基于线性电源的单/双频电磁流量计励磁控制系统

1 引言

    依据法拉第电磁感应定律，电磁流量计通过励磁线圈将磁场施加给被测流体，从而通过检测磁场中运动流体的感应电动势来测量导电液体体积流量[1]。目前，国内的电磁流量计基本上采用低频方波励磁方式，以获得稳定的零点[2-6]。但是，低频方波励磁无法实现快速测量和保证浆液测量的精度。为此，国外提出高频励磁和双频励磁方式，例如，日本横河的双频电磁流量计[7]和东芝的高频电磁流量计。    

    然而，在高频励磁（双频励磁中也存在高频励磁）时，由于励磁线圈的感性负载特性，励磁电流在励磁半周期内很难达到稳态，从而使信号很难获得稳定的零点。因而，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及励磁频率的精确控制是获得高精度信号处理结果的前提。但是，国外公司没有披露这些关键技术的具体细节[8-9]。      

    针对恒流控制的快速性、励磁电流检测的准确性及励磁频率控制的精确性的目的，基于线性电源设计了恒流控制电路、并采用高压源激励，使其具有快速响应性能，基于H桥设计实现方波励磁驱动电路，在H桥低端与地之间接入检流电路，并通过控制H桥工作方式实现准确检流，基于DSP结合外围器件设计励磁时序产生电路实现单频或双频精确励磁。

    2 系统硬件

    2.1 设计方案

    该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、励磁时序产生电路及检流电路，其框图如图1所示。

图1 电磁流量计励磁控制系统框图

    系统由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时序产生电路发出的励磁时序控制信号CT1和CT2，对励磁线圈进行方波励磁。检流电路置于励磁线圈驱动电路中，将流过励磁线圈的电流转换为电压信号输出。励磁时序产生电路基于DSP设计，DSP同时进行电磁流量计的信号处理。    

    2.2 恒流源电路

    由于采用高频励磁，励磁电流高达数百毫安，励磁线圈为感性负载，而采用DC/DC器件或类似PWM控制原理反馈控制构建的恒流源电路会使励磁电流响应速度慢，因而采用高功率线性电源搭建恒流控制电路，以获得较高的响应速度。恒流源电路原理图如图2所示。R1采用精密电阻，通过调整该电阻值即可获得期望电流。输入电压VCC为36V，D1为保护二极管，D2防止电流反向。由于电流进入稳态后负载端电压较低，因而线性电源上固定散热片以降低芯片工作温度。

图2 恒流源电路原理图

    2.3 励磁线圈驱动电路及检流电路

    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，以方便其开关驱动电路通过电流控制信号CON1和CON2控制其通断，从而避免因感性负载造成高端电压不稳而较难控制的问题；低端采用N沟道MOS管，以方便直接通过电压控制信号CON3和CON4控制其通断；由于MOS管栅极电流很小，从而可以在H桥低端与地之间接入检流电路以准确检测励磁电流。H桥桥臂PNP管和MOS管均选用内部反并肖特基二极管。检流电路设计为低阻值，以保证H桥低端电压波动幅值较小。H桥高端接上限幅电路，以保证H桥正常工作，并且为励磁线圈在电流方向切换时释放能量提供回路。H桥控制采用对臂联动控制，以保证单双频励磁时续流回路均具有高阻抗，进而保证零点稳定性。CON1、CON2、CON3、CON4由H桥开关驱动电路根据接收的励磁时序CT1和CT2产生。其中，CON1与CON4由CT1控制，CON2与CON3由CT2控制，以实现单频励磁或双频励磁时励磁线圈中电流完全流过检流电路。CD1和CD2直接接励磁线圈，以提供励磁电流。

图3 励磁线圈驱动电路及检流电路框图

    2.4 励磁时序产生电路

    励磁时序产生电路主要由DSP芯片TMS320F2812（以下简称F2812）结合多路开关及电平匹配电路组成，以产生励磁时序控制信号CT1和CT2，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模块及其中的GPTimer根据励磁方式的不同通过PWM输出产生，从而减轻CPU负担。电平匹配电路用于将DSP的3.3VCMOS逻辑电平转换为5V逻辑电平以控制励磁线圈驱动电路。由于系统上电复位时，DSP各引脚输出高电平，因而多路开关各通道输出呈高阻状态，故系统在电平匹配电路前通过下拉电路将控制信号CES2和CES2下拉，以使CT1和CT2为低电平，从而使励磁线圈驱动电路中的H桥各桥臂均关断。系统启动后，OEn置低，多路开关被使能。SLE为低电平时，CES1与SIG相通，从而使CT1跟随SIG变化，CT2为低电平；SLE为高电平时，CES2与SIG相通，从而使CT2跟随SIG变化，CT1为低电平。据此，通过产生不同的SIG与SLE信号波形即可进行不同方式的励磁控制。

