電子負(fù)載調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)——畢業(yè)論文

1、<p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p>　　ABSTRACTII</p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1課題研究背景1</p><p>　　1.2

2、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀2</p><p>　　1.3課題研究?jī)?nèi)容4</p><p>　　2 電子負(fù)載的功能與拓?fù)?</p><p>　　2.1直流電子負(fù)載的基本功能5</p><p>　　2.1.1電子負(fù)載的功能5</p><p>　　2.1.2電子負(fù)載的工作范圍6</p><p>　　2.

3、2電子負(fù)載的設(shè)計(jì)要求7</p><p>　　2.3電子負(fù)載方案選擇7</p><p>　　2.4電子負(fù)載拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析7</p><p>　　3 電子負(fù)載在MATLAB/Simulink下的建模與仿真11</p><p>　　3.1電子負(fù)載的開環(huán)響應(yīng)11</p><p>　　3.2電子負(fù)載誤差放大器調(diào)節(jié)14&

4、lt;/p><p>　　3.2.1誤差放大器的選擇14</p><p>　　3.2.2系統(tǒng)誤差校正設(shè)計(jì)16</p><p>　　3.3電子負(fù)載N-Z法整定19</p><p>　　3.3.1傳遞函數(shù)的近似19</p><p>　　3.3.2響應(yīng)參數(shù)的整定20</p><p>　　3.4電子

5、負(fù)載建模結(jié)果分析22</p><p>　　3.5恒阻、恒壓、恒功率模式調(diào)節(jié)器的仿真23</p><p>　　3.6 仿真結(jié)果分析26</p><p>　　4 直流電子負(fù)載電路設(shè)計(jì)27</p><p>　　4.1電子負(fù)載功率電路的設(shè)計(jì)27</p><p>　　4.2電子負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)29</p>

6、<p>　　4.3電子負(fù)載采樣電路設(shè)計(jì)29</p><p>　　4.3.1電流采樣29</p><p>　　4.3.2電壓采樣30</p><p>　　4.4電子負(fù)載保護(hù)電路設(shè)計(jì)30</p><p>　　4.5電子負(fù)載數(shù)字控制電路設(shè)計(jì)32</p><p>　　4.5.1數(shù)字控制器原理32<

7、;/p><p>　　4.5.2數(shù)字控制器外環(huán)與模擬控制內(nèi)環(huán)的整定33</p><p>　　4.5.3數(shù)字控制流程圖35</p><p>　　4.6電子負(fù)載電源設(shè)計(jì)36</p><p>　　5 直流電子負(fù)載熱穩(wěn)定分析與機(jī)箱設(shè)計(jì)37</p><p>　　5.1電子負(fù)載熱穩(wěn)定分析37</p><p&

8、gt;　　5.2散熱片的影響因素及元件布局38</p><p>　　5.2.1高度、長(zhǎng)度對(duì)散熱片自然對(duì)流散熱的影響38</p><p>　　5.2.2厚度對(duì)散熱片自然對(duì)流散熱的影響39</p><p>　　5.2.3體積對(duì)散熱片自然對(duì)流散熱的影響39</p><p>　　5.2.4器件布局39</p><p>

9、;　　5.3 直流電子負(fù)載熱穩(wěn)定性仿真分析40</p><p><b>　　結(jié)束語(yǔ)42</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)43</b></p><p><b>　　致謝45</b></p><p><b>　　摘要</b></p&g

10、t;<p>　　隨著科技的發(fā)展，各類電力電子產(chǎn)品得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。然而目前對(duì)這些產(chǎn)品的試驗(yàn)多以滑線變阻器和電阻箱等作為負(fù)載。這些負(fù)載采用的是有級(jí)調(diào)節(jié)，阻值和負(fù)載特性曲線都是固定的，負(fù)載形式比較單一，而且也較功率小，并且占用了一定的安裝空間。因此，在電源測(cè)試系統(tǒng)中為了提高生產(chǎn)率，電子負(fù)載起著重要的作用。</p><p>　　本文首先敘述了電子負(fù)載國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀以及電子負(fù)載在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上的發(fā)展情

11、況。并簡(jiǎn)要概括了設(shè)計(jì)的任務(wù)和研究手段。接著對(duì)電子負(fù)載的基本拓?fù)溥M(jìn)行了比較與選擇。在此基礎(chǔ)上，又進(jìn)一步詳細(xì)介紹了該控制系統(tǒng)的硬件組成、控制方法以及熱分析等方面的內(nèi)容。在硬件設(shè)計(jì)中，對(duì)電子負(fù)載每個(gè)硬件模塊進(jìn)行分析。在控制方法部分中主要對(duì)電子負(fù)載采用的雙環(huán)控制進(jìn)行了詳細(xì)的分析。在熱分析部分中對(duì)電子負(fù)載散熱片及散熱功能進(jìn)行了分析。最后，本文就電子負(fù)載設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，進(jìn)行了歸納與總結(jié)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：電子負(fù)載；P

12、ID調(diào)節(jié)；前向差分；熱分析</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　With the development of science and technology, all kinds of electric and electronic products has been more widely used. However, tria

13、ls of these products and more as the load to slide wire rheostat and resistance box. These loads is the level adjustment, the resistance and the load curve are fixed, the load forms a single, but also smaller than the po

14、wer, and a certain amount of installation space. Therefore, in the power supply test system in order to improve productivity, electronic load play</p><p>　　This paper first describes the development of elect

15、ronic load research status at home and abroad as well as electronic load in the domestic market. And a brief summary of the task of designing and research tools.Then the basic topology of the electronic load comparison a

16、nd selection. On this basis,further details of the control system hardware, control methods and thermal analysis and other aspects of content. In the hardware design, electronic load for each hardware module. A detailed

