北方博信BX-LDG污水流量计基于PWM控制的脉冲励磁系统分析与研制

引言 LDG电磁污水流量计是基于电磁感应原理工作的仪 表，其中的励磁系统为一次仪表中的励磁线圈提 供所需的励磁电流，以形成磁场。励磁系统是 该类流量计的重要组成部分，也是功耗大的部 分。当测量通常的导电液体时，LDG电磁污水流量计往 往采用低频方波励磁的方式产生磁场，例如，采用Hz或者5 Hz的励磁频率，以便输出信号有 足够长、稳定的时间段，保证较高的测量精度； 当测量浆液流量或者进行灌装测量时，必须采用 高频励磁，例如，12. 5 Hz和25 Hz或者更高频率， 以克服具有1 /f特性的浆液噪声影响和加快仪表 的响应速度。为此，人们研究了 2种高频励磁系 统：一种是基于线性电源工作原理的，即高低压电 源切换的励磁系统；另外一种是基于开关电源 工作原理的，即脉冲励磁系统。前一种励磁系统的特点是在励磁电流稳态阶段励磁电流值不 变，这样磁场就非常稳定，保证了测量精度M，但 是，恒流控制电路的功耗较大，容易导致励磁系统 发热，影响使用寿命。后一种励磁系统根据开关 管的开关频率是否受励磁线圈电抗的影响，分为 基于电流幅值控制的励磁系统和基于电流误差控 制的励磁系统（又称基于PWM控制的脉冲励磁系 统）。基于电流幅值控制的励磁系统釆用迟滞比 较器来控制励磁电流。该励磁系统依靠迟滞 比较器的上下门限将励磁电流维持在一个小范围 内波动，既保持励磁电流在稳态过程相对稳定，又 使能量主要消耗在励磁线圈上，避免电路发热。 但是，这种励磁系统没有考虑：当励磁线圈的电抗 不同时，励磁电流上升的曲线是不同的，这样励磁 电流上升至上门限值或者下降至下门限值的时间 就不同’即当励磁线圈不同时，励磁电流波动的频 率就不同；励磁电流的波动会引入远大于流量信 号的微分干扰’影响流量的测量，而波动的频率因 励磁线圈不同而存在差异，需要逐台对电磁流量 计进行处理，才能有效地抑制励磁电流波动的影 响，这在实际生产中很难实现。基于PWM (pulse width modulation)控制的励磁系统的开关频率是固 定的[9，]。励磁电流在稳态阶段以固定的频率波 动，不会随励磁线圈的不同而变化，使我们可以釆 用相应的处理方法来消除励磁电流波动的影响。 但是，文献[9，10]没有披露关键的技术细节，也没 有给出深入的分析和具体的计算。 为此，本文研究了基于PWM控制的脉冲励磁 系统的工作原理和稳流控制方案，定量计算其励 磁频率、开关管的开关频率、励磁系统功耗和励磁 线圈阻抗，并给出具体的设计参数；研制了基于 PWM控制的脉冲励磁系统的LDG电磁污水流量计，进行了 实验验证。

1.LDG电磁污水流量计基于PWM控制的脉冲励磁系统

1.1LDG电磁污水流量计工作原理

       LDG电磁污水流量计针对励磁线圈是感性负载、流过其电流不能突变的特点’ PWM控制电路控制开关管将励磁电源间断地施加在励磁线圈上，LDG电磁污水流量计实现励磁电流的变化和稳 定，LDG电磁污水流量计工作原理：LDG电磁污水流量计取样电阻与励磁线圈串联，其上的压降反映流 过励磁线圈的电流值。PWM控制电路根据励磁电 流值输出控制信号，LDG电磁污水流量计由驱动电路完成电平转换后导通和关断开关管，以控制励磁电流。LDG电磁污水流量计在励磁电流上 升时，始终导通开关管，将励磁电压一直加在励磁线 圈上，以加速励磁电流的上升;在励磁电流达到稳态 值时，控制开关管频繁通断，LDG电磁污水流量计将励磁电源电压以固定 的频率加在励磁线圈上，维持励磁电流的基本稳定， 即以固定的频率进行很小幅度的波动。LDG电磁污水流量计在励磁电流 上升到稳态阶段的过程中，加在励磁线圈上的电压 E和励磁电流i随时间t变化的波形LDG电磁污水流量计实线为加在励磁线圈上的电压变化情况，LDG电磁污水流量计虚线为 励磁电流变化情况，Emax表示大励磁电压，，s表示 励磁电流的稳态平均值。

