dn65污水流量計勵磁系統硬件研制
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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(lái)自于A(yíng)C-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轉換器對AC-DC模塊的24V輸出電源進(jìn)行轉換得到的可調電壓源。電壓大小則以保證勵磁穩態(tài)時(shí)，恒流控制電路中的三端穩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*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(shí)，勵磁線(xiàn)圈中泄放的能量。齊納二*管D1用于防止勵磁線(xiàn)圈中能量泄放時(shí)，由于電容C1的充電電壓過(guò)高，而導致的電容擊穿。電阻R1用于在系統斷電不工作時(shí)，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*管和達林頓三*管組成高低壓平滑切換電路。當達林頓三*管導通時(shí)，將高壓源切換為勵磁工作電源，肖特基二*管反向關(guān)斷，低壓源被切除。而當達林頓三*管關(guān)斷時(shí)，肖特基二*管重新正向導通，將低壓源切換為勵磁工作電源。恒流控制電路由三端穩壓芯片、電阻R2與肖特基二*管D3構成。電阻R2用于設置恒流源輸出電流的大小，即勵磁電流的穩態(tài)值；由于勵磁電流達到200mA左右，為防止長(cháng)期勵磁導致電路溫升并影響電路參數，電阻R2選用大功率低溫漂系數的精密電阻；肖特基二*管D3一方面用于防止反向電流損壞三端穩壓器；另一方面用于組成勵磁線(xiàn)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*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態(tài)設定值大小，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(kāi)關(guān)電路與檢流電路
H橋開(kāi)關(guān)電路主要由H橋路及其驅動(dòng)電路組成，用于實(shí)現對勵磁線(xiàn)圈進(jìn)行方波勵磁。原理示意圖如圖3所示。
圖中，L1為勵磁線(xiàn)圈的示意符號。H橋路中，高端橋臂采用PNP型的達林頓三*管，以通過(guò)電流控制其通斷，從而克服因線(xiàn)圈的電感特性導致H橋高端電壓大幅波動(dòng)而較難控制的問(wèn)題。H橋驅動(dòng)電路主要由達林頓陣列管和三*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(dòng)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(shí)現對勵磁線(xiàn)圈的方波勵磁。勵磁系統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(cháng)期勵磁工作時(shí)電路溫升引起電路參數的較大漂移。另外，檢流電阻取低阻值電阻以降低H橋低端電壓波動(dòng)，從而保證H橋低端橋臂可靠通斷。
3 、勵磁時(shí)序產(chǎn)生電路
勵磁時(shí)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(shí)序，其電路原理結構圖如圖4所示。
該電路主要由勵磁時(shí)序發(fā)生單元、三態(tài)緩沖器及隔離光耦組成。勵磁時(shí)序由dn65污水流量計系統的控制核心產(chǎn)生。采用DSP的EPWM外設模塊，通過(guò)設定其內部定時(shí)器的工作模式發(fā)出所要求的勵磁頻率的勵磁時(shí)序PWM信號CT_1和CT_2。由于勵磁控制系統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(jìn)行隔離。另外，由于DSP引腳的驅動(dòng)能力有限，所以在DSP與隔離光耦之間加入三態(tài)緩沖器以驅動(dòng)隔離光耦的輸入級。并且，DSP能夠通過(guò)GPIO口控制三態(tài)緩沖器上的使能引腳來(lái)使能和禁止勵磁，以在檢測到電路故障時(shí)迅速關(guān)斷H橋所有橋臂。該勵磁時(shí)序產(chǎn)生電路通過(guò)軟件編程可產(chǎn)生如圖5所示的單頻矩形波。在實(shí)際應用中，由于組成H橋的達林頓三*管與MOS管導通與關(guān)斷的時(shí)間不一致，易在勵磁方向切換瞬間，產(chǎn)生上下橋臂同時(shí)導通的現象，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(dòng)作，而且對恒流控制電路產(chǎn)生沖擊，減小三端穩壓芯片的使用壽命，同時(shí)還會(huì )產(chǎn)生EMC電磁干擾，給測量精度帶來(lái)影響。所以實(shí)際應用時(shí)，如圖5所示對方波勵磁時(shí)序添加死區，可以明顯減小上述現象。
