電磁海水流量計勵磁系統(tǒng)硬件研制
點擊次數(shù)：2835 發(fā)布時間：2021-09-04 03:02:46
1、 高、低壓切換恒流控制電路
高、低壓切換恒流控制電路是勵磁控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，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、電流旁路電路和遲滯比較電路組成，其電路原理如圖2所示。
高、低壓電源來自于AC-DC模塊。其中，高壓源直接采用AC-DC的80V輸出電源；低壓源則由DC-DC轉(zhuǎn)換器對AC-DC模塊的24V輸出電源進行轉(zhuǎn)換得到的可調(diào)電壓源。電壓大小則以保證勵磁穩(wěn)態(tài)時，恒流控制電路中的三端穩(wěn)壓器輸入輸出壓差相對較小為準，以降低電路損耗；能量回饋電路由儲能電容C1、保護二極管D1和能量泄放電阻R1組成。其中，電容C1用于儲存勵磁方向切換時，勵磁線圈中泄放的能量。齊納二極管D1用于防止勵磁線圈中能量泄放時，由于電容C1的充電電壓過高，而導致的電容擊穿。電阻R1用于在系統(tǒng)斷電不工作時，為電容C1提供能量泄放回路；高低壓切換電路主要由肖特基二極管和達林頓三極管組成高低壓平滑切換電路。當達林頓三極管導通時，將高壓源切換為勵磁工作電源，肖特基二極管反向關(guān)斷，低壓源被切除。而當達林頓三極管關(guān)斷時，肖特基二極管重新正向?qū)?，將低壓源切換為勵磁工作電源。恒流控制電路由三端穩(wěn)壓芯片、電阻R2與肖特基二極管D3構(gòu)成。電阻R2用于設(shè)置恒流源輸出電流的大小，即勵磁電流的穩(wěn)態(tài)值；由于勵磁電流達到200mA左右，為防止長期勵磁導致電路溫升并影響電路參數(shù)，電阻R2選用大功率低溫漂系數(shù)的精密電阻；肖特基二極管D3一方面用于防止反向電流損壞三端穩(wěn)壓器；另一方面用于組成勵磁線圈的能量泄放回路的一部分；電流旁路電路主要由達林頓三極管組成，由遲滯比較電路控制通斷；遲滯比較電路主要由運放和電阻等分立元件搭建而成。比較電路一端輸入為基準Vref，其值取決于勵磁電流的穩(wěn)態(tài)設(shè)定值大小，另一端輸入則為檢流電路檢測得到的勵磁電流信號Cur。
2、 H橋勵磁開關(guān)電路與檢流電路
H橋開關(guān)電路主要由H橋路及其驅(qū)動電路組成，用于實現(xiàn)對勵磁線圈進行方波勵磁。原理示意圖如圖3所示。
圖中，L1為勵磁線圈的示意符號。H橋路中，高端橋臂采用PNP型的達林頓三極管，以通過電流控制其通斷，從而克服因線圈的電感特性導致H橋高端電壓大幅波動而較難控制的問題。H橋驅(qū)動電路主要由達林頓陣列管和三極管等組成，為H橋高端橋臂提供電流控制信號，為H橋低端橋臂提供電壓控制信號，且對H橋的控制采用對臂聯(lián)動控制方式，即由控制信號CON1控制H橋T1管和T4管的通斷，由控制信號CON2控制H橋T2和T3的通斷。CON1和CON2為正交的PWM波，從而實現(xiàn)對勵磁線圈的方波勵磁。勵磁系統(tǒng)中檢流電路主要由檢流電阻組成，檢流電阻同樣采用大功率低溫漂的精密電阻以避免長期勵磁工作時電路溫升引起電路參數(shù)的較大漂移。另外，檢流電阻取低阻值電阻以降低H橋低端電壓波動，從而保證H橋低端橋臂可靠通斷。
3 、勵磁時序產(chǎn)生電路
