1 傳統(tǒng)的勵磁恒流系統(tǒng)

1．1 勵磁恒流系統(tǒng)的工作原理

        在勵磁控制中，應(yīng)用勵磁恒流系統(tǒng)實現(xiàn)勵磁電流的穩(wěn)定，以產(chǎn)生穩(wěn)定的工作磁場，原理圖如圖 1 所示。勵磁恒流系統(tǒng)由直流電源、勵磁線圈、恒流調(diào)節(jié)器、基準(zhǔn)電壓源 Vref 和檢流電路組成。直流電源作為系統(tǒng)的工作電源，恒流調(diào)節(jié)器通過調(diào)整 c 、 e 兩端的電壓實現(xiàn)勵磁線圈中勵磁電流的恒定， 檢流電路為恒流調(diào)節(jié)器提供勵磁電流反饋值，基準(zhǔn)電壓源 Vref 決定了恒流控制中勵磁電流穩(wěn)態(tài)值的設(shè)定。

 

1．2 目前存在的問題

        由文獻 [3] 可知，勵磁線圈中的電流和勵磁線圈 c 、 e 兩端的所加電壓之間的關(guān)系為：

        式中： i 為勵磁線圈中流過的電流， E 為勵磁線圈兩端的電壓， R 為勵磁線圈的直流電阻， L 為勵磁線圈的電感。 對式（ 1 ）兩端進行求導(dǎo)，可以得到：

        可見， 勵磁電流變化速率與勵磁線圈兩端所加的電壓成正比，勵磁線圈兩端的電壓越高，勵磁電流上升速度越快，從而可以提高勵磁頻率。

 

        然而，恒流控制一般是通過改變恒流調(diào)節(jié)器自身壓降實現(xiàn)回路電流恒定，在勵磁電流穩(wěn)定時，較高的勵磁電壓會使恒流調(diào)節(jié)器的壓降增大，會造成恒流調(diào)節(jié)器功耗變大、發(fā)熱嚴重的問題。此外， 勵磁系統(tǒng)中的勵磁工作電壓的取值一般為勵磁電流穩(wěn)定時勵磁線圈兩端的電壓與恒流系統(tǒng)中其它電路單元上的電壓之和，而不同的勵磁線圈直流電阻是不相等的。針對一個固定物理參數(shù)的勵磁線圈，總存在一個最合理的勵磁電壓既能使恒流調(diào)節(jié)器正常工作，又不會使恒流調(diào)節(jié)器承當(dāng)過大的壓降從而導(dǎo)致嚴重的發(fā)熱問題。但是，當(dāng)激勵其它勵磁線圈時，恒流調(diào)節(jié)器就會偏離這個最佳值，特別是勵磁線圈直流電阻值相差較大時，可能使恒流調(diào)節(jié)器不能正常工作，或者使恒流調(diào)節(jié)器發(fā)熱嚴重。

 

2 高性能勵磁恒流系統(tǒng)設(shè)計

2．1 方案設(shè)計

        傳統(tǒng)的勵磁恒流系統(tǒng)應(yīng)用于高頻勵磁時，恒流調(diào)節(jié)器發(fā)熱嚴重，且無法解決不同勵磁線圈的直流電阻不同造成的恒流調(diào)節(jié)器難以設(shè)計的問題。 為了解決此問題，設(shè)計了如圖 2 所示的高性能勵磁恒流系統(tǒng)，主要由高、低壓電源、電源切換電路、勵磁線圈、恒流調(diào)節(jié)器、平衡電阻、 檢流電路、 MCU 控制單元和比較控制電路組成。

