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電磁流量計(jì)方波勵(lì)磁控制原理
1.方波勵(lì)磁控制方案
電磁流量計(jì)方波勵(lì)磁控制系統(tǒng)一般包括恒流源電路、勵(lì)磁線圈驅(qū)動(dòng)電路、勵(lì)磁時(shí)序產(chǎn)生電路及檢流電路這幾個(gè)部分，其框圖如圖2.1所示。

系統(tǒng)由恒流源電路向勵(lì)磁線圈驅(qū)動(dòng)電路供電，勵(lì)磁線圈驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)勵(lì)磁時(shí)序產(chǎn)生電路發(fā)出的勵(lì)磁時(shí)序控制信號(hào)CT1和CT2 通過(guò)開(kāi)關(guān)控制流過(guò)勵(lì)磁線圈的勵(lì)磁電流的方向，但不改變穩(wěn)態(tài)幅值，進(jìn) 而實(shí)現(xiàn)對(duì)勵(lì)磁線圈的方波勵(lì)磁。方波勵(lì)磁中，勵(lì)磁線圈驅(qū)動(dòng)電路一般采用互橋及其開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路。由于系統(tǒng)工況往往隨環(huán)境等各種因素而發(fā)生隨機(jī)性的變化，從而使系統(tǒng)中實(shí)際流過(guò)勵(lì)磁線圈的電流也往往存在波動(dòng)，而非所設(shè)定的恒流源的恒流輸出，故而，勵(lì)磁控制系統(tǒng)中通常加入檢流電路，用于將流過(guò)勵(lì)磁線圈的電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出，以提供給電磁流量計(jì)信號(hào)處理系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)算結(jié)果的電流修正。勵(lì)磁時(shí)序產(chǎn)生電路一般由電磁流量計(jì)控制核心控制工作，從而產(chǎn)生具有一定頻率的勵(lì)磁時(shí)序高頻勵(lì)磁控制系統(tǒng)中，要保證信號(hào)零點(diǎn)的穩(wěn)定性，勵(lì)磁恒流控制的快速響應(yīng)是前擔(dān)。另外，勵(lì)磁時(shí)序頻率的準(zhǔn)確性及電流檢測(cè)的準(zhǔn)確性均直接影響信號(hào)處理結(jié)果的精度。故而，高頻勵(lì)磁控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，勵(lì)磁恒流控制技術(shù)是關(guān)鍵，勵(lì)磁時(shí)序的**控制及勵(lì)磁電流的準(zhǔn)確檢測(cè)也至關(guān)重要。

2.勵(lì)磁恒流控制原理
方波勵(lì)磁控制系統(tǒng)中，恒流控制的輸入量是對(duì)應(yīng)于勵(lì)磁穩(wěn)態(tài)設(shè)定電流的電壓設(shè)定值，控制量為勵(lì)磁線圈兩端的電壓，控制對(duì)象為流過(guò)勵(lì)磁線圈的勵(lì)磁電流。勵(lì)磁線圈可等效為電阻 R與理想線圈工的串聯(lián) ,其兩端的電壓U與流過(guò)的勵(lì)磁電流工之間的傳遞函數(shù)如式所示。

為得到較好的恒流控制性能，根據(jù)控制理論，我們通過(guò) MATLAB中Simulink搭建恒流PI控制系統(tǒng)如圖所示。圖中，Square Input 輸出方波信號(hào)，excite coil為勵(lì)磁線圈模型，Onut1l為不經(jīng)恒流控制的勵(lì)磁電流輸出，Out2為經(jīng)PI控制的勵(lì)磁電流輸出，Out3為PI控制時(shí)勵(lì)磁線圈兩端電壓的控制量。其中，Square Input 輸出方波信號(hào)幅值為8SV，峰-峰值為16V，頻率為200Hz，以模擬200Hz方波勵(lì)磁;勵(lì)磁線圈模型按重慶川儀自動(dòng)化股份有限公司生產(chǎn)的電容式電磁流量計(jì) 25Smm口徑一次儀表設(shè)置，其電阻值為26.8Q ，電感值為24.546mH。經(jīng)參數(shù)調(diào)試 ,將比例系數(shù)K1 設(shè)為13.5、積分系數(shù)K2 設(shè)為5655時(shí)，能得到較好的勵(lì)磁電流控制效果。勵(lì)磁電流控制結(jié)果曲線如圖所示。其中，圖(a)為PI控制器的控制輸出曲線，圖(b)中虛線為未經(jīng)恒流控制的勵(lì)磁電流曲線，實(shí)線為經(jīng)過(guò) PI恒流控制的勵(lì)磁電流曲線。由圖(b)可見(jiàn) ，勵(lì)磁電流經(jīng)PI恒流控制后，其響應(yīng)時(shí)間大幅縮短至 0.Sms左右。

由圖中(a)圖可知，在電流方向切換時(shí)，為實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁電流的快速響應(yīng)，PI控制器需輸出很高電壓來(lái)激勵(lì)勵(lì)磁線圈。但由于實(shí)際 PI控制電路輸出受其工作電源軌限制(圖中用限幅單元模擬)，因而在電流距穩(wěn)態(tài)差值較大時(shí)，PI控制器處于高壓飽和輸出狀態(tài)。當(dāng)電流接近穩(wěn)態(tài)設(shè)定值時(shí)，PI控制器進(jìn)入線性控制區(qū)并隨著電流的上升而降低控制輸出電壓。電流進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，控制器輸出則為平穩(wěn)的低壓控制量。當(dāng)PI控制電路為軌至軌輸出時(shí)，其供電電源電壓即為控制輸出的飽和電壓。供電電源電壓越高 ,則電流響應(yīng)速度越快，反之則越慢。在實(shí)際勵(lì)磁過(guò)程中，一般要求勵(lì)磁電流在勵(lì)磁半周期內(nèi)平穩(wěn)態(tài)時(shí)間所占比重較大以保證信號(hào)有較好的零點(diǎn)穩(wěn)定性，則由圖中(a)圖可知，PI控制器絕大多數(shù)時(shí)間的輸出量均為平穩(wěn)低壓控制量。而實(shí)際中需由控制器提供的勵(lì)磁電流又較大〈百毫安級(jí))，這就意味中在用高壓源給PI控制器供電以保證電流快速響應(yīng)時(shí)，控制器的能耗將非常大，不利于穩(wěn)定工作。
當(dāng)前應(yīng)用中提出通過(guò)控制勵(lì)磁供電電源電壓的方式來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，即恒流控制電路的供電電壓亦隨著勵(lì)磁電流的變化而連續(xù)變化。但應(yīng)用中基本上都采用單一PWM 調(diào)制電源(如DC/DC 轉(zhuǎn)換器) 通過(guò)跟隨勵(lì)磁電流連續(xù)調(diào)節(jié) PWM 點(diǎn)空比的方式來(lái)連續(xù)調(diào)節(jié)勵(lì)磁供電電壓,而此類調(diào)壓方式存在很大的潔后特性，從而致使恒流控制滯后，以至出現(xiàn)很大超調(diào)，無(wú)法用于高頻勵(lì)磁。
為此，本根據(jù)上述分析分別提出基于線性電源的勵(lì)磁恒流控制方式和基于高低壓電源切換的雙環(huán)恒流控制方式，并研制相應(yīng)的電磁流量計(jì)勵(lì)磁控制系統(tǒng)。

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