定制海水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(kāi)關(guān)電路、檢流電路和勵磁時(shí)序產(chǎn)生電路組成。
1 工作流程
在勵磁平穩階段，勵磁線(xiàn)圈中的勵磁電流為穩態(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(guò)H橋向勵磁線(xiàn)圈提供恒定電流。

當勵磁方向切換時(shí)，勵磁線(xiàn)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(shí)接通電流旁路電路，以屏蔽恒流控制電路。勵磁線(xiàn)圈中的能量通過(guò)泄放回路，由能量回饋電路中的儲能電容儲存起來(lái)。此時(shí)電容兩端的電壓幅值超過(guò)輸入端的高壓源。待勵磁線(xiàn)圈能量泄放完成后，勵磁線(xiàn)圈中的電流減小為零并改變方向，能量回饋電路開(kāi)始放電，將儲存的能量通過(guò)電流旁路電路和H橋直接回饋給勵磁線(xiàn)圈。待能量回饋電路兩端電壓下降到高壓源電平狀態(tài)時(shí)，由高壓源直接通過(guò)電流旁路電路和H橋對勵磁線(xiàn)圈進(jìn)行勵磁控制。當線(xiàn)圈中勵磁電流上升到設定的超調量時(shí)，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(kāi)始對勵磁電流進(jìn)行恒流控制。
2 能量回饋
定制海水流量計勵磁線(xiàn)圈為一感性?xún)δ茉?，在方波勵磁時(shí)，勵磁系統需要不斷對其進(jìn)行充放電。當勵磁電流穩定時(shí)，勵磁線(xiàn)圈中儲存了一定的能量。當勵磁方向切換時(shí)，勵磁線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)圈中的電流流過(guò)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(shí)間成反比。所以，為了加快勵磁線(xiàn)圈的能量泄放速度，能量泄放電路需要處在一個(gè)較高的電壓水平，以提高勵磁線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(shí)現高頻勵磁，且系統發(fā)熱較為嚴重。因此，設計能量回饋電路來(lái)儲存勵磁線(xiàn)圈所泄放的能量，并在線(xiàn)圈中勵磁電流方向改變時(shí)將能量重新回饋給勵磁線(xiàn)圈，從而避免勵磁線(xiàn)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(lái)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(gè)容性負載，這不僅會(huì )降低恒流控制性能，還會(huì )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(tài)，這不利于線(xiàn)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(huì )被預充電到與高壓電源相同的電壓，且在勵磁線(xiàn)圈的能量泄放過(guò)程中會(huì )逐漸升壓，從而能夠加快能量泄放速度。
在勵磁線(xiàn)圈中的能量泄放完成后，由于勵磁線(xiàn)圈中電流方向開(kāi)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(xiàn)圈。這樣，勵磁線(xiàn)圈中的能量在一次方向切換過(guò)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(jìn)行PWM調節來(lái)進(jìn)行恒流控制，或者通過(guò)在H橋低端設置晶體管進(jìn)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(dòng)較大。在H橋低端設置晶體管則會(huì )導致H橋的低端電壓波動(dòng)較大，不利于H橋的開(kāi)關(guān)控制。因此，采用三段線(xiàn)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(shí)，線(xiàn)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(shí)，線(xiàn)性穩壓電源輸出則為線(xiàn)性調節輸出，以進(jìn)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(dòng)較小。
4 電流旁路
在定制海水流量計勵磁恒流控制中，通過(guò)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態(tài)設定值。又由于三端線(xiàn)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(huì )導致在勵磁電流達到設定值后，由于沒(méi)有滿(mǎn)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(guò)最大允許值。
由于低壓源供電時(shí)恒流控制電路針對感性負載的控制響應速度較慢，從而會(huì )使勵磁電流到達穩態(tài)的時(shí)間較長(cháng)。另外，勵磁工作電源突然從高壓源切換到低壓源也會(huì )使三端穩壓電源芯片的輸出產(chǎn)生一個(gè)暫態(tài)響應過(guò)程，同樣不利于勵磁電流快速進(jìn)入穩態(tài)。因此，在恒流控制電路兩端并聯(lián)電流旁路電路，以實(shí)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(shí)，恒流控制電路將被屏蔽，實(shí)現勵磁工作電源與H橋直通的目的；該電路斷開(kāi)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(shí)現響應超調，依賴(lài)于遲滯比較電路參數的配置。比較電路遲滯環(huán)的閾值下限設為低于勵磁電流的穩態(tài)設定值，在勵磁電流在下降到一定值時(shí)，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(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(shí)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(xiàn)圈的充放電回路上。勵磁線(xiàn)圈充電時(shí)，檢流電路所檢測到的電流值為正值；勵磁線(xiàn)圈放電時(shí)，檢流電路所檢測到的電流值為負值。

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