定製海水流（liú）量計勵磁控製方案設計

基（jī）於能量回饋和電流旁路的高低壓勵磁控製方案框（kuàng）圖如圖1所示（shì），主要由高、低壓電源、能量回（huí）饋電路、高、低壓切換電路、恒流控製電路、電流旁路電路、H橋開關（guān）電路、檢（jiǎn）流電路和勵磁時序（xù）產生電路組成。
1 工作流程
在勵磁平穩（wěn）階段，勵磁線圈中（zhōng）的勵磁電流（liú）為穩（wěn）態設定值。遲（chí）滯比較電路控製高低壓切換電路，切換至低壓源作為勵磁工作電源，並切斷（duàn）電流旁路電路。恒（héng）流控製電路在低壓供電的情況下通過H橋向（xiàng）勵（lì）磁線圈提供恒定電流。

當勵（lì）磁方向切換（huàn）時，勵磁線圈*先對（duì）能量回饋電路放（fàng）電，檢流電路（lù）檢測到的電（diàn）流值瞬間為負，從而切換高壓源（yuán）作（zuò）為勵磁工作電源，同時接通電流旁路電路（lù），以屏蔽恒流控製電路。勵磁線圈（quān）中的能量通過泄放回路，由能量回饋電路中的儲（chǔ）能電容儲存起來。此（cǐ）時電容兩端（duān）的電壓幅值超過輸入端的高壓源。待勵磁線圈能量泄放完（wán）成後（hòu），勵磁線圈中的電流減小為零並改變方向，能量回饋（kuì）電路開（kāi）始放電（diàn），將（jiāng）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（yuán）電平狀態時，由（yóu）高壓源直接通過電流旁路電路和H橋對勵磁線圈（quān）進行勵（lì）磁控製。當線圈中勵磁電流上（shàng）升到（dào）設定的超調量時，遲滯比較電路控製高低壓切換電路，切（qiē）換低（dī）壓源作為勵磁工作電源並切斷電流旁路（lù）電路（lù），然後由恒流控製電路開始對勵磁電流進行恒流控製。
2 能量回饋
定製海水流量計勵（lì）磁（cí）線圈為一（yī）感性儲能元件，在（zài）方（fāng）波勵磁時（shí），勵磁係統需要不斷對其進行（háng）充放電。當勵磁（cí）電流穩定時，勵磁線（xiàn）圈中儲存了一定的能量。當（dāng）勵磁方向切換時（shí），勵磁線圈需要先（xiān）將所儲存的（de）能量泄放掉，然後改變電流方向，再（zài）重新充電。因此，需要為勵磁（cí）線圈提供能量（liàng）泄放回路。雖然，可以采用（yòng）穩壓（yā）限幅二*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*管，將能量消（xiāo）耗在二（èr）*管上。按照（zhào）功的計算公式W=UIt可知，在電流與功均為（wéi）定值的情（qíng）況下，電壓的（de）幅值與時間成反（fǎn）比。所以，為了加快勵磁線圈的（de）能量泄放速度，能量泄放電路需要處在一個較高（gāo）的電壓水平，以提高勵磁（cí）線圈的（de）能量泄放功率。但是，限幅二*管（guǎn）的限幅電壓很（hěn）低，即使（shǐ）線圈中的電壓能夠突變，仍被（bèi）限製在限幅二*管的反向導通電壓幅值水平。並且，由（yóu）於勵磁線圈電（diàn）流不能突變，所以能量泄放功率較小（xiǎo）、能量泄放速度較慢，使得勵（lì）磁方向切換後的勵磁電流響應速度較慢，不利（lì）於實現高頻（pín）勵磁（cí），且（qiě）係統發熱較為嚴重。因（yīn）此，設計能量回饋（kuì）電路來儲存勵磁線（xiàn）圈所泄放的能量（liàng），並在線圈中勵磁電（diàn）流方向改（gǎi）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（néng）量被消（xiāo）耗在電路中。
采用儲能電容（róng）結合相應的保（bǎo）護電路來搭建能量回饋電路（lù）。若將能量回饋電路（lù）設置在H橋輸入端，對於恒流源而言，相當於加入了一個容性（xìng）負載，這不僅會降低恒流控製性能，還會影響能量泄放（fàng）速度。這是因為，在勵磁方向切換至高壓供電前，H橋輸入端是處於勵磁平（píng）穩階段的低壓（yā）狀態，這不利於線圈能量快速泄放（fàng）。為（wéi）此，將能量回饋電路設置在（zài）高壓電源與（yǔ）高低（dī）壓切換電路之間，如（rú）圖（tú）1所（suǒ）示。這樣，能量回饋電路中（zhōng）的（de）儲（chǔ）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（liàng）泄放過程中會逐漸升壓，從而（ér）能夠加快能量泄放速度。
