智能型污水流量計勵磁控制方案設計
點擊次數(shù)：2838 發(fā)布時間：2021-08-19 08:01:37
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，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橋對勵磁線圈進行勵磁控制。當線圈中勵磁電流上升到設定的超調量時，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行恒流控制。
2 能量回饋
智能型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)需要不斷對其進行充放電。當勵磁電流穩(wěn)定時，勵磁線圈中儲存了一定的能量。當勵磁方向切換時，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)壓限幅二極管搭建限幅電路構成能量泄放回路，即線圈中的電流流過限幅二極管，將能量消耗在二極管上。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，限幅二極管的限幅電壓很低，即使線圈中的電壓能夠突變，仍被限制在限幅二極管的反向導通電壓幅值水平。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速度較慢，不利于實現(xiàn)高頻勵磁，且系統(tǒng)發(fā)熱較為嚴重。因此，設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。
采用儲能電容結合相應的保護電路來搭建能量回饋電路。若將能量回饋電路設置在H橋輸入端，對于恒流源而言，相當于加入了一個容性負載，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行PWM調節(jié)來進行恒流控制，或者通過在H橋低端設置晶體管進行恒流控制。采用PWM反饋控制原理構建的恒流源，響應速度較慢，不適用于高頻勵磁，并且電流波動較大。在H橋低端設置晶體管則會導致H橋的低端電壓波動較大，不利于H橋的開關控制。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。在勵磁電流尚未達到設定值時，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；而當勵磁電流接近設定值時，線性穩(wěn)壓電源輸出則為線性調節(jié)輸出，以進行恒流控制。這樣能夠獲得較快的勵磁電流響應速度，電流波動較小。
4 電流旁路
在智能型污水流量計勵磁恒流控制中，通過產(chǎn)生電流超調可以加速恒流控制。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：勵磁電流到達設定的閾值。為了獲得超調，要求該設定的閾值大于勵磁電流的穩(wěn)態(tài)設定值。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，則會導致在勵磁電流達到設定值后，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載的控制響應速度較慢，從而會使勵磁電流到達穩(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)響應過程，同樣不利于勵磁電流快速進入穩(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)勵磁電流響應超調，加快響應速度。
在圖1中當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)響應超調，依賴于遲滯比較電路參數(shù)的配置。比較電路遲滯環(huán)的閾值下限設為低于勵磁電流的穩(wěn)態(tài)設定值，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)電流超調量的要求，取略高于勵磁電流的穩(wěn)態(tài)設定值，在勵磁電流上升到設定超調量后，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)勵磁電流的響應超調控制，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值。
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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，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橋對勵磁線圈進行勵磁控制。當線圈中勵磁電流上升到設定的超調量時，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行恒流控制。
2 能量回饋
智能型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)需要不斷對其進行充放電。當勵磁電流穩(wěn)定時，勵磁線圈中儲存了一定的能量。當勵磁方向切換時，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)壓限幅二極管搭建限幅電路構成能量泄放回路，即線圈中的電流流過限幅二極管，將能量消耗在二極管上。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，限幅二極管的限幅電壓很低，即使線圈中的電壓能夠突變，仍被限制在限幅二極管的反向導通電壓幅值水平。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速度較慢，不利于實現(xiàn)高頻勵磁，且系統(tǒng)發(fā)熱較為嚴重。因此，設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。
采用儲能電容結合相應的保護電路來搭建能量回饋電路。若將能量回饋電路設置在H橋輸入端，對于恒流源而言，相當于加入了一個容性負載，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行PWM調節(jié)來進行恒流控制，或者通過在H橋低端設置晶體管進行恒流控制。采用PWM反饋控制原理構建的恒流源，響應速度較慢，不適用于高頻勵磁，并且電流波動較大。在H橋低端設置晶體管則會導致H橋的低端電壓波動較大，不利于H橋的開關控制。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。在勵磁電流尚未達到設定值時，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；而當勵磁電流接近設定值時，線性穩(wěn)壓電源輸出則為線性調節(jié)輸出，以進行恒流控制。這樣能夠獲得較快的勵磁電流響應速度，電流波動較小。
4 電流旁路
在智能型污水流量計勵磁恒流控制中，通過產(chǎn)生電流超調可以加速恒流控制。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：勵磁電流到達設定的閾值。為了獲得超調，要求該設定的閾值大于勵磁電流的穩(wěn)態(tài)設定值。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，則會導致在勵磁電流達到設定值后，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載的控制響應速度較慢，從而會使勵磁電流到達穩(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)響應過程，同樣不利于勵磁電流快速進入穩(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)勵磁電流響應超調，加快響應速度。
在圖1中當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)響應超調，依賴于遲滯比較電路參數(shù)的配置。比較電路遲滯環(huán)的閾值下限設為低于勵磁電流的穩(wěn)態(tài)設定值，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)電流超調量的要求，取略高于勵磁電流的穩(wěn)態(tài)設定值，在勵磁電流上升到設定超調量后，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)勵磁電流的響應超調控制，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值。
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