勵磁時序產(chǎn)生電路用于產(chǎn)生勵磁控制信號CON1和CON2以控制方波勵磁時序，其電路原理結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。
該電路主要由勵磁時序發(fā)生單元、三態(tài)緩沖器及隔離光耦組成。勵磁時序由電磁海水流量計系統(tǒng)的控制核心產(chǎn)生。采用DSP的EPWM外設(shè)模塊，通過設(shè)定其內(nèi)部定時器的工作模式發(fā)出所要求的勵磁頻率的勵磁時序PWM信號CT_1和CT_2。由于勵磁控制系統(tǒng)中的勵磁工作電源的電壓要比DSP的工作電源電壓高得多，為防止勵磁電路故障對系統(tǒng)控制核心產(chǎn)生致命影響，采用光耦將控制部分與勵磁部分進行隔離。另外，由于DSP引腳的驅(qū)動能力有限，所以在DSP與隔離光耦之間加入三態(tài)緩沖器以驅(qū)動隔離光耦的輸入級。并且，DSP能夠通過GPIO口控制三態(tài)緩沖器上的使能引腳來使能和禁止勵磁，以在檢測到電路故障時迅速關(guān)斷H橋所有橋臂。該勵磁時序產(chǎn)生電路通過軟件編程可產(chǎn)生如圖5所示的單頻矩形波。在實際應(yīng)用中，由于組成H橋的達林頓三極管與MOS管導通與關(guān)斷的時間不一致，易在勵磁方向切換瞬間，產(chǎn)生上下橋臂同時導通的現(xiàn)象，反映在勵磁電流波形上為一幅值很高的窄脈沖。該脈沖電流不僅容易引起遲滯比較電路的誤輸出，從而導致高低壓切換電路與電流旁路電路的誤動作，而且對恒流控制電路產(chǎn)生沖擊，減小三端穩(wěn)壓芯片的使用壽命，同時還會產(chǎn)生EMC電磁干擾，給測量精度帶來影響。所以實際應(yīng)用時，如圖5所示對方波勵磁時序添加死區(qū)，可以明顯減小上述現(xiàn)象。
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高、低壓切換恒流控制電路是勵磁控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，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、電流旁路電路和遲滯比較電路組成，其電路原理如圖2所示。
高、低壓電源來自于AC-DC模塊。其中，高壓源直接采用AC-DC的80V輸出電源；低壓源則由DC-DC轉(zhuǎn)換器對AC-DC模塊的24V輸出電源進行轉(zhuǎn)換得到的可調(diào)電壓源。電壓大小則以保證勵磁穩(wěn)態(tài)時，恒流控制電路中的三端穩(wěn)壓器輸入輸出壓差相對較小為準，以降低電路損耗；能量回饋電路由儲能電容C1、保護二極管D1和能量泄放電阻R1組成。其中，電容C1用于儲存勵磁方向切換時，勵磁線圈中泄放的能量。齊納二極管D1用于防止勵磁線圈中能量泄放時，由于電容C1的充電電壓過高，而導致的電容擊穿。電阻R1用于在系統(tǒng)斷電不工作時，為電容C1提供能量泄放回路；高低壓切換電路主要由肖特基二極管和達林頓三極管組成高低壓平滑切換電路。當達林頓三極管導通時，將高壓源切換為勵磁工作電源，肖特基二極管反向關(guān)斷，低壓源被切除。而當達林頓三極管關(guān)斷時，肖特基二極管重新正向?qū)?，將低壓源切換為勵磁工作電源。恒流控制電路由三端穩(wěn)壓芯片、電阻R2與肖特基二極管D3構(gòu)成。