17、analysis </p><p>　　Key words: Electronic load; PID regulator; forward difference; thermal analysis</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p><b>　　1.1課題研究背景</b></p>

18、<p>　　電力電子技術(shù)是近幾年來(lái)發(fā)展比較迅速的一種高新技術(shù)，它將電力技術(shù)、微電子技術(shù)及信息控制技術(shù)結(jié)合為一體，廣泛應(yīng)用于電氣傳動(dòng)、機(jī)電一體化、新能源、核電、航天、材料、激光等領(lǐng)域[1]。從國(guó)際到國(guó)內(nèi)，電源行業(yè)內(nèi)，制定了一系列的電源標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量和考核電源產(chǎn)品的質(zhì)量，如何科學(xué)快速地檢測(cè)電源產(chǎn)品的性能和指標(biāo)成了一大難題。靜態(tài)能耗式負(fù)載像電阻和電阻箱等，采用有級(jí)調(diào)節(jié)，負(fù)載形式單一，功率小?，F(xiàn)實(shí)中的實(shí)際負(fù)載形式比較復(fù)雜，通常都是動(dòng)態(tài)的，

19、即負(fù)載隨時(shí)間、頻率在不斷的變化，傳統(tǒng)的靜態(tài)負(fù)載越來(lái)越不能滿足電源測(cè)試的要求。因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者都在尋求可以替代的負(fù)載形式，產(chǎn)生了由電阻、電感、電容、晶體管和集成電路組成的電力電子負(fù)載。</p><p>　　負(fù)載是指連接在電路中的電源兩端的電子元件，把電能轉(zhuǎn)換成其他形式能的裝置，凡是對(duì)能夠消耗能量的器件都統(tǒng)稱為負(fù)載，而電子負(fù)載即為能消耗電能的負(fù)載[2]。常用的負(fù)載有電阻、馬達(dá)和燈泡等可消耗電源功率的元器件。不消耗功率

20、的元器件，如電容，也可接上去，但此情況為斷路。負(fù)載通常分為如下幾種：</p><p>　　感性負(fù)載:感性負(fù)載即具有電感的性質(zhì)，磁場(chǎng)和電流不能突變。當(dāng)負(fù)載電流滯后負(fù)載電壓一個(gè)相位差時(shí)，負(fù)載為感性，如負(fù)載為電動(dòng)機(jī)、變壓器。</p><p>　　容性負(fù)載:容性負(fù)載即具有電容的性質(zhì)，充放電和電壓不能突變，當(dāng)負(fù)載電流超前負(fù)載電壓一個(gè)相位差時(shí)，負(fù)載為容性，如負(fù)載為補(bǔ)償電容。</p>&l

21、t;p>　　阻性負(fù)載:當(dāng)電流和電壓沒(méi)有相位差時(shí)負(fù)載為純阻性負(fù)載，如家用的白熾燈、電爐[3]。</p><p>　　過(guò)去人們往往使用一些互連的低功率瓷盤電阻、滑線變阻器或電阻箱作為測(cè)試負(fù)載，這些負(fù)載分辨率低，阻值會(huì)因接觸不良和發(fā)熱發(fā)生變化。并且有如下缺點(diǎn)[4]：</p><p>　　設(shè)備笨重，攜帶不便，調(diào)節(jié)費(fèi)力，精度難以保證；</p><p>　　負(fù)載電流不能連

22、續(xù)調(diào)節(jié)，從零調(diào)到滿載在加電的狀態(tài)下，易接觸不良打火燒毀；</p><p>　　難以用于程控化、數(shù)字化的自動(dòng)化生產(chǎn)線上，更不能測(cè)試電源的動(dòng)態(tài)參數(shù)。</p><p>　　負(fù)載作為一個(gè)常規(guī)的電子設(shè)備在各種電子產(chǎn)品測(cè)試過(guò)程中起著重要的作用，其性能的好壞直接影響著測(cè)試結(jié)果的精度和準(zhǔn)確度。為了得到理想的測(cè)試結(jié)果，阻值精確、性能優(yōu)良的負(fù)載是必要的。常規(guī)的電阻負(fù)載(滑動(dòng)變阻器和電阻箱)由于其溫度的變化會(huì)引

23、起阻值的變化，當(dāng)電流很大時(shí)產(chǎn)生的熱噪聲及自身溫度驟然升高常常會(huì)影響測(cè)試結(jié)果。比如:在對(duì)一些高精度穩(wěn)壓電源、功率器件、電池等設(shè)備進(jìn)行參數(shù)檢測(cè)時(shí)，負(fù)載的性能會(huì)影響參數(shù)值的不精確。</p><p>　　隨著功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)和場(chǎng)效應(yīng)晶閘管等主要開關(guān)器件的出現(xiàn)以及電力電子變換器拓?fù)涞陌l(fā)展，現(xiàn)代電子負(fù)載是利用有源元件主動(dòng)從電源中吸收電流，一般由放大器和功率器件等電子元件組成的可

24、調(diào)負(fù)載，靠控制功率管或晶體管的導(dǎo)通量(占空比大小)，通過(guò)功率管的耗散功率消耗電能的設(shè)備。它能夠準(zhǔn)確檢測(cè)出負(fù)載電壓，精確調(diào)整負(fù)載電流，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)模擬負(fù)載短路，模擬負(fù)載是感性電阻或容性電阻，從而可以模擬真實(shí)環(huán)境中的負(fù)載即用電器，實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載電流的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)和控制[5]。</p><p>　　1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　電子負(fù)載主要由可控的電子器件組成，按照被測(cè)電源的類型可分為直流電