1.2LDG电磁污水流量计工作特点：

LDG电磁污水流量计该励磁方式的特点是:在励磁电流稳态阶段，开 关管不停地通断，使励磁电流做小幅度的稳定波动，LDG电磁污水流量计将励磁电压尽可能降在励磁线圈上，避免励磁系统 发热，同时，LDG电磁污水流量计励磁电流固定的波动频率便于消除其引 入的干扰。

1.3LDG电磁污水流量计励磁频率计算公式：

基于PWM控制的脉冲励磁系统可以实现更高 的励磁频率，以满足浆液流量测量和灌装流量测量。 在励磁的开始阶段，励磁电流在励磁电源的作用下 快速上升至稳态阶段。励磁电流i与励磁线圈上所加电压E之间的关系为：
i =导(1 - e_T?) (1)
K
式中:i为励磁线圈的电感值;K为励磁线圈的直流 电阻值。对式（1)进行求导，可以得到：
M = j- e 4 At (2)
可见，励磁电流值变化量相同，其所需的时间与 励磁线圈两端施加的电压成反比。所以，基于PWM 控制的脉冲励磁系统可通过提供更高的励磁电压来 减小励磁电流上升到稳态值的时间，实现更高的励 磁频率。励磁电流的稳态平均值Is在稳态阶段的 时间需至少保持ts，以保证LDG电磁污水流量计的测量。励 磁电流上升的时间为：
、=-会1n (1 -￥) ⑶
当采用方波励磁时，可实现高励磁频率f 约为：
f = 2( tg + td + ts) ⑷
式中td为励磁时序的死区时间。以DN40电磁流量 计为例，基于PWM控制的脉冲励磁系统中励磁电 压为80 V，励磁电流为240 mA，励磁线圈电感值为 200 mH、电阻值为56 ^，则励磁电流上升时间tg为 650 ^。若LDG电磁污水流量计实现准确测量需要励磁电流 保持2 ms的稳态时间，其励磁时序的死区时间为 150 则该励磁系统能实现的高励磁频率可以 达到约178 Hz。如果进一步提高励磁电源的电压， 则可以实现更高的励磁频率，而普通励磁系统的励 磁频率仅为5 Hz和6. 25 Hz。

1.4LDG电磁污水流量计开关管的开关频率

基于PWM控制的脉冲励磁系统会在电磁流量 计测量时引入微分干扰，而微分干扰是由励磁电流 波动而造成的周期信号，其频率与开关管的开关频 率相等，便于采用相应的方法来抑制甚至消除；电磁 流量计输出的流量信号也是周期信号，其频率与励 磁频率相等。因此，可以把开关管的开关频率控制 在远远高于流量信号频率的频段，并采用硬件低通 滤波器对微分干扰进行衰减。

1.5LDG电磁污水流量计信号频段

LDG电磁污水流量计输出流量信号频段主要在200 Hz 以下。为此:设置硬件低通滤波器的截止频率为流 量信号频率的5 ~10倍，即大约为几千Hz;设置开 关管的开关频率为硬件低通滤波器截止频率的 10倍左右，即大约为几十kHz。这样硬件低通滤波 器不仅可以消除输出信号中噪声的干扰，还可以极 大地抑制电流波动所带来的微分干扰。

