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砂泥浆流量计励磁控制方案设计

点击次数:1827 发布时间:2020-08-12 15:58:12
基于能量回馈和电流旁(páng)路的高低压励磁控制方(fāng)案框图如(rú)图1所示,主要由高、低压电源、能量回馈电路、高、低压切(qiē)换电路、恒流控制电路、电流旁路电路、H桥开关电路、检(jiǎn)流电路和励磁时序产生电路组(zǔ)成。
1 工(gōng)作流程
在励磁平稳阶段,励磁线圈中的励磁电流为稳态设定值。迟滞比较电路控制高低压切换电路,切(qiē)换至(zhì)低压源作为励磁工作电源,并切断电流(liú)旁(páng)路电路。恒流控制电路在低压供电的情况下通过(guò)H桥向励磁线圈提供恒(héng)定电流。

当励磁方向切换时,励磁线圈*先对能(néng)量回馈电路放电(diàn),检流电路检测到的电流值瞬间为负(fù),从而切换高(gāo)压源作为励磁工作(zuò)电源,同时接通电流旁路电路,以屏蔽恒流控制电路。励磁线圈中的能量(liàng)通过泄放回路(lù),由能量回馈电路中的储能(néng)电(diàn)容储存起来。此(cǐ)时电容两端的电压幅值超过(guò)输入端(duān)的高压源(yuán)。待励磁线圈能量泄放完成后,励磁(cí)线圈中的电流减小为零并改变(biàn)方向,能量回馈电路开始(shǐ)放电,将储存的能量通过电流旁路电路和H桥直接回馈给励磁线圈(quān)。待(dài)能量回馈电路两(liǎng)端电压下(xià)降到高(gāo)压源电平状态时,由高压源直接通过电流旁路电(diàn)路和H桥对励磁线圈进行励磁控制。当线圈中励磁(cí)电流上升到设定的超调量时(shí),迟(chí)滞比较电路控制高低压切换电路,切(qiē)换低压源作(zuò)为(wéi)励磁工作电源并切断电流旁路(lù)电路,然后由恒流控制电路开始对励(lì)磁电流进行恒流控制。
2 能量回(huí)馈
砂泥浆流量计(jì)励磁线(xiàn)圈为一感性储能(néng)元件,在方波励磁时,励磁系统需要不断对其进行充(chōng)放电。当励磁电流稳定时,励磁线圈(quān)中储存了一定的能量。当励磁方向切换时,励磁线圈需要先将所储存的能量泄放掉,然后改变(biàn)电流方向(xiàng),再(zài)重(chóng)新充电。因此,需要为励磁线圈提供能(néng)量泄(xiè)放回路。虽然,可以采用稳压限幅二*管搭建限幅电路构成能量泄放回路,即线圈(quān)中的电(diàn)流(liú)流过限(xiàn)幅二(èr)*管,将能量消耗在二*管上。按(àn)照功的计算(suàn)公式W=UIt可知,在电流与功均为定值(zhí)的情况下,电压的幅值与时间成反比。所(suǒ)以(yǐ),为了加快励磁线圈的能量泄放速度,能量泄放电路需要处在一(yī)个较高(gāo)的电(diàn)压水(shuǐ)平,以提(tí)高励磁线圈的能量泄放功率。但是,限幅(fú)二*管的限幅电压很低,即使线圈中的电压能够突变,仍被限制在限幅二*管的反向导通(tōng)电压幅值水平。并且,由于励磁线圈电流不能突变,所以能量泄放(fàng)功率(lǜ)较小、能量泄放速度较慢,使得励磁方向切换后的励(lì)磁电流响应速度较慢,不利(lì)于实(shí)现(xiàn)高频(pín)励磁,且系统发热较为严重。因此,设计能量回馈电路来储(chǔ)存励磁(cí)线圈(quān)所泄放的能量,并在线圈中励磁电流方向改变(biàn)时将(jiāng)能量重新回馈给励磁线圈,从而(ér)避(bì)免励(lì)磁(cí)线圈泄放的能量(liàng)被消耗在(zài)电路中。
采用(yòng)储能(néng)电容结合相应的保(bǎo)护(hù)电路来搭建能量回馈电路。若将(jiāng)能量回馈(kuì)电路设置在H桥输入端,对于恒流源而言,相当于加入了(le)一个容性负载,这不仅会降低恒流控制性能,还(hái)会影响能量(liàng)泄放速度。这是因为,在励磁方(fāng)向切换至高压供电前,H桥输入端是(shì)处于励磁平稳阶段的低压状态,这不利(lì)于线圈能量快速(sù)泄放。为(wéi)此,将能量回馈电路设置在高压电源与(yǔ)高低压切换电路之间(jiān),如图1所示。这样,能量回馈电路(lù)中(zhōng)的储(chǔ)能电容会被预充电到与(yǔ)高压电源(yuán)相同的电(diàn)压,且在励(lì)磁线圈的能量泄放过(guò)程中会逐渐升压,从而能够加快能量泄放速度。