25、子負(fù)載和交流電子負(fù)載，按照能量流動(dòng)形式上分為能量消耗型和能量回饋型。直流電子負(fù)載主要用來(lái)測(cè)量直流電源或者電池，可以模擬恒流、恒壓、恒阻、恒功率等多種狀態(tài)，交流電子負(fù)載主要測(cè)量交流電源，它可以表現(xiàn)為感性負(fù)載、容性負(fù)載、阻性負(fù)載等多種負(fù)載形式。本文主要敘述直流電子負(fù)載，直流電子負(fù)載的能量消耗型有如下幾種。</p><p>　　晶體管式電子模擬負(fù)載</p><p>　　晶體管是通過(guò)一定的工藝，將

26、兩個(gè)PN結(jié)結(jié)合在一起的器件[6]。通過(guò)控制基極電流可以控制集極電流，從而可以達(dá)到控制晶體管作為一個(gè)可變負(fù)載的目的。如圖緒1所示，文獻(xiàn)[7]中采用大功率晶體管作為一個(gè)電子負(fù)載。</p><p>　　圖緒1 利用大功率晶體管制作的電子負(fù)載</p><p>　　通過(guò)調(diào)節(jié)Vshift就可以改變晶體管集電極和發(fā)射極兩端的電流，進(jìn)而改變晶體管兩端的電壓。</p><p>　　場(chǎng)

27、效應(yīng)管式電子模擬負(fù)載</p><p>　　場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)工作在不飽和區(qū)時(shí)，漏極與源極之間的伏安特性可以看作是一個(gè)受柵源電壓控制的可變電阻。伏安特性曲線的斜率基本取決于柵源電壓，阻值可跨越3～5個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，該區(qū)域又可稱為可調(diào)電阻區(qū)。用MOSFET做可變電阻具有工作速度快，可靠性好和控制靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，而且既無(wú)機(jī)械觸點(diǎn)，也無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，噪聲低，壽命長(zhǎng)[8]。但是MOSFET的通態(tài)電阻較大，且負(fù)載電流較

28、小。所以MOSFET適合模擬一些變化速度較快，但電流不大的實(shí)際負(fù)載。</p><p>　　文[9]給出了傳統(tǒng)的以MOSFET作為電子負(fù)載的原理圖，如圖緒2所示。由圖可以看出，通過(guò)運(yùn)放及反饋來(lái)控制MOSFET的柵極電壓，從而達(dá)到其內(nèi)阻變化的目的。</p><p>　　圖緒2 場(chǎng)效應(yīng)管式電子負(fù)載模擬圖</p><p>　　絕緣柵雙極型晶體管式模擬負(fù)載</p>

29、<p>　　絕緣柵雙極型晶體管，簡(jiǎn)稱IGBT，是MOSFET和晶體管技術(shù)結(jié)合而成的復(fù)合型器件，屬于電壓控制型器件。當(dāng)IGBT工作在不飽和區(qū)時(shí)，射極與基極之間的伏安特性可以看作是一個(gè)受柵極電壓控制的可變電阻。與晶體管相比，它的響應(yīng)速度快；與MOSFET相比，它的負(fù)載電流大。通態(tài)阻值變化范圍從0.01-2Ω變化。文獻(xiàn)[10]中采用IGBT來(lái)模擬動(dòng)態(tài)電弧，參見圖緒3。將事先已測(cè)得的電弧阻值變化通過(guò)對(duì)單片機(jī)編程，來(lái)控制IGBT柵極

30、電壓的變化，從而達(dá)到IGBT作為可變負(fù)載時(shí)的阻值變化。這種電子模擬負(fù)載是用來(lái)完成對(duì)弧焊電源動(dòng)特性的測(cè)試。</p><p>　　圖緒3 IGBT電子負(fù)載結(jié)構(gòu)框圖</p><p><b>　　能饋式電子負(fù)載</b></p><p>　　由于純電阻負(fù)載或電力電子器件能耗嚴(yán)重，造成資源浪費(fèi)，而且散發(fā)的熱量使負(fù)載的溫度升高，影響可靠和安全性，體積也比較笨

31、重，饋能型電子負(fù)載是一種新興的電子負(fù)載[11]，它采用開關(guān)方式的電力電子變換裝置，絕大部分電能最后回饋到電網(wǎng)中，節(jié)約能源，而且控制精確便捷，穩(wěn)定性好，具有廣泛的應(yīng)用前景。</p><p><b>　　綜合型電子負(fù)載</b></p><p>　　為了達(dá)到一個(gè)負(fù)載快速響應(yīng)并且消耗能量較少的目的，國(guó)外學(xué)者研制出了將上述能耗型電子負(fù)載與能饋型電子負(fù)載結(jié)合的電子負(fù)載。這種負(fù)載在

32、電源電壓低的情況下能夠吸收足夠量的電流，并且可以模擬負(fù)載變化率高的情形。</p><p>　　該電子負(fù)載綜合了上述兩種電子負(fù)載的優(yōu)勢(shì)，它的響應(yīng)迅速，能量消耗少[13]。但是這種電子負(fù)載仍然處于原型機(jī)的研究水平。</p><p>　　隨著近年來(lái)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的應(yīng)用不斷擴(kuò)展，電子負(fù)載的研究由能耗型向能饋型轉(zhuǎn)變，隨著逆變技術(shù)的不斷成熟，國(guó)內(nèi)外有關(guān)能饋型電子負(fù)載的論文有很多，眾多學(xué)者都在研究更經(jīng)濟(jì)、