1.6LDG电磁污水流量计励磁功耗分析

在基于PWM控制的脉冲励磁系统中，开关管 位于励磁电源和励磁线圈之间，以维持励磁电流的 稳定，为励磁系统中功耗大的电路单元。开关管 的损耗主要表现为导通损耗和开关损耗。导通损耗 是开关管在导通状态下，开关管的导通电阻的功率。 由于励磁电流为数百mA，开关管的导通电阻为数 十mn，所以，开关管的导通损耗非常小。开关损耗 为开关管从导通（关断）转换为关断（导通）时的所 有损耗。开关频率越高，开关损耗就越大，所以，开 关管的开关损耗反映了励磁系统的功耗。当开关管 接励磁线圈时，开关损耗为[12]:
Psw = E1dmaitc fsw (5)
式中:1ta?为流过开关管的大电流;t。为开关管由 关断（导通）到导通（关断）的转换时间；L为开关 管的开关频率。
以DN40LDG电磁污水流量计为例，基于PWM控制的脉 冲励磁系统的励磁电压为80 V，励磁电流为 240 mA，开关管的开关频率为20 kHz，开关管开关 的转换时间为100 ns，则开关管的开关损耗约为 38. 4 mW。

1.7LDG电磁污水流量计励磁线圈阻抗

合理地设计励磁线圈的直流电阻值和电感值， 有助于减小励磁电流的波动幅值，使基于PWM控 制的脉冲励磁系统工作在状态。
由式（1)和式（2)可知，当励磁电压固定时，励 磁电流的变化过程取决于励磁线圈的电感值和直流 电阻值。电感值由励磁线圈的匝数决定。当励磁线 圈通入一定的电流时，测量管内的磁场与励磁线圈 的匝数成正比。为了保证LDG电磁污水流量计正常测量所需 要的磁场强度，励磁线圈的匝数一般不宜变化，此 时，可以通过改变励磁线圈的线径来调整直流电阻。
忽略开关管上的压降，那么，励磁线圈两端的电 压就等于励磁电压：
E = L 半 + 况 （6)
dt
励磁电流增加时，$ > 0，所以，励磁线圈的直
流电阻值要小于励磁电压E与励磁电流稳态值/s 之比：
只 max〈午 (7 )
式中Rmax为励磁线圈的直流电阻值的大值。
 励磁电流在稳态阶段的波形示意图，其中，励磁电流稳态阶段的t波动周期为Tf， 波动幅值为/。，设允许励磁电流大波动幅值为 / max，则/ c< / max。近似认为在稳态阶段励磁电流上 升的斜率是固定值，等于励磁电流在稳态值处的 斜率（a点处的斜率）。由于在励磁电流稳 态阶段，在开关管的一个开关周期内，励磁电流的 变化量为0，因此，仅研究励磁电流在稳态阶段的 上升过程。
PWM控制电路输出波形的占空比为：
d = /ER (8)
E
PWM控制电路输出波形的周期等于开关管的 开关周期，即Tf= ^，因此，励磁电流在稳态阶段上
J sw
升的时间为：
t r = dTf = f~E (9)
在稳态阶段，励磁电流波动幅值就等于励磁电 流上升的变化量，即：
/ c = E. e t r ( 10 )
式中t。为励磁电流的幅值从0上升到平均励磁电 流/s的时刻。
IjR \
E
把式(9)和式（11)代入式（10)可得：
/ f (1 -f)
因为A < /max，解得励磁线圈的直流电阻值的 小取值为 在设定的开关频率下正常工作，且励磁电流值在稳 态阶段的波动幅值小于> E+ 斤 2-^ 现 max ( 13 )
所以，为了使基于PWM控制的脉冲励磁系统
/max，励磁线圈的直流电阻 值需要满足式(7)和式（13)所决定的范围。
考虑到励磁线圈的直流电阻值受温度影响较 大和LDG电磁污水流量计的整机功耗，励磁线圈的直流电 阻值一般直接取下限值。以DN40LDG电磁污水流量计为 例，励磁电压为80 V，励磁电流在稳态阶段的平均 值为240 mA，开关管的开关频率为20 kHz，励磁线 圈的电感值为0.2 H，励磁电流在稳态阶段的波动 幅值要小于5mA，励磁线圈的直流电阻值的取值 范围为167 a至333 a。通过调整励磁线圈的线 径把直流电阻值设置成167 a，这样既可以大限 度地克服温升带来的影响，又可以使LDG电磁污水流量计 的整机功耗小。
 
 