        采用高低壓電源切換作為勵磁恒流系統(tǒng)工作電源的方法，既加快了勵磁電流的恒流控制速度， 又減小了勵磁電流穩(wěn)定時恒流調(diào)節(jié)器兩端的壓降，降低了恒流調(diào)節(jié)器的功耗。 引入平衡電阻，并聯(lián)在恒流調(diào)節(jié)器的兩端，流經(jīng)平衡電阻的電流與流過恒流調(diào)節(jié)器的電流之和為恒流預(yù)設(shè)值， 恒流調(diào)節(jié)器通過調(diào)節(jié)部分電流就能實現(xiàn)恒流控制。 勵磁線圈阻值變大時，恒流調(diào)節(jié)器兩端電壓減小，流經(jīng)恒流調(diào)節(jié)器的電流增大；勵磁線圈阻值變小時，恒流調(diào)節(jié)器兩端電壓增大，流經(jīng)恒流調(diào)節(jié)器的電流減小。 引入平衡電阻， 實現(xiàn)了勵磁線圈直流電阻變化時恒流調(diào)節(jié)器功率自動均衡變化，有效控制了恒流調(diào)節(jié)器的熱耗，使恒流調(diào)節(jié)器能夠匹配不同的勵磁線圈。

 

        高、 低壓電源切換方法的選擇對提高勵磁恒流系統(tǒng)的響應(yīng)速度具有重要影響。 由于勵磁線圈物理參數(shù)并不是恒定的，MCU 控制單元設(shè)置延時的方法無法正確選擇高、低壓切換的時刻點。 根據(jù)恒流電流值來控制高、低壓電源切換的方法，要求在恒流電流未達到穩(wěn)態(tài)值之前切換低壓電源作為工作電源， 恒流電流上升速度慢，恒流控制系統(tǒng)響應(yīng)速度慢。 因此，本文結(jié)合這兩種方法， 通過 MCU 控制單元和比較控制電路組合控制電源切換電路實現(xiàn)高、低壓電源切換。 在恒流控制開始時， MCU 控制單元和比較控制電路切換高壓電源作為工作電源， 同時 MCU控制單元開始計時，恒流電流在高壓電源的激勵下快速上升，恒流電流上升到預(yù)設(shè)值后， 由比較控制電路控制電源切換電路關(guān)閉高壓電源， 低壓電源作為恒流系統(tǒng)的工作電源， MCU 控制單元計時時間 （計時時間要保證恒流電流在高壓電源的激勵下達到預(yù)設(shè)值）結(jié)束后， MCU 控制單元關(guān)閉。

 

2．2 系統(tǒng)硬件研制

        改進的高性能勵磁恒流系統(tǒng)電路組成如圖 3 所示。 高壓電源與低壓電源由多路輸出開關(guān)電源提供，高壓電源的選擇要求恒流電流在高壓電源的激勵下能在較短的時間內(nèi)達到預(yù)設(shè)值，同時要考慮恒流系統(tǒng)元器件的耐壓值；低壓電源的電壓則要保證恒流穩(wěn)態(tài)時，恒流調(diào)節(jié)器兩端電壓相對較小為準(zhǔn)，以降低電路功耗。

        電源切換電路主要由電阻 R1 、光耦 U1 、開關(guān)三極管 T1 和肖特基二極管 D1 、 D2 組成， 其控制信號由 MCU 控制單元和比較控制電路組合產(chǎn)生。 當(dāng)控制信號為低電平時，開關(guān)三極管打開，高壓電源作為勵磁工作電源，控制信號為高電平時，開關(guān)三極管關(guān)閉，高壓電源被切除，切換低壓電源作為勵磁工作電源。 肖特基二極管 D1 、 D2 用于勵磁線圈恒流結(jié)束時向高壓電源放電。比較控制電路由電阻 R4 和 R5 、光耦 U3 、比較器 U4 和基準(zhǔn)電壓源 Vref2 組成。 其中，檢流電路由精密電阻 R3 組成，將恒流電流值轉(zhuǎn)換為電壓值，當(dāng)恒流電流處于上升階段，其反饋信號Vfb 小于基準(zhǔn)電壓源 Vref2 ，比較控制電路輸出高壓電源作為恒流控制工作電源的控制信號；當(dāng)勵磁電流達到預(yù)設(shè)值后，反饋信號 Vfb 大于基準(zhǔn)電壓源 Vref2 ，比較控制電路輸出切換低壓電源作為恒流控制工作電源的控制信號。