33、高效的電子負(fù)載。國(guó)外對(duì)電子負(fù)載拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、并網(wǎng)回路控制等提出了很多觀點(diǎn)。</p><p>　　數(shù)字化也是電子負(fù)載發(fā)展的一大方向。采用數(shù)字處理器的新型電子負(fù)載，可以提高反應(yīng)速度，而且達(dá)到較高的精度，應(yīng)用在對(duì)精度有特別要求的場(chǎng)所。新型電子負(fù)載有較好的動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)特性，可以對(duì)線性電源、開關(guān)電源、變壓器等電子設(shè)備進(jìn)行多種測(cè)試，并且達(dá)到很好的效果。這種電子負(fù)載是結(jié)合了電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和微機(jī)的測(cè)控技術(shù)，它的體積很

34、小，節(jié)省了放置空間，而且降低了供電系統(tǒng)的容量等級(jí)，且各種性質(zhì)的工作模式可以通過(guò)微處理器控制上的按鍵來(lái)靈活切換[12]。</p><p>　　通過(guò)對(duì)網(wǎng)上有關(guān)電子負(fù)載零售商的觀察可以發(fā)現(xiàn)，在中國(guó)大陸，電子負(fù)載主要以國(guó)外產(chǎn)品居多，如安捷倫、Chroma等，與國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的電子負(fù)載相比，其體積更小，精度更高。</p><p><b>　　1.3課題研究?jī)?nèi)容</b></p&g

35、t;<p>　　本文首先研究直流電子負(fù)載系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，通過(guò)電子負(fù)載的基本拓?fù)浞治鲭娮迂?fù)載的工作情況，然后進(jìn)行電子負(fù)載控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)電子負(fù)載的建模，設(shè)計(jì)一款能夠迅速響應(yīng)給定的調(diào)節(jié)器，隨后對(duì)電子負(fù)載的控制芯片STM32F10X系列單片機(jī)以及外圍調(diào)理電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，使電子負(fù)載由模擬控制變?yōu)閿?shù)字控制，最后對(duì)電子負(fù)載進(jìn)行熱分析，保證電子負(fù)載工作在一個(gè)穩(wěn)定性良好的環(huán)境中。</p><p>　　第

36、一章主要介紹電子負(fù)載的研究背景和研究現(xiàn)狀。第二章主要是介紹電子負(fù)載的基本結(jié)構(gòu)和各種工作模式。第三章主要是設(shè)計(jì)電子負(fù)載的模擬控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。第四章是對(duì)電子負(fù)載電路的設(shè)計(jì)以及電子負(fù)載數(shù)字控制部分的計(jì)算。第五章是對(duì)電子負(fù)載進(jìn)行熱分析。</p><p>　　2 電子負(fù)載的功能與拓?fù)?lt;/p><p>　　2.1直流電子負(fù)載的基本功能</p><p>　　電子負(fù)載的表現(xiàn)形式多種多

37、樣，對(duì)于直流電子負(fù)載，在穩(wěn)態(tài)時(shí)，它表現(xiàn)為電阻性負(fù)載。根據(jù)電流變化規(guī)律的不同，電子負(fù)載可以模擬多種工作模式。最基本的工作模式有恒阻模式、恒流模式、恒壓模式和恒功率模式。</p><p>　　2.1.1電子負(fù)載的功能</p><p>　　電子負(fù)載用于測(cè)量電源對(duì)負(fù)載的響應(yīng)能力，它的響應(yīng)模式有靜態(tài)模式和動(dòng)態(tài)模式，靜態(tài)模式即表現(xiàn)為恒阻模式、恒流模式、恒壓模式和恒功率模式。</p>&l

38、t;p>　　恒阻模式：電子負(fù)載表現(xiàn)為恒阻性，負(fù)載電流的大小和外接電壓成正比，它的功能與變阻器相似，可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)阻值大小，而且所設(shè)阻值不隨溫度的改變而改變。伏安曲線如圖2.1所示。</p><p>　　圖2.1 電子負(fù)載恒阻模式V-I曲線</p><p>　　恒流模式：通過(guò)電子負(fù)載的調(diào)節(jié)，負(fù)載電流不因電壓的改變而改變。恒流模式主要測(cè)試電壓源或者電池的放電能力，以確定他們的性能。

39、伏安曲線如圖2.2所示。</p><p>　　圖2.2 電子負(fù)載恒流模式V-I曲線</p><p>　　恒壓模式：對(duì)于內(nèi)阻較大的電壓源或者電流源，通過(guò)調(diào)節(jié)電子負(fù)載等效的電阻值，在電子負(fù)載兩端的電壓保持不變的控制模式。此模式用于測(cè)試電流源的限流特性，可模擬電池的端電壓，比較適合用來(lái)測(cè)試恒流充電器的性能。伏安曲線如圖2.3所示。</p><p>　　圖2.3 電子負(fù)載恒

40、壓模式V-I曲線</p><p>　　恒功率模式：消耗在電子負(fù)載兩端的功率保持不變的模式。當(dāng)電壓升高時(shí)，電流會(huì)減小，電壓降低時(shí)，電流會(huì)增大?？傊?，電子負(fù)載會(huì)保持P=UI為定值。伏安曲線如圖2.4所示。</p><p>　　圖2.4 電子負(fù)載恒功率模式V-I曲線</p><p>　　電子負(fù)載的動(dòng)態(tài)模式有連續(xù)模式、脈沖模式和觸發(fā)模式，這種模式能使電子負(fù)載在兩種負(fù)載電流之

41、間反復(fù)切換，這些模式是用于測(cè)試電源的動(dòng)態(tài)性能。</p><p>　　電子負(fù)載的連續(xù)模式，是電子負(fù)載在設(shè)置A、B兩個(gè)值之后，電流或者電壓在這兩個(gè)值之間切換。在動(dòng)態(tài)模式下，電子負(fù)載每接到一個(gè)脈沖信號(hào)后，就會(huì)切換到設(shè)定值，在維持一定的脈寬后返回最初值。觸發(fā)模式是每接到一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，電子負(fù)載就會(huì)在設(shè)定值之間切換。</p><p>　　2.1.2電子負(fù)載的工作范圍</p><p&

