水箱排水流量计励磁系统硬件研制

1、 高、低压切换恒流控制电路
高、低压切换恒流控制电路是励磁控制系统中的关键部分，由高、低压电源、能量回馈电路、高低压切换电路、恒流控制电路、电流旁路电路和迟滞比较电路组成，其电路原理如图2所示。

高、低压电源来自于AC-DC模块。其中，高压源直接采用AC-DC的80V输出电源；低压源则由DC-DC转换器对AC-DC模块的24V输出电源进行转换得到的可调电压源。电压大小则以保证励磁稳态时，恒流控制电路中的三端稳压器输入输出压差相对较小为准，以降低电路损耗；能量回馈电路由储能电容C1、保护二极管D1和能量泄放电阻R1组成。其中，电容C1用于储存励磁方向切换时，励磁线圈中泄放的能量。齐纳二极管D1用于防止励磁线圈中能量泄放时，由于电容C1的充电电压过高，而导致的电容击穿。电阻R1用于在系统断电不工作时，为电容C1提供能量泄放回路；高低压切换电路主要由肖特基二极管和达林顿三极管组成高低压平滑切换电路。当达林顿三极管导通时，将高压源切换为励磁工作电源，肖特基二极管反向关断，低压源被切除。而当达林顿三极管关断时，肖特基二极管重新正向导通，将低压源切换为励磁工作电源。恒流控制电路由三端稳压芯片、电阻R2与肖特基二极管D3构成。电阻R2用于设置恒流源输出电流的大小，即励磁电流的稳态值；由于励磁电流达到200mA左右，为防止长期励磁导致电路温升并影响电路参数，电阻R2选用大功率低温漂系数的精密电阻；肖特基二极管D3一方面用于防止反向电流损坏三端稳压器；另一方面用于组成励磁线圈的能量泄放回路的一部分；电流旁路电路主要由达林顿三极管组成，由迟滞比较电路控制通断；迟滞比较电路主要由运放和电阻等分立元件搭建而成。比较电路一端输入为基准Vref，其值取决于励磁电流的稳态设定值大小，另一端输入则为检流电路检测得到的励磁电流信号Cur。
2、 H桥励磁开关电路与检流电路
H桥开关电路主要由H桥路及其驱动电路组成，用于实现对励磁线圈进行方波励磁。原理示意图如图3所示。

图中，L1为励磁线圈的示意符号。H桥路中，高端桥臂采用PNP型的达林顿三极管，以通过电流控制其通断，从而克服因线圈的电感特性导致H桥高端电压大幅波动而较难控制的问题。H桥驱动电路主要由达林顿阵列管和三极管等组成，为H桥高端桥臂提供电流控制信号，为H桥低端桥臂提供电压控制信号，且对H桥的控制采用对臂联动控制方式，即由控制信号CON1控制H桥T1管和T4管的通断，由控制信号CON2控制H桥T2和T3的通断。CON1和CON2为正交的PWM波，从而实现对励磁线圈的方波励磁。励磁系统中检流电路主要由检流电阻组成，检流电阻同样采用大功率低温漂的精密电阻以避免长期励磁工作时电路温升引起电路参数的较大漂移。另外，检流电阻取低阻值电阻以降低H桥低端电压波动，从而保证H桥低端桥臂可靠通断。
3 、励磁时序产生电路
励磁时序产生电路用于产生励磁控制信号CON1和CON2以控制方波励磁时序，其电路原理结构图如图4所示。

该电路主要由励磁时序发生单元、三态缓冲器及隔离光耦组成。励磁时序由水箱排水流量计系统的控制核心产生。采用DSP的EPWM外设模块，通过设定其内部定时器的工作模式发出所要求的励磁频率的励磁时序PWM信号CT_1和CT_2。由于励磁控制系统中的励磁工作电源的电压要比DSP的工作电源电压高得多，为防止励磁电路故障对系统控制核心产生致命影响，采用光耦将控制部分与励磁部分进行隔离。另外，由于DSP引脚的驱动能力有限，所以在DSP与隔离光耦之间加入三态缓冲器以驱动隔离光耦的输入级。并且，DSP能够通过GPIO口控制三态缓冲器上的使能引脚来使能和禁止励磁，以在检测到电路故障时迅速关断H桥所有桥臂。该励磁时序产生电路通过软件编程可产生如图5所示的单频矩形波。在实际应用中，由于组成H桥的达林顿三极管与MOS管导通与关断的时间不一致，易在励磁方向切换瞬间，产生上下桥臂同时导通的现象，反映在励磁电流波形上为一幅值很高的窄脉冲。该脉冲电流不仅容易引起迟滞比较电路的误输出，从而导致高低压切换电路与电流旁路电路的误动作，而且对恒流控制电路产生冲击，减小三端稳压芯片的使用寿命，同时还会产生EMC电磁干扰，给测量精度带来影响。所以实际应用时，如图5所示对方波励磁时序添加死区，可以明显减小上述现象。