袚Q勵磁系統(tǒng)所用的勵磁電源的高壓為80V，相應的輸入電流為12mA;低壓為24V，相應的輸入電流為176.8mA。根據(jù)一個勵磁周期內高壓和低壓各自工作的時間，計算出勵磁電源輸入功率約為5.20W。流過勵磁線圈的勵磁電流為178mA，根據(jù)勵磁線圈的直流電阻，計算出勵磁線圈消耗的功率約為1.77W。因此，得出勵磁系統(tǒng)承擔的功率約為3.43W�；赑WM控制的脈沖勵磁系統(tǒng)的勵磁電壓為76V，輸入電流為66.7mA，勵磁電流為240mA，所以，勵磁電源輸入功率約為5.07W，勵磁線圈消耗的功率約為3.23W，消耗在該勵磁系統(tǒng)上的功率約為1.84W。
可見，基于PWM控制的脈沖勵磁系統(tǒng)的勵磁電流比基于高低壓電源切換勵磁系統(tǒng)的大了34.83%，而前者承擔的功率僅為后者的53.64%。這說明基于PWM控制的脈沖勵磁系統(tǒng)消耗的功率主要集中在一次儀表的勵磁線圈，所以，可有效地解決勵磁系統(tǒng)的發(fā)熱問題。
4.4水流量檢定實驗
基于PWM控制的脈沖勵磁系統(tǒng)可以實現(xiàn)更高的勵磁頻率，有效地抑制漿液噪聲，但是，能否保證水流量測量的精度和穩(wěn)定性，需要實驗驗證。為此，利用精度等級為0.2的水流量檢定裝置，采用容積法，對研制的基于PWM控制的脈沖勵磁系統(tǒng)進行水流量檢定實驗。水流量檢定的最小流速為0.49m/s，最大流速為7.13m/s，共檢定了12個流量點，每點重復檢定3次。實驗結果表明:最大測量誤差小于0.34%，重復性誤差小于0.04%，精度優(yōu)于0.5級。
5結論
(1)設計了基于PWM控制的脈沖勵磁系統(tǒng)方案，分析了工作原理，計算了勵磁頻率、勵磁電流穩(wěn)態(tài)階段的調制頻率、勵磁功耗和阻抗。
(2)研制基于PWM控制的脈沖勵磁系統(tǒng)，實現(xiàn)了更高的勵磁頻率。當勵磁供電電源升高至80V時，勵磁電流進入穩(wěn)態(tài)的時間僅為0.8ms，可以實現(xiàn)160Hz的勵磁頻率。勵磁系統(tǒng)能產(chǎn)生比較穩(wěn)定的勵磁電流值，在勵磁電流穩(wěn)定時，勵磁電流的波動小于5mA。
(3)基于PWM控制的脈沖勵磁系統(tǒng)的勵磁電流更大，而消耗的功率僅為基于高低壓電源切換的53.64%，有效地解決了勵磁系統(tǒng)的發(fā)熱問題。
(4)水流量檢定結果表明，基于PWM控制的脈沖勵磁系統(tǒng)的電磁流量計的測量精度優(yōu)于0.5級，這說明研制的勵磁系統(tǒng)能為電磁流量計的精度高測量提供保證。
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