自來水計(jì)量表勵(lì)磁控制方案設(shè)計(jì)

基于能量回饋和電流旁路的高低壓勵(lì)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橋開關(guān)電路、檢流電路和勵(lì)磁時(shí)序產(chǎn)生電路組成。
1 工作流程
在勵(lì)磁平穩(wěn)階段，勵(lì)磁線圈中的勵(lì)磁電流為穩(wěn)態(tài)設(shè)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(lì)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H橋向勵(lì)磁線圈提供恒定電流。

當(dāng)勵(lì)磁方向切換時(shí)，勵(lì)磁線圈*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(fù)，從而切換高壓源作為勵(lì)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(lì)磁線圈中的能量通過泄放回路，由能量回饋電路中的儲(chǔ)能電容儲(chǔ)存起來。此時(shí)電容兩端的電壓幅值超過輸入端的高壓源。待勵(lì)磁線圈能量泄放完成后，勵(lì)磁線圈中的電流減小為零并改變方向，能量回饋電路開始放電，將儲(chǔ)存的能量通過電流旁路電路和H橋直接回饋給勵(lì)磁線圈。待能量回饋電路兩端電壓下降到高壓源電平狀態(tài)時(shí)，由高壓源直接通過電流旁路電路和H橋?qū)?lì)磁線圈進(jìn)行勵(lì)磁控制。當(dāng)線圈中勵(lì)磁電流上升到設(shè)定的超調(diào)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(lì)磁工作電源并切斷電流旁路電路，然后由恒流控制電路開始對勵(lì)磁電流進(jìn)行恒流控制。
2 能量回饋
自來水計(jì)量表勵(lì)磁線圈為一感性儲(chǔ)能元件，在方波勵(lì)磁時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)需要不斷對其進(jìn)行充放電。當(dāng)勵(lì)磁電流穩(wěn)定時(shí)，勵(lì)磁線圈中儲(chǔ)存了一定的能量。當(dāng)勵(lì)磁方向切換時(shí)，勵(lì)磁線圈需要先將所儲(chǔ)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(lì)磁線圈提供能量泄放回路。雖然，可以采用穩(wěn)壓限幅二*管搭建限幅電路構(gòu)成能量泄放回路，即線圈中的電流流過限幅二*管，將能量消耗在二*管上。按照功的計(jì)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(lì)磁線圈的能量泄放速度，能量泄放電路需要處在一個(gè)較高的電壓水平，以提高勵(lì)磁線圈的能量泄放功率。但是，限幅二*管的限幅電壓很低，即使線圈中的電壓能夠突變，仍被限制在限幅二*管的反向?qū)妷悍邓?。并且，由于?lì)磁線圈電流不能突變，所以能量泄放功率較小、能量泄放速度較慢，使得勵(lì)磁方向切換后的勵(lì)磁電流響應(yīng)速度較慢，不利于實(shí)現(xiàn)高頻勵(lì)磁，且系統(tǒng)發(fā)熱較為嚴(yán)重。因此，設(shè)計(jì)能量回饋電路來儲(chǔ)存勵(lì)磁線圈所泄放的能量，并在線圈中勵(lì)磁電流方向改變時(shí)將能量重新回饋給勵(lì)磁線圈，從而避免勵(lì)磁線圈泄放的能量被消耗在電路中。
采用儲(chǔ)能電容結(jié)合相應(yīng)的保護(hù)電路來搭建能量回饋電路。若將能量回饋電路設(shè)置在H橋輸入端，對于恒流源而言，相當(dāng)于加入了一個(gè)容性負(fù)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?yàn)椋趧?lì)磁方向切換至高壓供電前，H橋輸入端是處于勵(lì)磁平穩(wěn)階段的低壓狀態(tài)，這不利于線圈能量快速泄放。為此，將能量回饋電路設(shè)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(chǔ)能電容會(huì)被預(yù)充電到與高壓電源相同的電壓，且在勵(lì)磁線圈的能量泄放過程中會(huì)逐漸升壓，從而能夠加快能量泄放速度。