2.PWM控制的脉冲励磁系统研制

2.1LDG电磁污水流量计系统框图

LDG电磁污水流量计研制的基于PWM控制的脉冲励磁系统主要 由励磁电源、能量回馈电路、励磁线圈驱动电路、 检流电路、逻辑电路、PWM控制电路和励磁时序 产生电路组成LDG电磁污水流量计。其中，LDG电磁污水流量计能量回馈电路在开关管关断时回收励磁线圈中的能量，并在开 关管导通时把收集的能量回馈给励磁线圈，提高 能量利用率；励磁线圈驱动电路改变励磁线圈中 电流的方向，实现方波励磁，抑制电极极化，也维 持励磁电流稳定，LDG电磁污水流量计为励磁线圈提供续流回路；检 流电路获取流过励磁线圈的电流值；逻辑电路为 励磁线圈驱动电路提供控制信号；PWM控制电 路维持流过励磁线圈的电流值，LDG电磁污水流量计在电流值上升 时，产生占空比为1的方波，加快励磁电流的上 升，在电流值达到稳态值时产生频率固定、占空 比自可调的PWM波形，LDG电磁污水流量计以在励磁线圈中产生稳定的电流值；励磁时序产生电路用来设定电磁流 量计的励磁频率。

2.2励磁线圈驱动电路

LDG电磁污水流量计励磁线圈驱动电路主要由H桥开关电路和H 桥驱动电路组成，如图5所示。H桥开关电路由4 个NMOS管组成，LDG电磁污水流量计受H桥驱动电路控制，其中，(^ 和为控制励磁电流稳定的开关管，实现脉冲励 磁，和Q〗用来改变励磁电流方向的开关管；H 桥驱动电路主要由电平转换电路和光耦组成，其 中，P:和匕是光耦，乃和凡是电平转换电路。 CT_1，CT_2，CT_3 和 CT_4 分别是 Q:, Q2，Q3 和 Q4 的控制信号；VFB是由单刀双掷开关Si输出的检流 电阻上的电压信号。LDG电磁污水流量计在H桥开关电路的低端和地 之间接入两个检流电阻，这2个检流电阻通过开 关进行选择，以保证在励磁电流方向切换时，单刀 双掷开关输出的励磁电流值总为正，实现对励磁 电流的准确控制。

2.3PWM控制电路

LDG电磁污水流量计PWM控制电路主要由误差放大器和PWM电 路组成，如图6所示。误差放大器对基准值和电流 值进行比较并放大误差。PWM电路根据放大后的 误差信号产生控制开关管所需要的信号。LDG电磁污水流量计PWM控 制电路实时检测励磁电流值，并根据励磁电流的大 小输出频率固定、占空比自可调的PWM波形，LDG电磁污水流量计以在 励磁线圈中产生波动较小、稳定的电流值。

3. LDG电磁污水流量计性能测试和检定实验

LDG电磁污水流量计为了考核基于PWM控制的脉冲励磁系统的性 會能，将其与国内某公司生产的口径为40 mm的电磁 流量计一次仪表相配合，测试其能够实现的高励 磁频率、励磁电流在稳态段的波动情况和流量信号 的稳定性，对比不同LDG电磁污水流量计励磁系统的功耗，进行水流量检 定实验。

3.1LDG电磁污水流量计励磁频率测试

在80 V励磁电压下，做160 Hz励磁频率的实 验测试。当励磁电流为240 mA时，约经0. 8 ms就 进入了稳态。而釆用基于高低压电源切换的励磁方 式，当高压为80 V、维持电流稳定的低压为17 V、励 磁电流为180 mA时，由于电源的切换导致励磁系统 需要从一个工作状态转移到另一个工作状态，这个 转移过程所需要的时间要大于励磁电流的上升时 间，因此，励磁电流无法进入稳态。

3.2LDG电磁污水流量计励磁电流和PWM控制电路输出电压测试

LDG电磁污水流量计分别用示波器的普通探头和电流探头测试 PWM控制电路输出的信号和流过励磁线圈的电流 值。测试结果表明：LDG电磁污水流量计在励磁电流上升时，PWM控制 电路输出占空比为1的信号；在励磁电流进入稳态 时，发出频率固定的脉冲控制信号。在励磁电流稳 态段，开关管的频率约为20 kHz。LDG电磁污水流量计励磁电流经过截 止频率为2 kHz的四阶巴特沃斯滤波后，在稳态段 的大波动值仅约为3.7 mA，比较稳定。
 