在励磁线圈中的能量泄放完成后,由于励磁线圈中电流方向开始(shǐ)反向且(qiě)幅值(zhí)很小(xiǎo),高低压切(qiē)换电路仍选择高压源作为励磁(cí)工(gōng)作(zuò)电源,以加快电流响应速度。所以(yǐ),能量回(huí)馈电路中的储能电容将储存的能量重新回馈给(gěi)励磁线圈。这样,励磁(cí)线圈中的能量在一次方(fāng)向切换过程中,既与储能电容完(wán)成一次能量往返交换,又避免了在电路上(shàng)的损耗。
3 恒流控制(zhì)
目(mù)前已有的恒流(liú)电路采用反馈进行(háng)PWM调节(jiē)来进行恒流控制,或者通(tōng)过在H桥低端设置(zhì)晶体管进行恒流(liú)控制。采用PWM反馈控制原理构建的恒流源,响应速度较慢,不适用于高频励磁,并且电流(liú)波动较大。在H桥低端设置晶体(tǐ)管则会导致H桥的低端电压波动较大,不利于H桥的开关控制。因(yīn)此,采(cǎi)用三段线性稳(wěn)压电源芯片搭建恒流源电路,并且将恒流电路(lù)放置于H桥的高端输入端。在励磁电流尚(shàng)未达到设(shè)定值时,线性稳压电源为饱和输出,输出电压跟随输入(rù)电压的变化;而(ér)当励磁电流接近设定值时,线性稳压电(diàn)源输出则为(wéi)线性调节输出(chū),以进行恒流控制(zhì)。这样能够获得较快的励磁(cí)电流响应(yīng)速度,电流波动较小。
4 电流旁路
在(zài)砂泥浆流量计励磁恒流控制中(zhōng),通过产生电流(liú)超调可以加速恒流控制。但由于本方案中采用(yòng)高低压励磁的控制方式,高压与低压之(zhī)间(jiān)的切换条件为(wéi):励(lì)磁电流到(dào)达设定的阈值。为了获得超调,要求该设定的阈值大于励磁电流的稳态设定值。又由于三端线性稳压电源(yuán)芯片搭建(jiàn)的恒流(liú)源电路,其输出端的设定电阻决定了其输出电(diàn)流的大(dà)小。所以,如不采取措施,则会导致在励磁电流达到设定值后,由于没有满足(zú)切换(huàn)条件,系统仍以高压电(diàn)源供电,这将导致三端稳(wěn)压电源芯片输入输出之间的电压超过*大允许值。
由于低压源供电(diàn)时恒流控制电路针对感性负载的控制响应速度较慢,从而会使励(lì)磁电流到达稳态的时间较长。另外(wài),励磁工作(zuò)电源突然从高压源切换到低压源也会使三端稳压(yā)电源(yuán)芯片的输出产生一个暂态响(xiǎng)应过程(chéng),同样不(bú)利于励磁(cí)电流快速进入稳态。因(yīn)此,在恒(héng)流控制(zhì)电路两端(duān)并联电流旁路电路(lù),以实现励磁电(diàn)流响应超调,加快响应速度。
在图1中当电流旁(páng)路电路接通时,恒流控制电路将被屏蔽,实现励磁(cí)工作电源与H桥直通的目的;该(gāi)电路断(duàn)开则使恒流控(kòng)制电路重新起作用。电流旁路电路由迟(chí)滞比较(jiào)电路控制是否(fǒu)接通。励磁电流能否实现响应超调,依(yī)赖于迟滞比较电路参数的配置。比较电路迟滞环的阈值下限设为低于励磁电流的稳态设定值,在励(lì)磁电流在下降到一定值时,才选通高压源作为励磁工作电源。阈(yù)值上限则根据电流超调量的要求,取略高于励磁电(diàn)流(liú)的稳态设定值,在励磁电流上升到设定超调量后,切换(huàn)低压源作(zuò)为励磁工作电源并切断电流旁路电路。这样,迟滞比较电路和电流旁路电路共同实现励磁电流的响应超调控(kòng)制,从(cóng)而加速励磁电流(liú)的恒流控制速度。
另外,励磁系统中检流电路设置在H桥外励磁线圈的充放电回(huí)路上。励(lì)磁线圈充电时,检流电路所检测到的电流值为正值(zhí);励磁线圈放电时,检流电(diàn)路所检测到的电流值(zhí)为负值(zhí)。

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