在勵(lì)磁線圈中的能量泄放完成后，由于勵(lì)磁線圈中電流方向開始反向且幅值很小，高低壓切換電路仍選擇高壓源作為勵(lì)磁工作電源，以加快電流響應(yīng)速度。所以，能量回饋電路中的儲(chǔ)能電容將儲(chǔ)存的能量重新回饋給勵(lì)磁線圈。這樣，勵(lì)磁線圈中的能量在一次方向切換過程中，既與儲(chǔ)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(diào)節(jié)來進(jìn)行恒流控制，或者通過在H橋低端設(shè)置晶體管進(jìn)行恒流控制。采用PWM反饋控制原理構(gòu)建的恒流源，響應(yīng)速度較慢，不適用于高頻勵(lì)磁，并且電流波動(dòng)較大。在H橋低端設(shè)置晶體管則會(huì)導(dǎo)致H橋的低端電壓波動(dòng)較大，不利于H橋的開關(guān)控制。因此，采用三段線性穩(wěn)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(lì)磁電流尚未達(dá)到設(shè)定值時(shí)，線性穩(wěn)壓電源為飽和輸出，輸出電壓跟隨輸入電壓的變化；而當(dāng)勵(lì)磁電流接近設(shè)定值時(shí)，線性穩(wěn)壓電源輸出則為線性調(diào)節(jié)輸出，以進(jìn)行恒流控制。這樣能夠獲得較快的勵(lì)磁電流響應(yīng)速度，電流波動(dòng)較小。
4 電流旁路
在自來水計(jì)量表勵(lì)磁恒流控制中，通過產(chǎn)生電流超調(diào)可以加速恒流控制。但由于本方案中采用高低壓勵(lì)磁的控制方式，高壓與低壓之間的切換條件為：勵(lì)磁電流到達(dá)設(shè)定的閾值。為了獲得超調(diào)，要求該設(shè)定的閾值大于勵(lì)磁電流的穩(wěn)態(tài)設(shè)定值。又由于三端線性穩(wěn)壓電源芯片搭建的恒流源電路，其輸出端的設(shè)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(dǎo)致在勵(lì)磁電流達(dá)到設(shè)定值后，由于沒有滿足切換條件，系統(tǒng)仍以高壓電源供電，這將導(dǎo)致三端穩(wěn)壓電源芯片輸入輸出之間的電壓超過*大允許值。
由于低壓源供電時(shí)恒流控制電路針對感性負(fù)載的控制響應(yīng)速度較慢，從而會(huì)使勵(lì)磁電流到達(dá)穩(wěn)態(tài)的時(shí)間較長。另外，勵(lì)磁工作電源突然從高壓源切換到低壓源也會(huì)使三端穩(wěn)壓電源芯片的輸出產(chǎn)生一個(gè)暫態(tài)響應(yīng)過程，同樣不利于勵(lì)磁電流快速進(jìn)入穩(wěn)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(xiàn)勵(lì)磁電流響應(yīng)超調(diào)，加快響應(yīng)速度。
在圖1中當(dāng)電流旁路電路接通時(shí)，恒流控制電路將被屏蔽，實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁工作電源與H橋直通的目的；該電路斷開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(lì)磁電流能否實(shí)現(xiàn)響應(yīng)超調(diào)，依賴于遲滯比較電路參數(shù)的配置。比較電路遲滯環(huán)的閾值下限設(shè)為低于勵(lì)磁電流的穩(wěn)態(tài)設(shè)定值，在勵(lì)磁電流在下降到一定值時(shí)，才選通高壓源作為勵(lì)磁工作電源。閾值上限則根據(jù)電流超調(diào)量的要求，取略高于勵(lì)磁電流的穩(wěn)態(tài)設(shè)定值，在勵(lì)磁電流上升到設(shè)定超調(diào)量后，切換低壓源作為勵(lì)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(xiàn)勵(lì)磁電流的響應(yīng)超調(diào)控制，從而加速勵(lì)磁電流的恒流控制速度。
另外，勵(lì)磁系統(tǒng)中檢流電路設(shè)置在H橋外勵(lì)磁線圈的充放電回路上。勵(lì)磁線圈充電時(shí)，檢流電路所檢測到的電流值為正值；勵(lì)磁線圈放電時(shí)，檢流電路所檢測到的電流值為負(fù)值。