3.3LDG电磁污水流量计基于PWM控制的脉冲励磁系统功耗测试

由于励磁电源输入的功率主要由基于PWM控 制的脉冲励磁系统和励磁线圈承担，所以，LDG电磁污水流量计只要测出 励磁电源的输入功率和励磁线圈的功率，就可以得 到基于PWM控制的脉冲励磁系统的功率。LDG电磁污水流量计根据励 磁电源的输入电压和输入电流可以计算出输入功 率，LDG电磁污水流量计根据励磁电流和励磁线圈的等效直流电阻可以 计算出励磁线圈的功率。基于高低压电源切换励磁 系统的功率计算方法相同。
励磁频率设为12.5 Hz、所配DN40 —次仪表 的励磁线圈直流电阻为56 n时，比较基于高低压 电源切换的励磁系统与基于PWM控制的脉冲励 磁系统的功耗。基于高低压电源切换励磁系统所 用的励磁电源的高压为80 V，相应的输入LDG电磁污水流量计电流为 12 mA ；低压为24 V，相应的输入电流为 176. 8 mA。根据一个励磁周期内高压和低压各自 工作的时间，计算出励磁电源输入功率约为 5.20 W。LDG电磁污水流量计流过励磁线圈的励磁电流为178 mA，根 据励磁线圈的直流电阻，LDG电磁污水流量计计算出励磁线圈消耗的 功率约为1.77 W。因此，得出励磁系统承担的功 率约为3. 43 W。基于PWM控制的脉冲励磁系统 的励磁电压为76 V，输入电流为66. 7 mA，励磁电 流为240 mA，所以，LDG电磁污水流量计励磁电源输入功率约为 50 7 W，励磁线圈消耗的功率约为3. 23 W，消耗 在该励磁系统上的功率约为1.84 W。
可见，基于PWM控制的脉冲励磁系统的励磁 电流比基于高低压电源切换励磁系统的大了 34.83%，而前者承担的功率仅为后者的53. 64%。 这说明基于PWM控制的脉冲励磁系统消耗的功率LDG电磁污水流量计主要集中在一次仪表的励磁线圈，所以，可有效地解 决励磁系统的发热问题。

3.4LDG电磁污水流量计水流量检定实验

LDG电磁污水流量计基于PWM控制的脉冲励磁系统可以实现更 高的励磁频率，有效地抑制浆液噪声，但是，能否 保证水流量测量的精度和稳定性，需要实验验证。 为此，利用准确度等级为0. 2的水流量检定装置，LDG电磁污水流量计采用容积法，LDG电磁污水流量计对研制的基于PWM控制的脉冲励磁 系统进行水流量检定实验。水流量检定的小流 速为0.49 m/s，大流速为7. 13 m/s，共检定了 12个流量点，每点重复检定3次。LDG电磁污水流量计实验结果表明： 大测量误差小于0. 34%，重复性误差小于 0.04%，准确度优于0.5级。

4. LDG电磁污水流量计结论

（1）设计了基于PWM控制的脉冲励磁系统方 案，分析了工作原理，计算了励磁频率、励磁电流稳 态阶段的调制频率、励磁功耗和阻抗。
（2）研制基于PWM控制的脉冲励磁系统，实 现了更高的励磁频率。当励磁供电电源升高至80 V时，励磁电流进入稳态的时间仅为0.8 ms，可以实 现160 Hz的励磁频率。励磁系统能产生比较稳定 的励磁电流值，在励磁电流稳定时，励磁电流的波动 小于 5 mA。
（3）基于PWM控制的脉冲励磁系统的励磁电 流更大，而消耗的功率仅为基于高低压电源切换的 53. 64%，有效地解决了励磁系统的发热问题。
（4）水流量检定结果表明，基于PWM控制的 脉冲励磁系统的LDG电磁污水流量计的测量准确度优于0. 5 级，这说明研制的励磁系统能为LDG电磁污水流量计的高精 度测量提供保证。
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