专利名称：一种基于线性电源的单/双频电磁流量计励磁控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及流量检测领域，为一种基于线性电源、采用DSP控制硬件电路的能够实 现单频高频方波和双频方波励磁的电磁流量计励磁控制系统。
背景技术：
电磁流量计通过励磁线圈将磁场施加给被测流体，被测流体在磁场中运动感应出感 应电动势，检测并处理该电动势信号即可获得流体流速，从而实现流量测量。当前，励 磁方式主要是低频方波励磁，即由恒流源给励磁线圈供电，不断地切换励磁线圈中电流 的方向，使得励磁电流在正负恒定值之间周期地变化。在励磁电流恒定期间，电磁流量 传感器输出信号能够获得稳定的零点。然而，为了实现对浆液流体的测量以及提高流量 计的动态响应性能，必须提高电磁流量计的励磁频率，这样周期变短，励磁电流就不容 易进入稳态，从而传感器输出信号就不易获得稳定的零点。
现有技术中已有很多涉及励磁控制的研究及相关专利，主要研究与发明内容在于如 何进行励磁线圈的恒流控制。主要有三个途径 一、通过反馈电流控制PWM占空比， 从而控制激励电源的电压大小，来稳定励磁电流，例如美国专利US5639970(Robert K.Schulz， Plymouth, Minn.Current Selsection Circuitry for Magnetic Flowmeter)， US6477070B2(Joel Schweitzer, Issenheim.Current-Regulator Circuit of an Electromagnetic Flowmeter)，US4563904(Gottfiied Geisler, Jorg-Ulrich Breithaupt. Excitation Circuit For Elec加magnetic Flowmeter); 二、通过反馈电流控制励磁桥路开关的通断，进而利用励 磁线圈中电流不能突变的特性来进行恒流控制，例如美国专利US4663976(Kazuie Suzuki, Takashi Torimaru， Hironobu Ohta.Electromagnetic Flowmeter)， 中国专禾ij公开号为 CN1734240A(石川郁光.电磁流量计)；三、通过反馈电流与基准电流值比较，进而由运 放等来控制晶体管，实现恒流控制，例如中国专利公开号为CN87101677A(小林保，黑 森健一，俊藤茂，松永义则，鸟丸尚，宿谷宪弘，田半上忠.电磁流量计)，公开号为 CN2916586Y (马博，李兴化.电磁流量计调压式数字恒流源)。然而，途径一在于控制 激励源电压大小，但是，由于PWM占空比控制激励电压需经过LC滤波，其动态响应 速度较慢，会导致电流控制的滞后，从而在高频励磁时电流不易进入稳态值，造成零点 不稳；途径二会使H桥开关器件开关频繁，电流在一定程度上出现纹波，同样会造成零点波动;途径三的恒流控制均在励磁线圈驱动电路H桥低端，会使其低端电压波动较大， 影响H桥臂导通控制；同时，所述专利CN87101677A图8中在励磁电流达到稳态时， 落在晶体管Q2上的压降将很大，从而使其功率耗散比较大；而专利CN2916586Y图4 中虽然在电流进入稳态时通过反馈控制降低激励电压进而降低晶体管T的功耗，然而， 其反馈调压仍然是采用PWM调压措施，会引入所述途径一所存在的问题。
因此，在励磁线圈电感值较大、励磁电流较大时，很难提高励磁频率，使励磁电流 在方向切换之后能够进入稳态值、进而保证零点稳定性。现有文献没有披露解决此问题 的方案，而是通过诸如双频励磁等方式由信号处理获得相对较好的零点稳定性。另外， 为给信号处理单元提供更准确的电流修正依据，需要准确检测励磁电流大小，而途径三 所述专利中由于晶体管的基极电流或其它偏置电流的作用会使其射极检测所得电流与 励磁线圈中电流存在一定误差。H桥桥臂开关管类型的选择同样会影响电流检测的精度 及开关控制的难易，而现有技术中均未披露开关管的选型及其控制的细节。同时，现有 技术中均未披露单频励磁或双频励磁时MCU如何进行励磁时序的控制，而励磁时序的 控制精度直接关系着励磁频率的精度，这对电磁流量计信号处理是必要的。