電阻R2用于設(shè)置恒流源輸出電流的大小，即勵磁電流的穩(wěn)態(tài)值；由于勵磁電流達到200mA左右，為防止長期勵磁導致電路溫升并影響電路參數(shù)，電阻R2選用大功率低溫漂系數(shù)的精密電阻；肖特基二極管D3一方面用于防止反向電流損壞三端穩(wěn)壓器；另一方面用于組成勵磁線圈的能量泄放回路的一部分；電流旁路電路主要由達林頓三極管組成，由遲滯比較電路控制通斷；遲滯比較電路主要由運放和電阻等分立元件搭建而成。比較電路一端輸入為基準Vref，其值取決于勵磁電流的穩(wěn)態(tài)設(shè)定值大小，另一端輸入則為檢流電路檢測得到的勵磁電流信號Cur。
2、 H橋勵磁開關(guān)電路與檢流電路
H橋開關(guān)電路主要由H橋路及其驅(qū)動電路組成，用于實現(xiàn)對勵磁線圈進行方波勵磁。原理示意圖如圖3所示。
圖中，L1為勵磁線圈的示意符號。H橋路中，高端橋臂采用PNP型的達林頓三極管，以通過電流控制其通斷，從而克服因線圈的電感特性導致H橋高端電壓大幅波動而較難控制的問題。H橋驅(qū)動電路主要由達林頓陣列管和三極管等組成，為H橋高端橋臂提供電流控制信號，為H橋低端橋臂提供電壓控制信號，且對H橋的控制采用對臂聯(lián)動控制方式，即由控制信號CON1控制H橋T1管和T4管的通斷，由控制信號CON2控制H橋T2和T3的通斷。CON1和CON2為正交的PWM波，從而實現(xiàn)對勵磁線圈的方波勵磁。勵磁系統(tǒng)中檢流電路主要由檢流電阻組成，檢流電阻同樣采用大功率低溫漂的精密電阻以避免長期勵磁工作時電路溫升引起電路參數(shù)的較大漂移。另外，檢流電阻取低阻值電阻以降低H橋低端電壓波動，從而保證H橋低端橋臂可靠通斷。
3 、勵磁時序產(chǎn)生電路
勵磁時序產(chǎn)生電路用于產(chǎn)生勵磁控制信號CON1和CON2以控制方波勵磁時序，其電路原理結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。
該電路主要由勵磁時序發(fā)生單元、三態(tài)緩沖器及隔離光耦組成。勵磁時序由電磁海水流量計系統(tǒng)的控制核心產(chǎn)生。采用DSP的EPWM外設(shè)模塊，通過設(shè)定其內(nèi)部定時器的工作模式發(fā)出所要求的勵磁頻率的勵磁時序PWM信號CT_1和CT_2。由于勵磁控制系統(tǒng)中的勵磁工作電源的電壓要比DSP的工作電源電壓高得多，為防止勵磁電路故障對系統(tǒng)控制核心產(chǎn)生致命影響，采用光耦將控制部分與勵磁部分進行隔離。另外，由于DSP引腳的驅(qū)動能力有限，所以在DSP與隔離光耦之間加入三態(tài)緩沖器以驅(qū)動隔離光耦的輸入級。并且，DSP能夠通過GPIO口控制三態(tài)緩沖器上的使能引腳來使能和禁止勵磁，以在檢測到電路故障時迅速關(guān)斷H橋所有橋臂。該勵磁時序產(chǎn)生電路通過軟件編程可產(chǎn)生如圖5所示的單頻矩形波。在實際應(yīng)用中，由于組成H橋的達林頓三極管與MOS管導通與關(guān)斷的時間不一致，易在勵磁方向切換瞬間，產(chǎn)生上下橋臂同時導通的現(xiàn)象，反映在勵磁電流波形上為一幅值很高的窄脈沖。該脈沖電流不僅容易引起遲滯比較電路的誤輸出，從而導致高低壓切換電路與電流旁路電路的誤動作，而且對恒流控制電路產(chǎn)生沖擊，減小三端穩(wěn)壓芯片的使用壽命，同時還會產(chǎn)生EMC電磁干擾，給測量精度帶來影響。所以實際應(yīng)用時，如圖5所示對方波勵磁時序添加死區(qū)，可以明顯減小上述現(xiàn)象。