基于反馈控制的恒流型电子负载系统

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在测量AC-DC和DC-DC电源、功率器件、电池、电池充电器等输出能量或消耗能量时都需要负载，传统的方法是利用固定电阻和可变电阻器来充当被测负载。一种新兴的电子仪器和测试设备---电子负载应运而生，他利用功率器件模拟电阻器，具有很强的操作灵活性。目前，电子负载技术发展的比较成熟，就其类型来说，一般有具有定电流（ CC）、定电阻（ CR）、定电压（ CV）、定功率（ CP）等工作模式。研究和开发新型的低成本的电子负载也成为一项有意义的工作。
           
          　　1 恒流型（CC）电子负载结构框图介绍
          　　恒流型（ CC）电子负载是用来测试电压源的多种性能的专门设备。本文介绍一款恒流型电子负载的新方案，他基于反馈控制理论，采用模拟PI调解器，控制N沟道大功率 MOSFETDE的导通强度，实现对被测电流的无静差控制。其控制精度高，电路简单，成本低廉。图1为恒流型电子负载的结构框图。直流稳压电源框是一款直 流稳压电源电路，他提供恒流设定电压、PI调节器工作电压、电流检测和转换电路的工作电源，要求必须具有的功率输出和较高的电压稳定指标。恒流设定电路可 提供线性的可调负极性电压输出。PI调节器由普通的运算放大器构成， PI参数用实验的方法调为最佳。执行机构为N沟道MOS管或MOS管组。
           

       

         

          　　2 控制电路设计及实验研究
          　　要实现一个无静差调节控制，就必须采用比例积分）微分控制规律。对本控制对象，采用比例）积分（ PI）控制就能满足要求。硬件电路如图2所示。电路主要由倒相器， PI调节器， MOS管和霍尔电流传感器组成。设计时一般从控制对象或执行单元进行。首先需要确定的是执行单元的传递函数，即MOS管的放大系数Ks的确定。
           

       

         

          　　2.1 MOS管的放大系数KS的确定
          　　测试电路如图3所示。被测电压源功率足够大，输出电流满足测试要求。调节给定电位器W,测取MOS 管G极电压UG和流过MOS管D-S极的电流IO得到一组实验数据记录在表1中，从表中可以看出，当UG≤2. 5 V时，MOS管不导通， IO= 0,称为死区。在UG>2. 5 V后， MOS管开始导通，当UG> 3. 3 V后，其关系呈线性变化。在线性段求取KS.
           
          　　2.2 电流反馈系数β的确定
          　　也就是霍尔电流传感器转换系数的确定。设计中用到的电流传感器为霍尔传感器，输入为电流，输出为电压，经测试确定霍尔系数K = 0. 8 V/ A,即当传感器的输入端电流为1 A时，输出端的电压为0.8V.β= K = 0. 8 V/A
           
          　　2.3 PI调节器静态放大系数KP的确定
          　　根据负反馈闭环控制原理有： K =βKP KS = 1 得：KP = 1/ βKS△0. 875V/A.根据此值，选取调节器输入、输出电阻值，以满足RF/RI = KP.
           
          　　2.4 各电压极性的确定和控制原理简述
          　　各电压极性一般是由后向前推得， MOS管的控制电压UG为正（ + ） ,也就要求PI调节器的输出为正（ + ） ,又考虑到霍尔电流传感器的输出始终为正（ + ） ,为了构成负反馈控制，则PI调节器的给定电压应为负（ - ）。所以PI调节器采用负相输入，由前一级的倒相器将由电位器W产生的可调正电压变为可调的负电压，作为恒流设定值加在调节器的输入极，与由霍尔电流传感 器提供的电流反馈电压进行比较，根据偏差量和正负极性由PI调节器实现比例积分调节，以实现电流（ I O ）恒定。改变积分电容的大小，以满足响应快速性和稳定性要求。
           
          　　3 实验研究结果
          　　表2是实验实测数据，从数据规律看， UGD （电位器W）和MOS管漏、源极电流IO成较好的线性关系。且IO / UGD= 1/ β= 1/ 0. 8= 1. 25.实验中的调节响应的快速性和抗扰性能都能调为最佳。
           

       

         

          　　4 几点说明和改进措施
          　　（1）由于采用了PI调节器， MOS管的死区不必专门设计电路来消除， MOS管的非线性在闭环内自行消除。
           
          　　（2）根据被测设备的性质（阻性，感性，容性） ,总可以通过调节PI参数，以保证其快速性，稳定性和抗扰性要求。
           
          　　（3）该系统具有很强的可扩展性能。可实现数字给定和调节控制。
           
          　　（4）对于要求测试电流较大时，可以考虑用多只MOS管的并联组合来扩大负载容量，如图4所示为2只MOS管的并联组合，在此情形下，K`S= mKS; K`P = KP/m,m为所并MOS管的个数。
           

       

          　　（5）当扩容后，需要考虑增加MOS管驱动电路。
           
          　　（6）此电路中没有耗能元件，所有的负载功率消耗仅由环路内元件承担，主要是MOS管自耗。受MOS管自身的功耗性能限制，允许流过的电流不可能太大，即使采用并联电路等扩容措施。所以正常使用时要充分考虑MOS管的散热。