42、gt;　　圖2.5 電子負(fù)載工作范圍曲線</p><p>　　對(duì)電子負(fù)載而言，總有一個(gè)工作的范圍，這個(gè)范圍如圖2.5所示，電子負(fù)載有電壓的上限，與電流的上限。在電壓較低時(shí)，由于電子負(fù)載器件的限制，電子負(fù)載吸收的電流有上限。同理，電子負(fù)載由于器件的耐壓值，電子負(fù)載的電壓在一定范圍內(nèi)有上限。在其他范圍內(nèi)，電子負(fù)載的限制因素為最大功率，圖中的曲線。</p><p>　　2.2電子負(fù)載的設(shè)計(jì)要求&

43、lt;/p><p>　　本文主要設(shè)計(jì)一款輸入電壓在40~60V，輸入最大功率在6000W的電子負(fù)載。電子負(fù)載能夠完成靜態(tài)的恒壓、恒流、恒阻、恒功率等模式，也可完成動(dòng)態(tài)的連續(xù)模式、脈沖模式和觸發(fā)模式。通過(guò)調(diào)節(jié)，電子負(fù)載能夠測(cè)定被測(cè)電源的響應(yīng)速度，紋波，輸出電流等。電流控制精度小于100mA，有過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)溫度、過(guò)功率保護(hù)，出風(fēng)口溫度小于65攝氏度。</p><p>　　根據(jù)以上設(shè)計(jì)要求，可以確

44、定電子負(fù)載的設(shè)計(jì)流程，如圖2.6所示。</p><p>　　圖2.6 電子負(fù)載設(shè)計(jì)流程</p><p>　　2.3電子負(fù)載方案選擇</p><p>　　由第一章中電子負(fù)載的分類可知，電子負(fù)載有多種設(shè)計(jì)方案，現(xiàn)對(duì)各個(gè)方案比較如下：</p><p>　　方案一：如圖2.7所示。在被測(cè)電源后接入一個(gè)DC/DC，將電能釋放于一個(gè)固定的負(fù)載上，如電阻，

45、或者將負(fù)載的電能回饋到電網(wǎng)中。通過(guò)調(diào)節(jié)DC/DC的輸出電壓使負(fù)載上的電流改變，進(jìn)而改變被測(cè)電源的輸出電流。</p><p>　　圖2.7 利用DC/DC變換器制作電子負(fù)載的方案</p><p>　　方案二：如圖2.8所示。在被測(cè)電源后并入多個(gè)晶體管，通過(guò)調(diào)節(jié)晶體管柵極電壓改變電源的輸出電流。</p><p>　　圖2.8 利用多個(gè)晶體管并聯(lián)的電子負(fù)載方案</p

46、><p>　　方案一中利用DC/DC變換器進(jìn)行控制相對(duì)較為復(fù)雜，為了適應(yīng)較寬的輸入范圍，需要進(jìn)行適合的拓?fù)溥x擇，并且要能夠承受大電流的沖擊。考慮到電感、電容的體積，DC/DC電路制作后體積較大。</p><p>　　方案二中利用晶體管并聯(lián)的結(jié)構(gòu)對(duì)被測(cè)電源進(jìn)行放電。由緒論中電子負(fù)載的分類可知，使用這種拓?fù)涞碾娮迂?fù)載吸收的電流不大，但是能夠快速的調(diào)節(jié)電流。成本以及體積與方案一相比都比較少。<

47、/p><p>　　綜合上述兩種方案，并且考慮電子負(fù)載設(shè)計(jì)的成本、體積等因素，以及電子負(fù)載控制方式的復(fù)雜程度，方案二是較為合理選擇。</p><p>　　2.4電子負(fù)載拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析</p><p>　　本設(shè)計(jì)中，電子負(fù)載的結(jié)構(gòu)主要以多個(gè)并聯(lián)的MOS管為主，電源的電能主要消耗在MOS管上。當(dāng)電流流過(guò)MOS管時(shí)，由于源極和漏極兩端的電壓差，在MOS管上會(huì)有功率消耗。由于柵源電

48、壓的大小決定流過(guò)MOS管電流的大小，因此，在MOS管上功率的消耗是可以控制的。最基本的控制拓?fù)溆腥缦聨追N。</p><p>　　（1）恒流模式基本拓?fù)?lt;/p><p>　　如圖2.9所示的是恒流模式的基本拓?fù)?，圖中的運(yùn)算放大器對(duì)采樣電阻上的電壓和參考電壓進(jìn)行比較，當(dāng)流過(guò)MOS管的電流增大時(shí)，采樣電阻上的電壓升高，運(yùn)算放大器的反向輸入端電壓升高，運(yùn)算放大器輸出電壓減小，最后引起MOS管上的電

49、流減小。當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，，因此只要改變的值，就可以改變流過(guò)采樣電阻上的電流。</p><p>　　圖2.9 電子負(fù)載恒流模式拓?fù)?lt;/p><p>　?。?）恒阻模式基本拓?fù)?lt;/p><p>　　如圖2.10所示電路為恒阻模式的基本拓?fù)洌淇刂品绞脚c恒流控制方式類似，但是該控制電路運(yùn)算放大器的同向輸入端是由待測(cè)電源處的電壓采樣而來(lái)，系統(tǒng)穩(wěn)定后可以有如下表達(dá)式：</