高、低壓切換恒流控制電路是勵磁控制系統中的關(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(lái)自于A(yíng)C-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轉換器對AC-DC模塊的24V輸出電源進(jìn)行轉換得到的可調電壓源。電壓大小則以保證勵磁穩態(tài)時(shí)，恒流控制電路中的三端穩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*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(shí)，勵磁線(xiàn)圈中泄放的能量。齊納二*管D1用于防止勵磁線(xiàn)圈中能量泄放時(shí)，由于電容C1的充電電壓過(guò)高，而導致的電容擊穿。電阻R1用于在系統斷電不工作時(shí)，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*管和達林頓三*管組成高低壓平滑切換電路。當達林頓三*管導通時(shí)，將高壓源切換為勵磁工作電源，肖特基二*管反向關(guān)斷，低壓源被切除。而當達林頓三*管關(guān)斷時(shí)，肖特基二*管重新正向導通，將低壓源切換為勵磁工作電源。恒流控制電路由三端穩壓芯片、電阻R2與肖特基二*管D3構成。電阻R2用于設置恒流源輸出電流的大小，即勵磁電流的穩態(tài)值；由于勵磁電流達到200mA左右，為防止長(cháng)期勵磁導致電路溫升并影響電路參數，電阻R2選用大功率低溫漂系數的精密電阻；肖特基二*管D3一方面用于防止反向電流損壞三端穩壓器；另一方面用于組成勵磁線(xiàn)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*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態(tài)設定值大小，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(kāi)關(guān)電路與檢流電路
H橋開(kāi)關(guān)電路主要由H橋路及其驅動(dòng)電路組成，用于實(shí)現對勵磁線(xiàn)圈進(jìn)行方波勵磁。原理示意圖如圖3所示。
圖中，L1為勵磁線(xiàn)圈的示意符號。H橋路中，高端橋臂采用PNP型的達林頓三*管，以通過(guò)電流控制其通斷，從而克服因線(xiàn)圈的電感特性導致H橋高端電壓大幅波動(dòng)而較難控制的問(wèn)題。H橋驅動(dòng)電路主要由達林頓陣列管和三*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(dòng)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(shí)現對勵磁線(xiàn)圈的方波勵磁。勵磁系統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(cháng)期勵磁工作時(shí)電路溫升引起電路參數的較大漂移。另外，檢流電阻取低阻值電阻以降低H橋低端電壓波動(dòng)，從而保證H橋低端橋臂可靠通斷。
3 、勵磁時(shí)序產(chǎn)生電路
勵磁時(shí)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(shí)序，其電路原理結構圖如圖4所示。
該電路主要由勵磁時(shí)序發(fā)生單元、三態(tài)緩沖器及隔離光耦組成。勵磁時(shí)序由dn65污水流量計系統的控制核心產(chǎn)生。采用DSP的EPWM外設模塊，通過(guò)設定其內部定時(shí)器的工作模式發(fā)出所要求的勵磁頻率的勵磁時(shí)序PWM信號CT_1和CT_2。由于勵磁控制系統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(jìn)行隔離。另外，由于DSP引腳的驅動(dòng)能力有限，所以在DSP與隔離光耦之間加入三態(tài)緩沖器以驅動(dòng)隔離光耦的輸入級。并且，DSP能夠通過(guò)GPIO口控制三態(tài)緩沖器上的使能引腳來(lái)使能和禁止勵磁，以在檢測到電路故障時(shí)迅速關(guān)斷H橋所有橋臂。該勵磁時(shí)序產(chǎn)生電路通過(guò)軟件編程可產(chǎn)生如圖5所示的單頻矩形波。在實(shí)際應用中，由于組成H橋的達林頓三*管與MOS管導通與關(guān)斷的時(shí)間不一致，易在勵磁方向切換瞬間，產(chǎn)生上下橋臂同時(shí)導通的現象，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(dòng)作，而且對恒流控制電路產(chǎn)生沖擊，減小三端穩壓芯片的使用壽命，同時(shí)還會(huì )產(chǎn)生EMC電磁干擾，給測量精度帶來(lái)影響。所以實(shí)際應用時(shí)，如圖5所示對方波勵磁時(shí)序添加死區，可以明顯減小上述現象。
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