发明内容
本发明要解决现有技术中存在的一些电磁流量计励磁控制问题，提供一种能够进行 高频单频方波励磁或双频方波励磁、且保证零点稳定性、励磁频率精确、励磁电流检测 准确的电磁流量计励磁控制系统。
本发明所采用的技术方案是使用高电压源供电，采用线性电源构造恒流源，对励 磁控制H桥进行供电，以提高励磁恒流控制的动态响应速度，从而为具有稳定零点的高 频单频方波励磁或双频方波励磁提供条件；采用电流旁路电路来解决线性电源上的功率 耗散问题；线性电源恒流控制电路均位于H桥高端(电源端)，H桥低端仅通过低阻值 检流电阻接参考地，从而保证H桥低端的稳定性；在H桥高端桥臂采用流控器件PNP 管作为开关管，通过电流控制其导通从而避免因高端电压不稳而较难稳定控制的问题， 低端采用压控器件MOS管作为开关管，通过电压控制其导通；由于检流电阻位于H桥 低端与地之间，而MOS管的栅极电流非常小，另外，励磁过程中实行H桥对角开关器 件联动控制，从而可保证在励磁的各个阶段中用检流电阻检测励磁电流的准确性；H桥 的开关控制电路由达林顿阵列管结合三极管及电阻实现；达林顿阵列管接收励磁时序产 生电路发出的励磁时序信号；励磁时序产生电路由数字信号处理器(DSP)配合多路开 关及电平匹配器件组成，励磁时序控制信号由数字信号处理器(DSP)芯片上外设控制 产生，而在励磁过程中不需要软件参与，从而提高励磁频率精度。本发明系统包括恒流源电路l、电流旁路电路5、励磁线圈驱动电路2、励磁时序 产生电路3和检流电路4，如图1所示。
所述恒流源电路由线性电源U1和电阻R1组成，其中电阻R1决定恒流源输出电流 的大小。
所述电流旁路电路由三极管T5、 T6、 T7、 T8、电阻R13、 R14、 R15及可调电阻 R16、电容C3组成，其中各三极管功耗及旁路电流大小均可通过电阻R14、 R15、 R16 调节，电阻R13决定流过恒流源电路中Ul的电流大小。
所述励磁线圈驱动电路中H桥高端由电流控制器件PNP三极管Tl和T2组成，低 端由电压控制器件N沟道M0S管Q1和Q2组成；Tl、 T2内部射集极间均反并保护二 极管，Ql、 Q2内部漏源极间均反并保护二极管；控制电路由达林顿阵列管U2、三极管 T3、 T4及电阻R3、 R4、 R5、 R6、 R7、 R8、 R9、 RIO、 Rll、 R12组成。
所述检流电路由电阻R2组成，R2跨接在H桥低端与参考地之间，根据H桥对角 联动控制方式及H桥组成方式，其两端电压能较准确反映励磁线圈中各励磁阶段的电流 大小。
所述励磁时序产生电路由核心控制部件数字信号处理器芯片U3，多路开关芯片U4 及电平匹配器件U5组成;由数字信号处理器芯片U3上外设发出励磁控制信号，结合多 路开关产生励磁时序，并进行电平匹配，实现单/双频励磁，励磁过程中无需软件程序控 制，从而提高励磁频率的精度；U3的第45脚、第53脚、第55脚分别与U4第15脚、 第9脚、第1脚连接；U4的第11脚、第10脚分别与U5的第7脚、第8脚连接；U5 的第14脚、第13脚分别输出时序控制信号CON 1， CON2。
本发明的工作过程为恒流源电路l向励磁线圈驱动电路2中的H桥供电，H桥驱 动励磁线圈，励磁电流由H桥高端流入，经开关管T1 (或开关管T2)、励磁线圈、开 关管Q2 (或开关管Q1)、检流电阻(检流电路)流向参考地。H桥中开关管T1、 T2内 部射集极之间及Q1、 Q2内部漏源极之间均分别反并保护二极管，励磁时序产生电路中 的数字信号处理器(DSP)产生励磁控制信号，通过多路开关产生励磁时序，再通过电 平匹配器件进行电平匹配控制励磁线圈驱动电路2中达林顿阵列管或三极管的通断，进 而控制H桥的电流通路，如图2所示。当线性电源上能量耗散比较大时，线性电源输入 输出端并接电流旁路电路，将负载所需电流分流至旁路电路中，而避免其全部通过线性 电源U1，以降低线性电源U1上的能量耗散，如图5所示。
图1是本发明的励磁控制系统框5图2是本发明具体实施例励磁控制系统原理图； 图3是本发明具体实施例激励时序产生电路原理图； 图4是本发明激励时序产生电路励磁时序控制信号图； 图5是本发明具体实施例带电流旁路电路的励磁控制系统原理图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明做进一步说明
