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PWM控制电磁流量计脉冲励磁系统分析
发布时间:2020-3-2 09:02:44

摘要:为了提高励磁频率和减少发热,使电磁流量计能够更好地用于浆液流量测量和灌装流量测量,并长期稳定、可靠地工作,研究了基于PWM控制的脉冲励磁方案,分析其工作原理,计算各种参数,研制实际系统,进行测试和实验。结果表明,该系统能实现更高的励磁频率,产生稳定的励磁电流,极大地减小了励磁系统的功耗,能去除微分干扰对流量信号测量的影响,水流量检定准确度优于0.5级。
引言
  电磁流量计是基于电磁感应原理工作的仪表,其中的励磁系统为一次仪表中的励磁线圈提供所需的励磁电流,以形成磁场"。励磁系统是该类流量计的重要组成部分,也是功耗最大的部.分口,。当测量通常的导电液体时,电磁流量计往往采用低频方波励磁的方式产生磁场,例如,采用2.5Hz或者5Hz的励磁频率,以便输出信号有足够长、稳定的时间段4.,保证较高的测量精度;当测量浆液流量或者进行灌装测量时,必须采用高频励磁,例如,12.5Hz和25Hz或者更高频率,以克服具有11f特性的浆液噪声影响和加快仪表.的响应速度。为此,人们研究了2种高频励磁系统:--种是基于线性电源工作原理的,即高低压电源切换的励磁系统[5~]);另外--种是基于开关电源工作原理的,即脉冲励磁系统l8-10]。前一种励磁系统的特点是在励磁电流稳态阶段励磁电流值不变,这样磁场就非常稳定,保证了测量精度",但是,恒流控制电路的功耗较大,容易导致励磁系统发热,影响使用寿命。后--种励磁系统根据开关管的开关频率是否受励磁线圈电抗的影响,分为基于电流幅值控制的励磁系统和基于电流误差控制的励磁系统(又称基于PWM控制的脉冲励磁系统)。基于电流幅值控制的励磁系统采用迟滞比较器来控制励磁电流18.9]。该励磁系统依靠迟滞比较器的上下门限将励磁电流维持在一个小范围内波动,既保持励磁电流在稳态过程相对稳定,又使能量主要消耗在励磁线圈上,避免电路发热。但是,这种励磁系统没有考虑:当励磁线圈的电抗不同时,励磁电流上升的曲线是不同的,这样励磁电流上升至上门限值或者下降至下门限值的时间.就不同,即当励磁线圈不同时,励磁电流波动的频率就不同;励磁电流的波动会引入远大于流量信号的微分干扰,影响流量的测量,而波动的频率因励磁线圈不同而存在差异,需要逐台对电磁流量计进行处理,才能有效地抑制励磁电流波动的影响,这在实际生产中很难实现。基于PWM(pulsewidthmodulation)控制的励磁系统的开关频率是固定的9.10。励磁电流在稳态阶段以固定的频率波动,不会随励磁线圈的不同而变化,使我们可以采用相应的处理方法来消除励磁电流波动的影响。.但是,文献[9,10]没有披露关键的技术细节,也没有给出深人的分析和具体的计算。
  为此,本文研究了基于PWM控制的脉冲励磁系统的工作原理和稳流控制方案,定量计算其励.磁频率、开关管的开关频率、励磁系统功耗和励磁线圈阻抗,并给出具体的设计参数;研制了基于PWM控制的脉冲励磁系统的电磁流量计,进行了实验验证。
2基于PWM控制的脉冲励磁系统
2.1工作原理
  针对励磁线圈是感性负载、流过其电流不能突变的特点,PWM控制电路控制开关管将励磁电源间断地施加在励磁线圈上,实现励磁电流的变化和稳定,其工作原理如图1所示。

  取样电阻与励磁线圈串联,其上的压降反映流过励磁线圈的电流值。PWM控制电路根据励磁电流值输出控制信号,由驱动电路完成电平转换后导通和关断开关管,以控制励磁电流。在励磁电流上升时,始终导通开关管,将励磁电压一直加在励磁线圈.上,以加速励磁电流的上升;在励磁电流达到稳态值时,控制开关管频繁通断,将励磁电源电压以固定的频率加在励磁线圈上,维持励磁电流的基本稳定,即以固定的频率进行很小幅度的波动。在励磁电流.上升到稳态阶段的过程中,加在励磁线圈。上的电压E和励磁电流i随时间t变化的波形如图2所示,其中,实线为加在励磁线圈上的电压变化情况,虚线为励磁电流变化情况,Enx表示最大励磁电压,1表示励磁电流的稳态平均值。