图4 励磁时序产生电路硬件原理框图

    3 系统软件

    基于硬件电路设计之上，本系统采用软件初始化DSP及外围硬件模块使DSP通过其片上EV模块及其中通用定时器（GPTimer）控制PWM输出以产生励磁时序控制信号。这样，系统在启动励磁后无需软件再次干预，从而保证励磁频率的精度，并减轻CPU的负担，以便进行电磁流量计的信号处理任务。系统上电复位后，先初始化GPIO口，使控制信号OEn为低电平，以使能多路开关输出。

    单频励磁：初始化SIG为高电平并保持不变；初始化F2812的片上EV模块及其中GPTimer4，由T4PWM输出产生SLE信号。SLE信号频率由GPTimer4初始化时设定，即为励磁频率。这样，在系统初始化完成后，启动GPTimer4即可启动励磁。单频励磁的时序波形图如图5所示。    

图5 单频励磁时序波形图

    双频励磁：SIG和SLE均由F2812片上EV模块中PWM输出控制产生，且分别由GPTimer3和GPTimer4控制信号频率。其中，SIG信号频率由GPTimer3初始化设置为高频，SLE由GPTimer4初始化设置为低频，GPTimer4初始化为随GPTimer3同时启动。系统初始化完成后启动GPTimer3即可启动双频励磁。双频励磁的时序波形图如图6所示。    

图6 双频励磁时序波形图    

    4 实验结果

    系统研制完成后，为考察其性能指标，针对重庆川仪自动化股份有限公司生产的口径为40mm的接触式电磁流量计一次仪表（励磁线圈电感值约为250mH）进行了励磁控制实验，励磁电流由图2中R1确定为320mA左右。实验在江西流量器厂生产的XBTDN15-50Ⅱ型水流量标定装置上进行。实验步骤：1）将电磁流量计一次仪表装在标定装置上，并与该励磁控制系统接好线，同时将一次仪表的感应输出信号接至电磁流量计信号采集模块；2）启动标定装置并手动控制阀门调节至某一流速；3）启动系统开始对一次仪表进行励磁。系统中，检流电路与传感器输出信号均由电磁流量计系统经过调理放大采集，并通过RS232通信传送至上位机保存。系统采样率为4800Hz。

    实验中，分别通过软件设定采用单频25Hz和双频6.25Hz/75Hz进行方波励磁，并在仪表量程范围内取多个流量点进行实验。实验结果显示，针对上述电磁流量计一次仪表，励磁电流在励磁方向切换后上升时间（0%~90%）约为2.3ms，调节时间（进入稳态±0.5%误差带）约为4.5ms。由于励磁电流调节时间只与电路参数有关，因而下面只给出流速约为30m3/H情况下，高频励磁和双频励磁时系统所采集的励磁电流信号和一次仪表输出信号曲线图分别如图7、图8所示。由图3所示检流原理可知，检流电阻上所检测的电流信号稳态时只可能为零或正，而其能够根据已知的励磁阶段进行翻转转换成实际励磁线圈中的电流信号（与传感器输出信号波形相似）。

图7 高频（25Hz）励磁信号波形图

图8 双频（6.25Hz/75Hz）励磁信号波形图    

    在重庆川仪自动化股份有限公司100口径（电感值约为353.5mH）标定线上，分别对该励磁系统和现有技术中采用DC/DC调压反馈恒流控制技术的励磁系统进行励磁实验，实验结果如图9所示。由图可知，本文所研制的励磁系统在25Hz励磁时能快速进入励磁稳态，且励磁电流超调小，而现有技术励磁电流超调量大且在12.5Hz励磁时即无法进入稳态。

（a）本文技术25Hz励磁结果  （b）现有技术12.5Hz励磁结果

图9 本文技术与现有技术励磁实验结果波形图

    5 结论

    本文提出采用线性电源设计恒流源电路并由高压电源供电以加快电流响应速度，采用H桥对臂联动控制、H桥低端检流以保证单双频励磁零点稳定和电流检测的准确性，采用DSP通过其片上硬件产生PWM励磁控制信号以保证励磁频率的精确性。经上述研究分析及实验结果可知，所研制的基于线性电源的单双频电磁流量计励磁控制系统能对电磁流量计一次仪表进行高频励磁或双频励磁，励磁电流响应速度快，保证了稳定的信号零点，检流准确，励磁频率精确。这从而为提高电磁流量计测量精度和测量速度奠定了基础，并为其进行浆液流体的测量提供了条件。    

    参考文献：

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    [3]李小京，王萍，卢景山.用相关算法改善电磁流量计低流速性能[J].化工自动化及仪表，2004，31（6）：66-67.
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