50、p><p><b>　　(1-1)</b></p><p><b>　　經(jīng)整理得</b></p><p><b>　　(1-2)</b></p><p>　　其中是電源側(cè)的輸入電壓，是采樣電阻，是電壓采樣放大倍數(shù)，由于已知，而是可以控制的，因此，當(dāng)外接電源電壓或電流發(fā)生波動(dòng)時(shí)，電子

51、負(fù)載等效的電阻不會(huì)改變。</p><p>　　圖2.10 電子負(fù)載恒阻模式拓?fù)?lt;/p><p>　?。?）恒壓模式基本拓?fù)?lt;/p><p>　　如圖2.11所示電路為恒壓模式的基本拓?fù)?，只有?dāng)電壓源的內(nèi)阻足夠大或者為恒流源時(shí)，該結(jié)構(gòu)才能成立。當(dāng)待測(cè)電源為內(nèi)阻較大的恒壓源時(shí)，且檢測(cè)到輸入電壓高于設(shè)定值時(shí)，運(yùn)算放大器會(huì)提高輸出電壓，進(jìn)而增加輸入電流，提高內(nèi)阻上的分壓，最

52、后降低在電子負(fù)載兩端的電壓。同理當(dāng)待測(cè)電源為恒流源時(shí)，如果檢測(cè)到電子負(fù)載兩端電壓高于設(shè)定電壓時(shí)，運(yùn)算放大器輸出電壓會(huì)增大，在MOS管上的壓降會(huì)減小，待測(cè)電源兩端電壓會(huì)減小。系統(tǒng)穩(wěn)定后的表達(dá)式為：</p><p><b>　　(1-3)</b></p><p>　　圖2.11 電子負(fù)載恒壓模式拓?fù)?lt;/p><p>　　（4）恒功率模式基本拓?fù)?l

53、t;/p><p>　　構(gòu)建一個(gè)恒功率模式的電子負(fù)載使用簡(jiǎn)單的模擬電路不容易實(shí)現(xiàn)，如圖2.12所示。</p><p>　　圖2.12 電子負(fù)載恒功率模式拓?fù)?lt;/p><p>　　恒功率電路中需要加入一個(gè)乘法器將電流和電壓進(jìn)行相乘，系統(tǒng)穩(wěn)定后的表達(dá)式為：</p><p><b>　　(1-4)</b></p>&l

54、t;p><b>　　化簡(jiǎn)后得：</b></p><p><b>　　(1-5)</b></p><p>　　因?yàn)橄到y(tǒng)穩(wěn)定后、和都不變，所以電子負(fù)載會(huì)保證恒功率狀態(tài)。</p><p>　　由于實(shí)際中利用模擬電路搭建乘法器并不方便，而且有一定誤差，因此利用數(shù)字控制器實(shí)現(xiàn)恒功率模式較為方便。</p><

55、p>　　3 電子負(fù)載在MATLAB/Simulink下的建模與仿真</p><p>　　由第一章內(nèi)容分析可知，對(duì)于恒流、恒壓、恒阻模式的電子負(fù)載，其基本拓?fù)漕愃疲虼藢?duì)運(yùn)算放大器、MOS管的選擇相對(duì)容易，不需要由于控制模式的不同而進(jìn)行大的改動(dòng)。利用Matlab/Simulink的仿真可以建立一個(gè)仿真模型，通過(guò)該模型可以確定拓?fù)涞恼_性，得到并計(jì)算相應(yīng)的仿真參數(shù)。</p><p>　　

56、假定電子負(fù)載的傳遞函數(shù)為G(s)，通過(guò)加入適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)器可以將電子負(fù)載變?yōu)橐粋€(gè)閉環(huán)穩(wěn)定的系統(tǒng)，調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為H(s)。控制圖如圖3.1所示。</p><p>　　圖3.1 電子負(fù)載控制方塊圖</p><p>　　3.1電子負(fù)載的開環(huán)響應(yīng)</p><p>　　由設(shè)計(jì)要求可知，電子負(fù)載工作在40~60V，能承受6000W功率。為了保證電子負(fù)載正常工作，采用6個(gè)1000

57、W模塊并聯(lián)，每個(gè)模塊最大吸收電流為25A。假定電子負(fù)載每個(gè)含有MOS管的支路最大工作電流為2A，即每一個(gè)模塊中有13個(gè)MOS管支路。為了方便控制，選擇每一模塊中有16個(gè)MOS管支路，選擇的采樣電阻和的分壓電阻，這樣可以保證負(fù)載在工作時(shí)不會(huì)因?yàn)殡妷狠^高或者電流較大燒壞MOS管。</p><p>　　先建立一個(gè)單支路開環(huán)的電子負(fù)載模型，即將圖3.1中的反饋回路斷開，令H(s)=1。在Matlab/Simulink下建

58、立系統(tǒng)模型，如圖3.2所示</p><p>　　圖3.2開環(huán)電子負(fù)載電路圖</p><p>　　其中，是線路以及上的電感，是分壓電阻，是采樣電阻。設(shè)置，，。對(duì)于選用的MOS管，可由其數(shù)據(jù)手冊(cè)計(jì)算出增益為，開通電壓，調(diào)制系數(shù)。對(duì)N溝道MOS管而言，如果，則，即MOS管的溝道未能開啟，MOS管處于截止區(qū)。如果，即MOS管的漏源電壓在零和柵源電壓減去導(dǎo)通電壓之間，有</p><

59、;p><b>　　(2-1)</b></p><p>　　這時(shí)MOS管工作在線性區(qū)，也就是可變電阻區(qū)。如果不變，則認(rèn)為，即電壓和電流成正比，MOS管兩邊的等效電阻為定值。</p><p>　　如果，即柵源電壓減去導(dǎo)通電壓在漏源電壓和零之間，有</p><p><b>　　(2-2)</b></p>&l