  该励磁方式的特点是:在励磁电流稳态阶段,开关管不停地通断,使励磁电流做小幅度的稳定波动,将励磁电压尽可能降在励磁线圈上,避免励磁系统发热,同时,励磁电流固定的波动频率便于消除其引人的干扰。
2.2励磁频率
  基于PWM控制的脉冲励磁系统可以实现更高的励磁频率,以满足浆液流量测量和灌装流量测量。在励磁的开始阶段,励磁电流在励磁电源的作用下快速上升至稳态阶段。励磁电流i与励磁线圈上所加电压E之间的关系为:

  可见,励磁电流值变化量相同,其所需的时间与励磁线圈两端施加的电压成反比。所以,基于PWM控制的脉冲励磁系统可通过提供更高的励磁电压来减小励磁电流上升到稳态值的时间,实现更高的励磁频率。励磁电流的稳态平均值1。在稳态阶段的时间需至少保持t,以保证电磁流量计的测量。励磁电流上升的时间为:

  式中tg为励磁时序的死区时间。以DN40电磁流量计为例,基于PWM控制的脉冲励磁系统中励磁电压为80V,励磁电流为240mA,励磁线圈电感值为200mH、电阻值为56Q,则励磁电流上升时间t。为650μs。若电磁流量计实现准确测量需要励磁电流保持2ms的稳态时间,其励磁时序的死区时间为150μs,则该励磁系统能实现的最高励磁频率可以达到约178Hz。如果进一步提高励磁电源的电压,.则可以实现更高的励磁频率,而普通励磁系统的励磁频率仅为5Hz和6.25Hz。
2.3开关管的开关频率
  基于PWM控制的脉冲励磁系统会在电磁流量计测量时引人微分干扰,而微分干扰是由励磁电流波动而造成的周期信号,其频率与开关管的开关频率相等,便于采用相应的方法来抑制甚至消除;电磁流量计输出的流量信号也是周期信号,其频率与励磁频率相等。因此,可以把开关管的开关频率控制在远远高于流量信号频率的频段,并采用硬件低通滤波器对微分干扰进行衰减。
电磁流量计输出流量信号频段主要在200Hz.以下。为此:设置硬件低通滤波器的截止频率为流量信号频率的5~10倍,即大约为几千Hz;设置开关管的开关频率为硬件低通滤波器截止频率的10倍左右,即大约为几十kHz。这样硬件低通滤波器不仅可以消除输出信号中噪声的干扰,还可以极大地抑制电流波动所带来的微分干扰。
2.4励磁功耗分析.
  在基于PWM控制的脉冲励磁系统中,开关管位于励磁电源和励磁线圈之间,以维持励磁电流的稳定,为励磁系统中功耗最大的电路单元。开关管的损耗主要表现为导通损耗和开关损耗。导通损耗是开关管在导通状态下,开关管的导通电阻的功率。由于励磁电流为数百mA,开关管的导通电阻为数十mI,所以,开关管的导通损耗非常小。开关损耗为开关管从导通(关断)转换为关断(导通)时的所有损耗。开关频率越高,开关损耗就越大,所以,开关管的开关损耗反映了励磁系统的功耗。当开关管接励磁线圈时,开关损耗为[12]:

  式中:Idmax为流过开关管的最大电流;tc为开关管由关断(导通)到导通(关断)的转换时间;f.sw为开关管的开关频率。
以DN40电磁流量计为例,基于PWM控制的脉冲励磁系统的励磁电压为80V,励磁电流为240mA,开关管的开关频率为20kHz,开关管开关的转换时间为100ns,则开关管的开关损耗约为38.4mW。
2.5励磁线圈阻抗
  合理地设计励磁线圈的直流电阻值和电感值,有助于减小励磁电流的波动幅值,使基于PWM控制的脉冲励磁系统工作在最佳状态。
  由式(1)和式(2)可知,当励磁电压固定时,励磁电流的变化过程取决于励磁线圈的电感值和直流电阻值。电感值由励磁线圈的匝数决定。当励磁线圈通人一--定的电流时,测量管内的磁场与励磁线圈.的匝数成正比。为了保证电磁流量计正常测量所需要的磁场强度,励磁线圈的匝数一般不宜变化,此时,可以通过改变励磁线圈的线径来调整直流电阻。
忽略开关管上的压降,那么,励磁线圈两端的电压就等于励磁电压:


式中Rmax为励磁线圈的直流电阻值的最大值。
  励磁电流在稳态阶段的波形示意图如图3所示,其中,励磁电流稳态阶段的Is波动周期为Tf,波动幅值为Ic,设允许励磁电流最大波动幅值为Imax,则Ic<Imax。近似认为在稳态阶段励磁电流上升的斜率是固定值,等于励磁电流在稳态值处的斜率(图3中a点处的斜率)。由于在励磁电流稳态阶段,在开关管的一个开关周期内,励磁电流的变化量为0,因此,仅研究励磁电流在稳态阶段的上升过程。

  所以,为了使基于PWM控制的脉冲励磁系统在设定的开关频率下正常工作,且励磁电流值在稳态阶段的波动幅值小于Imax,励磁线圈的直流电阻值需要满足式(7)和式(13)所决定的范围。
  考虑到励磁线圈的直流电阻值受温度影响较大和电磁流量计的整机功耗,励磁线圈的直流电阻值一般直接取下限值。以DN40电磁流量计为例,励磁电压为80V,励磁电流在稳态阶段的平均值为240mA,开关管的开关频率为20kHz,励磁线圈的电感值为0.2H,励磁电流在稳态阶段的波动幅值要小于5mA,励磁线圈的直流电阻值的取值范围为167Ω至333Ω。通过调整励磁线圈的线径把直流电阻值设置成167Ω,这样既可以最大限度地克服温升带来的影响,又可以使电磁流量计的整机功耗最小。
3PWM控制的脉冲励磁系统研制
3.1系统框图
  研制的基于PWM控制的脉冲励磁系统主要由励磁电源、能量回馈电路、励磁线圈驱动电路、检流电路、逻辑电路、PWM控制电路和励磁时序产生电路组成,如图4所示。其中,能量回馈电路

  在开关管关断时回收励磁线圈中的能量,并在开关管导通时把收集的能量回馈给励磁线圈,提高能量利用率;励磁线圈驱动电路改变励磁线圈中电流的方向,实现方波励磁,抑制电极极化,也维持励磁电流稳定,为励磁线圈提供续流回路;检流电路获取流过励磁线圈的电流值;逻辑电路为励磁线圈驱动电路提供控制信号;PWM控制电路维持流过励磁线圈的电流值,在电流值上升时,产生占空比为1的方波,加快励磁电流的上升,在电流值达到稳态值时产生频率固定、占空比自可调的PWM波形,以在励磁线圈中产生稳定的电流值;励磁时序产生电路用来设定电磁流量计的励磁频率。
3.2励磁线圈驱动电路
  励磁线圈驱动电路主要由H桥开关电路和H桥驱动电路组成,如图5所示。H桥开关电路由4个NMOS管组成,受H桥驱动电路控制,其中,Q3和Q4为控制励磁电流稳定的开关管,实现脉冲励磁,Q1和Q2用来改变励磁电流方向的开关管;H桥驱动电路主要由电平转换电路和光耦组成,其中,P1和P2是光耦,T1和T2是电平转换电路。CT_1,CT_2,CT_3和CT_4分别是Q1,Q2,Q3和Q4的控制信号;VFB是由单刀双掷开关S1输出的检流电阻上的电压信号。在H桥开关电路的低端和地之间接入两个检流电阻,这2个检流电阻通过开关进行选择,以保证在励磁电流方向切换时,单刀双掷开关输出的励磁电流值总为正,实现对励磁电流的准确控制。

3.3PWM控制电路
  PWM控制电路主要由误差放大器和PWM电路组成,如图6所示。误差放大器对基准值和电流值进行比较并放大误差。PWM电路根据放大后的误差信号产生控制开关管所需要的信号。PWM控制电路实时检测励磁电流值,并根据励磁电流的大小输出频率固定、占空比自可调的PWM波形,以在励磁线圈中产生波动较小、稳定的电流值。