 

        恒流調(diào)節(jié)器由分立元器件 NPN 三極管 T2 、電阻 R2 、電容C1 、運算放大器 U2 和基準(zhǔn)電壓源 Vref1 搭建而成。 其中，基準(zhǔn)電壓源 Vref1 與檢流電路 R3 的比值為恒流電流的預(yù)設(shè)值。 在勵磁恒流系統(tǒng)恒流控制的開始階段，恒流電流反饋信號 Vfb 為 0 且持續(xù)增大，在未達到恒流預(yù)設(shè)值時，運算放大器 U2 輸出高電平，三極管 T2 飽和導(dǎo)通， 此時恒流控制工作電源電壓全部落在勵磁線圈上，以使恒流電流快速上升。 當(dāng)恒流電流上升至超過恒流預(yù)設(shè)值時，運算放大器 U2 輸出低電平使三極管 T2 截止，進而減小恒流電流；當(dāng)恒流電流下降至小于恒流預(yù)設(shè)值時，運算放大器 U2 輸出控制三極管 T2 重新使恒流電流上升。 平衡電阻 R6 并聯(lián)在恒流調(diào)節(jié)器兩端，即連接在 NPN 三極管 T2 的集電極與發(fā)射極。

 

3 實驗與測試

        為考察設(shè)計的高性能勵磁恒流系統(tǒng)性能指標(biāo)， 將其應(yīng)用于研制的漿液型電磁流量計高頻勵磁系統(tǒng)中， 針對接觸式電磁流量計一次儀表進行勵磁控制實驗，設(shè)置勵磁頻率為 75Hz ，勵磁電流設(shè)定為 200mA 左右。設(shè)定系統(tǒng)正常工作時流過恒流調(diào)節(jié)器的電流不得小于恒流預(yù)設(shè)值的 20％ ，則平衡電阻的阻值需滿足式（ 3 ）的關(guān)系：

        式中： R b 為平衡電阻的阻值， U 為低壓電源的電壓， V 為恒流系統(tǒng)中除恒流調(diào)節(jié)器以外其它電路的壓降， R m 為不同勵磁線圈中電阻最小的電阻值， I 為勵磁線圈中流過的電流。 假設(shè)不同勵磁線圈的直流電阻分布為 50Ω～100Ω ， 系統(tǒng)中除恒流調(diào)節(jié)器兩端外其它電路工作電壓為 2V ，恒流調(diào)節(jié)器正常工作兩端最小壓降為 2V ，由于低壓電源的電壓設(shè)定需要不小于勵磁線圈兩端的電壓與恒流調(diào)節(jié)器的壓降、系統(tǒng)其它電路工作電壓之和，所以設(shè)定低壓電源電壓值為 25V （ U≥200mA×100Ω＋2V＋2V ）。 根據(jù)式 (3) ，分流電阻阻值可選為 100Ω 。由 P＝UI 可知，恒流調(diào)節(jié)器在勵磁電流穩(wěn)定時的功率最大為 1W ，最小為 0．51W。

        針對 40mm 口徑電磁流量計一次儀表傳感器 （電感值為335mH ，電阻值為 94．4Ω ）實驗結(jié)果如圖 4 所示，恒流電流上升時間約為 374μs （ 0～90％ ），調(diào)節(jié)時間約為 172μs 。

 

        通過實驗可以發(fā)現(xiàn)， 系統(tǒng)恒流電流上升速度快， 調(diào)整時間短，在勵磁線圈電阻值變化較大時恒流調(diào)節(jié)器的功耗變化不大。

 

4 結(jié)束語

        經(jīng)上述分析和實驗結(jié)果可知， 所研制的高性能勵磁恒流系統(tǒng)恒流速度快，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，為勵磁系統(tǒng)進行高頻勵磁奠定了基礎(chǔ)。