60、t;p>　　這時(shí)MOS管工作在飽和區(qū)。在飽和區(qū)，假定不變，則不論如何變化，基本恒定在一個(gè)固定值。圖3.3給出了MOS管的特性曲線。</p><p>　　圖3.3 N溝道MOS管特性曲線</p><p>　　當(dāng)MOS管柵源電壓在0~5.5V之間時(shí)，電流由0~2A變化。采樣電阻上電壓的變化范圍為0~1V，為了保證有效的調(diào)節(jié)范圍和適用于數(shù)字控制等方面，需要將上的電壓進(jìn)行放大處理，放大倍數(shù)由

61、數(shù)模轉(zhuǎn)換器的工作范圍決定，這里選擇放大3倍。在Simulink下的原理圖如圖3.4所示。</p><p>　　圖3.4 加入電流采樣放大器后的電子負(fù)載開環(huán)電路圖</p><p>　　其中，。運(yùn)算放大器和、構(gòu)成一個(gè)同向放大電路，將電流采樣信號(hào)放大為0~3V。</p><p>　　為了穩(wěn)定可靠的對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，首先要繪制出系統(tǒng)的波特圖，波特圖是線性非時(shí)變系統(tǒng)的傳遞函數(shù)對(duì)

62、頻率的半對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖，可以由系統(tǒng)的傳遞函數(shù)求得，也可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法繪制。由于系統(tǒng)的傳遞函數(shù)不容易求得，因此采用實(shí)驗(yàn)的方法，分別計(jì)算系統(tǒng)在不同頻率下的增益和相位差。</p><p>　　圖3.5 MOS管開環(huán)增益及相位測(cè)量圖</p><p>　　如圖3.5所示，首先在MOS管柵極加入直流偏置電壓，這個(gè)電壓能夠讓系統(tǒng)電流穩(wěn)定在2A，這是柵源電壓，在直流偏置上加入一個(gè)小的交流信號(hào)，這里選取100

63、mV，通過(guò)測(cè)量放大器上輸出電壓的交流成分，繪制出波特圖。如圖3.6所示。</p><p>　　圖3.6 電子負(fù)載波特圖</p><p>　　由圖3.6可知，系統(tǒng)的截止頻率在102kHz，穿越頻率在230kHz，相位裕度為-86度。為了保證系統(tǒng)的正常工作，需要加入一個(gè)調(diào)節(jié)器使系統(tǒng)能夠正常工作，并且對(duì)擾動(dòng)有較好的抑制作用的誤差放大器。</p><p>　　3.2電子負(fù)載

64、誤差放大器調(diào)節(jié)</p><p>　　3.2.1誤差放大器的選擇</p><p>　　如圖3.7所示，該誤差放大器電路在輸入端有一復(fù)阻抗，在反饋端有一復(fù)阻抗，增益為。</p><p>　　圖3.7 誤差放大器電路圖</p><p>　　將誤差放大器的增益或傳遞函數(shù)用它的復(fù)阻抗和寫出，即以復(fù)變量s表示，，常用的誤差放大器有三種，如圖3.8所示。&

65、lt;/p><p>　?。╝） 第一類誤差放大器</p><p>　?。╞） 第二類誤差放大器</p><p>　　（c） 第三類誤差放大器</p><p>　　圖3.8 常用的三種誤差放大器</p><p>　　這種誤差放大器補(bǔ)償?shù)姆椒?，首先是由威納波爾提出，先計(jì)算出誤差放大器所需要提供的相位裕度（相位提升），接下來(lái)根據(jù)

66、計(jì)算結(jié)果，在三種補(bǔ)償形式的電路中選擇其中的一種作為補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。實(shí)際元件的選擇可以遵循以下規(guī)則，即讓頻帶寬度范圍內(nèi)的零點(diǎn)和極點(diǎn)對(duì)稱分布：零點(diǎn)可以使帶寬以內(nèi)的相位上升，而極點(diǎn)可以使帶寬內(nèi)的增益下降。第一類誤差放大器的提升相位不大于0°，第二類誤差放大器的提升相位不大于75°，第三類誤差放大器的提升相位不大于160°。根據(jù)電子負(fù)載測(cè)量的波特圖，選擇有單一零點(diǎn)和極點(diǎn)的誤差放大器，即第二類誤差放大器。</p>

67、;<p>　　3.2.2系統(tǒng)誤差校正設(shè)計(jì)</p><p>　　第二類誤差放大器電路中含有一個(gè)初始極點(diǎn)，一個(gè)零點(diǎn)和一個(gè)極點(diǎn)，其傳遞函數(shù)為</p><p><b>　　(2-3)</b></p><p><b>　　化簡(jiǎn)后得</b></p><p><b>　　(2-4)<

68、/b></p><p>　　系統(tǒng)中的兩個(gè)時(shí)間常數(shù)為，，其中，因此。算得。</p><p>　　為了保證在時(shí)系統(tǒng)有最大的相位裕度，，取，則，。將以上參數(shù)代入Matlab模型，可以建立如圖3.9所示的模型。</p><p>　　圖3.9 由第二類誤差放大器建立的電子負(fù)載模型</p><p>　　由上文可知，運(yùn)算放大器1以及相應(yīng)的補(bǔ)償電容一起