在勵磁線（xiàn）圈中的能量泄放完成後，由於勵磁線圈中電流方向開始反向且幅值很小，高（gāo）低壓切換電路仍（réng）選擇高壓源作為（wéi）勵磁工作電源，以（yǐ）加快電流響應速度。所（suǒ）以，能（néng）量回饋電路中的儲能電容（róng）將儲存（cún）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（cì）方向切換過程中，既與儲能電容（róng）完成一次能量往返交換，又避免了在電路上的損耗。
3 恒流控製
目（mù）前已有的恒流電路采用（yòng）反饋進行PWM調節來進行恒流控製，或者通過（guò）在H橋低（dī）端設置（zhì）晶體管進行恒流控製。采用PWM反饋控製原理構建（jiàn）的恒流源，響應速度較慢，不適用於高頻勵磁，並且電流波（bō）動較大（dà）。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（lì）於H橋的開關控製。因此，采用三段線性穩壓電源芯片搭建恒（héng）流源電路，並（bìng）且將恒流電路放置於H橋的高端輸入端。在勵磁電流尚未（wèi）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，線性穩壓電（diàn）源輸出則為線性調（diào）節輸出，以進行恒流控製。這樣能夠獲得較快的勵磁電流響（xiǎng）應速（sù）度，電流（liú）波動較小（xiǎo）。
4 電流旁路
在定製海水流量計勵磁恒流控（kòng）製中，通過產生電流超調可以加速恒流控製。但由於本方案中采用高低壓勵磁（cí）的控（kòng）製方式，高壓與低壓之間的（de）切（qiē）換條件為：勵磁電流到達設定的閾值。為了獲得超調，要求該（gāi）設定的閾值大於勵磁電流的穩態設定值。又由於三端線性穩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後，由於沒有滿足切換條件，係統仍（réng）以高壓電源供電，這將（jiāng）導致三（sān）端穩壓電源芯片（piàn）輸入輸出之（zhī）間的電壓超過*大允許值。
由於低壓源供電時恒流控製電路針對感性負載（zǎi）的控製響應速度較慢，從（cóng）而會使勵磁電流到達穩態的時間較長（zhǎng）。另外，勵磁工（gōng）作電源突（tū）然從（cóng）高壓（yā）源切換（huàn）到低壓源也會使三端穩壓電（diàn）源芯片的輸（shū）出產生一（yī）個暫態（tài）響應過程，同樣不利於勵磁電流快速進入穩態。因此，在恒（héng）流控製電路兩端並聯電流旁路電路，以實現勵磁電流響應超調，加（jiā）快響應速度。
在圖（tú）1中當電流旁路電路接通時，恒流控製電路將被屏蔽，實現勵磁工作電源與H橋直通的目的；該電路斷開則使（shǐ）恒流控製（zhì）電路重新起作用。電流旁路電路由遲滯比較電（diàn）路控製是否接（jiē）通。勵磁（cí）電流能（néng）否實現響應超調，依賴於遲（chí）滯比較電路參數的配置。比（bǐ）較電路遲滯環的閾值下限設為低於勵磁電流的穩態設定值，在勵磁電（diàn）流在下降到一定值時，才選通（tōng）高壓源作為（wéi）勵磁工作電源。閾值上限則根據電流超調量的要求，取略高於勵磁電流的（de）穩態設定值，在勵（lì）磁電流上升到設定超調量後，切換低壓源作為勵磁工作電源並切斷電流（liú）旁路（lù）電路。這（zhè）樣，遲滯比較電路（lù）和電流旁路電路共同實現勵磁電流的響應超調控製，從而加速勵磁電流的（de）恒（héng）流控製速度。
另（lìng）外，勵磁係統中檢流電路設置在H橋（qiáo）外（wài）勵磁線圈的充放電回路上。勵磁線圈充（chōng）電時，檢流電路所檢測到的電流（liú）值為正值；勵磁線圈放電時，檢流電路所檢測（cè）到的電流值為負值。

上一篇：電磁海水流量計勵磁係統（tǒng）硬件研製

下一篇：HART協議在雨水流量計中的硬件設計與軟件實（shí）現