本发明的设计思想是使用高电压源供电，采用线性电源来改善励磁系统的动态特 性，从而为具有稳定零点的高频单频方波励磁和双频方波励磁提供条件；更准确地检测 励磁电流，为信号处理提供条件，以便修正传感器输出信号；采用数字信号处理器(DSP) 控制，并配以外部硬件电路，产生励磁时序，以提高励磁频率精度；采用电流旁路电路 分流的方式，来降低线性电源上的发热。其目的是为提供准确的高频励磁或双频励磁， 同时保证励磁过程中励磁电流在每个励磁方向区间内均能进入稳态，进而保证零点稳定 性，且励磁电流能被实时、准确的检测。
本发明励磁控制系统的总体框图如图1所示。恒流源电路1为励磁线圈驱动电路2 提供电源，电流旁路电路5对线性电源电流起分流(Ip)作用，励磁线圈驱动电路2通 过CD1端与CD2端为励磁线圈提供周期变化的励磁电流，检流电路4检测励磁电流， 励磁时序产生电路3向励磁线圈驱动电路2提供控制时序信号C0N1和CON2，实现高 频方波励磁或双频方波励磁。
图2所示为不带电流旁路电路的电磁流量计励磁控制系统电路原理图。
恒流源电路l由线性电源U1、电阻R1、肖特基二极管D1、 二极管D2和电容C17 组成。通过调节Rl来改变输出恒流值。电容C1起输入电源滤波作用。肖特基二极管 D1反并于U1输入、输出端，起电源保护作用。二极管D2为防止反方向电流产生，起 保护Ul的作用。
励磁线圈驱动电路2由PNP三极管T1、 T2、 N沟道MOS管Ql和Q2、达林顿阵 列管U2、电阻R2、 R3、 R4、 R5、 R6、 R7、 R8、 R9、 RIO、 Rll、 R12、齐纳二极管 Zl、电容C2组成。PNP三极管Tl、 T2与N沟道MOS管Ql和Q2组成全H桥。其中， Tl、 T2内部的发射极(简称射极)与集电极之间均反并了保护二极管，Ql、 Q2内部漏极 和源极之间均反并了保护二极管。H桥高端即T1、 T2管的射极由恒流源电路l供电， 其低端即Q1、 Q2的源极通过检流电阻R2接参考地。Tl的集电极与Q1的漏极相连， 接驱动励磁线圈Ll的CD1端；T2的集电极与Q2的漏极相连，接驱动励磁线圈L1的 另一端CD2。 Tl的开关控制电路由电阻R3、 R4、 R5及三极管T3组成，通过接收励磁
6时序产生电路3的时序控制信号C0N1控制T3的通断，进而控制Tl的基极电流，使 其工作在饱和导通或截止的状态，从而开关Tl。 T2的开关控制电路由电阻R6、 R7、 R8及三极管T4组成，通过接收励磁时序产生电路3的时序控制信号CON2控制T4的 通断，进而控制T2的基极电流，使其工作在饱和导通或截止的状态，从而开关T2。 Ql 的开关控制电路由达林顿阵列管U2及电阻R11、 R12组成，通过接收励磁时序产生电 路的时序控制信号CON2，将其转化为高电平VDD的同相时序控制信号CON3,进而 控制Ql的通断，实现与T2的联动控制。Q2的开关控制电路由达林顿阵列管U2及电 阻R9、 R10组成，通过接受激励时序产生电路的时序控制信号CONl，将其转化为高电 平VDD的同相时序控制信号CON4，进而控制Q2的通断，实现与T1的联动控制。达 林顿阵列管U2接收激励时序产生电路的时序控制信号CON1和CON2。齐纳二极管Zl 起H桥激励电源的激励电压限幅作用，进而保证H桥在感性负载(励磁线圈)下正常 工作，电容C2其稳幅滤波作用。
检流电路4由检流电阻R2组成，R2跨接在励磁线圈驱动电路2中H桥低端Ql、 Q2源极连接点与参考地之间，在前述H桥的构成及Tl与Q2、 T2与Ql的联动控制下， 可准确检测励磁电流。
励磁时序产生电路3为励磁线圈驱动电路提供控制时序信号CON1和CON2，实现 单频高频方波励磁或双频方波励磁。激励时序产生电路具体电路原理图如图3所示，由 数字信号处理器(DSP)芯片U3、多路开关U4及电平匹配器件U5、电容C4、 C5、 C6 及电阻R17、 R18组成。其中，DSP芯片U3 (TMS320F2812)为励磁控制核心。C4、 C5、C6分别为多路开关U4及电平匹配器件U5的电源退耦电容。U5的输入引脚7(A6)、 8 (A7)分别通过电阻R17、 R18下拉。系统工作时，U3输出的高电平为3.3V ， U3 先发出使能信号CBT—OEn使能U4。
