砂泥漿流量計勵磁控制方案設計

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生電路組成。
1 工作流程
在勵磁平穩階段，勵磁線圈中的勵磁電流為穩態設定值。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，勵磁線圈首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
砂泥漿流量計勵磁線圈為一感性儲能元件，在方波勵磁時，勵磁系統需要不斷對其進行充放電。當勵磁電流穩定時，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，不利于實現高頻勵磁，且系統發熱較為嚴重。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階段的低壓狀態，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，線性穩壓電源輸出則為線性調節輸出，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
在砂泥漿流量計勵磁恒流控制中，通過產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態設定值。又由于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后，由于沒有滿足切換條件，系統仍以高壓電源供電，這將導致三端穩壓電源芯片輸入輸出之間的電壓超過最大允許值。
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態的時間較長。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壓電源芯片的輸出產生一個暫態響應過程，同樣不利于勵磁電流快速進入穩態。因此，在恒流控制電路兩端并聯電流旁路電路，以實現勵磁電流響應超調，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。勵磁電流能否實現響應超調，依賴于遲滯比較電路參數的配置。比較電路遲滯環的閾值下限設為低于勵磁電流的穩態設定值，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。閾值上限則根據電流超調量的要求，取略高于勵磁電流的穩態設定值，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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