4性能测试和检定实验
  为了考核基于PWM控制的脉冲励磁系统的性能,将其与国内某公司生产的口径为40mm的电磁流量计一次仪表相配合,测试其能够实现的最高励磁频率、励磁电流在稳态段的波动情况和流量信号的稳定性,对比不同励磁系统的功耗,进行水流量检定实验。
4.1励磁频率测试
  在80V励磁电压下,做160Hz励磁频率的实验测试。当励磁电流为240mA时,约经0.8ms就进入了稳态。而采用基于高低压电源切换的励磁方式,当高压为80V、维持电流稳定的低压为17V、励磁电流为180mA时,由于电源的切换导致励磁系统需要从一个工作状态转移到另一个工作状态,这个转移过程所需要的时间要大于励磁电流的上升时间,因此,励磁电流无法进入稳态。
4.2励磁电流和PWM控制电路输出电压测试
  分别用示波器的普通探头和电流探头测试PWM控制电路输出的信号和流过励磁线圈的电流值。测试结果表明:在励磁电流上升时,PWM控制电路输出占空比为1的信号;在励磁电流进入稳态时,发出频率固定的脉冲控制信号。在励磁电流稳态段,开关管的频率约为20kHz。励磁电流经过截止频率为2kHz的四阶巴特沃斯滤波后,在稳态段的最大波动值仅约为3.7mA,比较稳定。
4.3基于PWM控制的脉冲励磁系统功耗测试
  由于励磁电源输入的功率主要由基于PWM控制的脉冲励磁系统和励磁线圈承担,所以,只要测出励磁电源的输入功率和励磁线圈的功率,就可以得到基于PWM控制的脉冲励磁系统的功率。根据励磁电源的输入电压和输入电流可以计算出输入功率,根据励磁电流和励磁线圈的等效直流电阻可以计算出励磁线圈的功率。基于高低压电源切换励磁系统的功率计算方法相同。
励磁频率设为12.5Hz、所配DN40一次仪表的励磁线圈直流电阻为56Ω时,比较基于高低压电源切换的励磁系统与基于PWM控制的脉冲励磁系统的功耗。基于高低压电源切换励磁系统所用的励磁电源的高压为80V,相应的输入电流为12mA;低压为24V,相应的输入电流为176.8mA。根据一个励磁周期内高压和低压各自工作的时间,计算出励磁电源输入功率约为5.20W。流过励磁线圈的励磁电流为178mA,根据励磁线圈的直流电阻,计算出励磁线圈消耗的功率约为1.77W。因此,得出励磁系统承担的功率约为3.43W。基于PWM控制的脉冲励磁系统的励磁电压为76V,输入电流为66.7mA,励磁电流为240mA,所以,励磁电源输入功率约为5.07W,励磁线圈消耗的功率约为3.23W,消耗在该励磁系统上的功率约为1.84W。
  可见,基于PWM控制的脉冲励磁系统的励磁电流比基于高低压电源切换励磁系统的大了34.83%,而前者承担的功率仅为后者的53.64%。这说明基于PWM控制的脉冲励磁系统消耗的功率主要集中在一次仪表的励磁线圈,所以,可有效地解决励磁系统的发热问题。
4.4水流量检定实验
  基于PWM控制的脉冲励磁系统可以实现更高的励磁频率,有效地抑制浆液噪声,但是,能否保证水流量测量的精度和稳定性,需要实验验证。为此,利用准确度等级为0.2的水流量检定装置,采用容积法,对研制的基于PWM控制的脉冲励磁系统进行水流量检定实验。水流量检定的最小流速为0.49m/s,最大流速为7.13m/s,共检定了12个流量点,每点重复检定3次。实验结果表明:最大测量误差小于0.34%,重复性误差小于0.04%,准确度优于0.5级。
5结论
(1)设计了基于PWM控制的脉冲励磁系统方案,分析了工作原理,计算了励磁频率、励磁电流稳态阶段的调制频率、励磁功耗和阻抗。
(2)研制基于PWM控制的脉冲励磁系统,实现了更高的励磁频率。当励磁供电电源升高至80V时,励磁电流进入稳态的时间仅为0.8ms,可以实现160Hz的励磁频率。励磁系统能产生比较稳定的励磁电流值,在励磁电流稳定时,励磁电流的波动小于5mA。
(3)基于PWM控制的脉冲励磁系统的励磁电流更大,而消耗的功率仅为基于高低压电源切换的53.64%,有效地解决了励磁系统的发热问题。
(4)水流量检定结果表明,基于PWM控制的脉冲励磁系统的电磁流量计的测量准确度优于0.5级,这说明研制的励磁系统能为电磁流量计的高精度测量提供保证。

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