当单频高频励磁时，U3的53脚GPIOB6-T3PWMJOCMP始终发出高电平控制信 号CE—SIG。U3的定时器GP Timer4控制U3的55脚GPIOB7-T4PWM—T4CMP发出PWM 波CE一DIR输入至U4引脚1 (S)，切换U4的通道。当CE—DIR为低电平时，CE一SIG 与CES1接通，使得U5的输入脚7 (A6)为高电平，而U5的输入脚8 (A7)由于R18 的下拉作用呈低电平输入；当CE—DIR为高电平时，CE—SIG与CES2接通，使得U5 的输入脚8 (A7)为高电平，而U5的输入脚7 (A6)由于R17的下拉作用呈低电平输 入。依此不断地切换，则U5的输出引脚14 (B6)、 13 (B7)随着输入引脚7 (A6)、 8 (A7)高低的跳变而变化，产生单频励磁时序控制信号CONl、 CON2。单频高频励磁 时序控制信号如图4 (a)所示。当双频励磁时，U3的定时器GPTimer3控制U3的53脚GPIOB6-T3PWM—T3CM，发出PWM波CE—SIG，接至U4引脚9 (3A); U3的定时器GP Timer4控制U3的55脚GPIOB7-T4PWM—T4CMP，发出PWM波CE—DIR,接至U4引脚1 (S),切换U4的通道。当CE—DIR为低电平时，CE—SIG与CES1接通，使PWM波信号CE_SIG输入至U5的输入脚7 (A6),而U5的引脚8 (A7)由于R18的下拉作用呈低电平输入；当CE—DIR为高电平时，CE—SIG与CES2接通，使得PWM波信号CE_SIG输入至U5的输入脚8 (A7)，而U5的引脚7 (A6)由于R17的下拉作用呈低电平输入。依此不断切换，使得U5的输出引脚14 (B6)、 13 (B7)随着输入引脚7 (A6)、 8 (A7)的高低跳变而变化，产生双频励磁时序控制信号C0N1、 CON2。双频励磁时序控制信号如图4(b)所示。
图4所示为激励时序产生电路励磁时序控制信号图。结合图2，在线性电源供电电压VCC足够高时，励磁电流在励磁半周期内能进入稳态，励磁电流回路如下
单频高频励磁在Sl期间进入励磁稳态时，电流回路为恒流源一Tl中三极管一励磁线圈U—Q2中MOS管一检流电阻R2—参考地；Sl切换至S2后励磁线圈中电流方向未改变前，电流回路为励磁线圈LI—T2中保护二极管一齐纳二极管Z1—参考地—检流电阻R2—Ql中保护二极管一励磁线圈Ll;在S2期间励磁线圈中电流方向已改变后，电流回路为恒流源一T2中三极管—励磁线圈L1—Ql中MOS管一检流电阻R2—参考地；S2切换至S3后励磁线圈中电流方向未改变前，电流回路为励磁线圈L1—Tl中保护二极管一齐纳二极管Z1—参考地一检流电阻R2—Q2中保护二极管一励磁线圈Ll;在S3期间励磁线圈中电流方向已改变后同Sl期间进入励磁稳态；循环往复。
双频励磁H2期间，电流回路为恒流源一Tl中三极管一励磁线圈Ll—Q2中MOS管一检流电阻R2—参考地；H3期间，电流回路为励磁线圈Ll—T2中保护二极管一齐纳二极管Z1—参考地一检流电阻R2—Ql中保护二极管一励磁线圈L1; H4期间同H2期间；循环往复；H10期间，电流回路为恒流源 T2中三极管—励磁线圈L1—Ql中MOS管一检流电阻R2—参考地；Hll期间，电流回路为励磁线圈U—Tl中保护二极管一齐纳二极管Z1—参考地一检流电阻R2—Q2中保护二极管一励磁线圈Ll;循环往复。
如上述电流回路，MOS管Ql、 Q2栅极电流可忽略不计，励磁电流在任何励磁期间内均能被检流电阻R2准确检测到。
图5所示为带电流旁路电路的电磁流量计励磁控制系统具体实施例原理图。电路1、2、 3、 4部分与图2中的相同；电路5为电流旁路电路，由三极管T5、 T6、 T7、 T8、
8电阻R13、 R14、 R15及可调电阻R16、电容C3组成。电流旁路电路5的作用如下
将图2中励磁电流全部走线性电源Ul经过的唯一路径分为图5所示的a、 b、 c三路。T7与R13决定a路电流占总励磁电流的比重；T5、 T6、 R14决定b路电流占总励磁电流比重，进而决定了c路电流占总励磁电流的比重；R15与R16决定T5、 T6、 T7、T8的集射极之间电压占输入电压VCC与恒流源输出电压之差的比重，进而决定其功耗大小。在励磁切换时，C3对R14两端电压进行平滑滤波。此电流旁路电路可分别控制a、 b、 c三路电流大小及其中三极管T5、 T6、 T7、 T8与恒流源电路中Ul的功耗，可有效缓解在高频励磁需要高电压源(VCC)供电时U1的发热问题。
权利要求
1.一种基于线性电源的单/双频电磁流量计励磁控制系统，用于向励磁线圈提供励磁电流，从而给被测流体提供周期变化的磁场，包括恒流源电路、电流旁路电路、励磁线圈驱动电路、励磁时序产生电路、检流电路，其特征在于采用高电压源供电，恒流源电路由线性电源搭建向励磁线圈驱动电路供电，电流旁路电路并接于线性电源输入输出端以解决能量耗散问题，励磁线圈驱动电路由H桥及其控制电路组成，检流电路跨接在H桥低端与参考地之间，励磁时序产生电路由用于流量信号处理的数字信号处理器配合多路开关产生时序，控制励磁线圈驱动电路动作。
2. 如权利要求1所述的电磁流量计励磁控制系统，其特征在于恒流源电路由线性电源Ul和电阻Rl组成，其中电阻Rl决定恒流源输出电流的大小。
3. 如权利要求1所述的电磁流量计励磁控制系统，其特征在于电流旁路电路由三 极管T5、 T6、 T7、 T8、电阻R13、 R14、 R15及可调电阻R16、电容C3组成，其中各 三极管功耗及旁路电流大小均可通过电阻R14、 R15、 R16调节，电阻R13决定流过恒 流源电路中U1的电流大小。
4. 如权利要求1所述的电磁流量计励磁控制系统，其特征在于励磁线圈驱动电路 中H桥高端由电流控制器件PNP三极管Tl和T2组成，低端由电压控制器件N沟道 MOS管Ql禾B Q2组成；三极管T1、 T2内部射集极间均反并保护二极管，N沟道MOS 管Q1、 Q2内部漏源极间均反并保护二极管；控制电路由达林顿阵列管U2、三极管T3、 T4及电阻R3、 R4、 R5、 R6、 R7、 R8、 R9、 RIO、 Rll、 R12组成。
5. 如权利要求1所述的电磁流量计励磁控制系统，其特征在于检流电路由电阻R2组成，电阻R2跨接在H桥低端与参考地之间，根据H桥对角联动控制方式及H桥 组成方式，其两端电压能较准确反映励磁线圈中各励磁阶段的电流大小。
6. 如权利要求1所述的电磁流量计励磁控制系统，其特征在于励磁时序产生电路 由核心控制部件数字信号处理器芯片U3,多路开关芯片U4及电平匹配器件U5组成; 由数字信号处理器芯片U3上外设发出励磁控制信号，结合多路开关产生励磁时序，并 进行电平匹配，实现单/双频励磁，励磁过程中无需软件程序控制，从而提高励磁频率的 精度；数字信号处理器芯片U3的第45脚、第53脚、第55脚分别与多路开关芯片U4 第15脚、第9脚、第l脚连接；多路开关芯片U4的第11脚、第10脚分别与电平匹配 器件U5的第7脚、第8脚连接；电平匹配器件U5的第14脚、第13脚分别输出时序 控制信号CONl，CON2。
全文摘要
本发明为一种基于线性电源的单/双频电磁流量计励磁控制系统，包括恒流源电路、电流旁路电路、励磁线圈驱动电路、励磁时序产生电路和检流电路。采用高电压源供电，恒流源由线性电源搭建向励磁线圈驱动电路供电，电流旁路电路并接于线性电源输入输出端以解决能量耗散问题，励磁线圈驱动电路由H桥及其控制电路组成，检流电路跨接在H桥低端与参考地之间，数字信号处理器DSP控制多路开关及电平匹配器件产生时序，控制励磁线圈驱动电路的动作。该励磁控制系统能显著提高励磁频率范围和励磁频率精度，适用于浆液测量的单频高频方波励磁或双频方波励磁，同时能提供更准确的电流检测，以修正流量信号处理结果。
文档编号G01F1/56GK101644591SQ200910144878
公开日2010年2月10日 申请日期2009年9月8日 优先权日2009年9月8日
发明者徐科军, 李积春, 杨双龙, 刚 王, 磊 石 申请人:合肥工业大学;重庆川仪自动化股份有限公司