69、形成的傳遞函數(shù)是圖3.1中的H(s)，MOS管以及相應(yīng)的電流采樣電路形成了圖3.1中的G(s)。</p><p>　　在輸入處加入一個(gè)初始為0，在t=1s時(shí)電流變?yōu)?A的階躍響應(yīng)，觀察系統(tǒng)的電流輸出情況，如圖3.10所示。</p><p>　　圖3.10 電子負(fù)載加入階躍響應(yīng)時(shí)電源電流與采樣電阻電壓變化圖</p><p>　　由圖3.10可知，系統(tǒng)在正常無(wú)擾動(dòng)情況下

70、工作時(shí)輸出特性良好，響應(yīng)速度快，能夠滿足設(shè)計(jì)需要。</p><p>　　如圖3.11所示，系統(tǒng)的擾動(dòng)為N(s)，引入擾動(dòng)的位置在調(diào)節(jié)器之后。通過(guò)加入擾動(dòng)可以觀測(cè)系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)的抵抗能力。系統(tǒng)的擾動(dòng)主要是來(lái)自電源電壓的擾動(dòng)。由于電源存在一定的紋波，電源輸出會(huì)在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，造成恒流模式下電子負(fù)載輸出電流出現(xiàn)波動(dòng)。紋波是附著于直流電平之上的包含周期性與隨機(jī)性成分的雜波信號(hào)，指在額定輸出電壓、電流的情況下，輸出電壓中的交

71、流電壓的峰值。</p><p>　　圖3.11 考慮擾動(dòng)時(shí)系統(tǒng)方框圖</p><p>　　低頻紋波產(chǎn)生原因是由于我國(guó)供電頻率是50Hz，所以它的紋波主要來(lái)自工頻50Hz變壓器，紋波電壓的頻率常常是50Hz的整數(shù)倍，大小取決于整流電路的類型。</p><p>　　開關(guān)器件也會(huì)產(chǎn)生的噪聲，隨著開關(guān)的開啟和關(guān)閉的切換，電感L中的電流也是在輸出電流的有效值上下波動(dòng)。所以在輸

72、出端也會(huì)出現(xiàn)一個(gè)與開關(guān)同頻率的紋波。</p><p>　　高頻紋波來(lái)源于開關(guān)變換電路。開關(guān)電源的開關(guān)管在導(dǎo)通和截止的時(shí)候，都會(huì)有一個(gè)上升和下降時(shí)間，這時(shí)候在電路中就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)與開關(guān)上升與下降 時(shí)間的頻率相同或者奇數(shù)倍頻的噪聲，一般為幾十MHz。同樣二極管在反向恢復(fù)瞬間，其等效電路為電阻電容和電感的串聯(lián)，會(huì)引起諧振，產(chǎn)生的噪聲頻率也為幾十MHz。還有高頻變壓器的漏感也會(huì)產(chǎn)生高頻干擾。這些噪聲一般叫做高頻紋波噪聲。&

73、lt;/p><p>　　為了觀察系統(tǒng)對(duì)電源紋波的影響，在模型中加入一個(gè)電源模擬電源輸出紋波，如圖3.12所示。設(shè)置交流電壓源的峰峰值為2V，頻率由100Hz開始。</p><p>　　圖3.12 電子負(fù)載加入擾動(dòng)后原理圖</p><p>　　由圖3.13可以看出，系統(tǒng)在上述情況下工作時(shí)，電子負(fù)載的調(diào)節(jié)器能快速響應(yīng)輸入的低頻紋波，但是對(duì)于高頻的信號(hào)響應(yīng)并不理想，在電流輸出

74、處有一定干擾信號(hào)存在。</p><p>　　圖3.13 電源有輸出紋波時(shí)電子負(fù)載加入階躍響應(yīng)時(shí)電源電流與采樣電阻電壓變化圖</p><p>　　作為電子負(fù)載，為了滿足動(dòng)態(tài)模式的功能，需要在電子負(fù)載輸入給定加入一系列的方波，并且保證電子負(fù)載在電源側(cè)呈現(xiàn)相應(yīng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，將圖3.10中的階躍輸入信號(hào)改為方波輸入信號(hào)，頻率為10kHz。</p><p>　　圖3.14 電子

75、負(fù)載動(dòng)態(tài)模式響應(yīng)圖</p><p>　　由圖3.14可知，電子負(fù)載在動(dòng)態(tài)模式中，對(duì)于輸入給定有較大的超調(diào)，尤其是在給定較大時(shí)十分明顯。為了克服上述兩個(gè)問(wèn)題，在系統(tǒng)中需要重新設(shè)計(jì)PID調(diào)節(jié)器，抑制輸出超調(diào)，降低輸入電源干擾，并且保證電子負(fù)載對(duì)低頻紋波抑制能力強(qiáng)。</p><p>　　3.3電子負(fù)載N-Z法整定</p><p>　　John Ziegler和Nathan

76、iel Nichols發(fā)明了著名的回路整定技術(shù)使得PID算法在所有應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的反饋控制策略中是最常用的。Ziegler-Nichols整定技術(shù)是1942年第一次發(fā)表出來(lái)，直到現(xiàn)在還被廣泛地應(yīng)用著。</p><p>　　所謂的對(duì)PID回路的“整定”就是指調(diào)整控制器對(duì)實(shí)際值與設(shè)定值之間的誤差產(chǎn)生的反作用的積極程度。如果正巧控制過(guò)程是相對(duì)緩慢的話，那么PID算法可以設(shè)置成只要有一個(gè)隨機(jī)的干擾改變了過(guò)程變量或者一個(gè)

77、操作改變了設(shè)定值時(shí)，就能采取快速和顯著的動(dòng)作。</p><p>　　相反地，如果控制過(guò)程對(duì)執(zhí)行器是特別地靈敏而控制器是用來(lái)操作過(guò)程變量的話，那么PID算法必須在比較長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)應(yīng)用更為保守的校正力?；芈氛ǖ谋举|(zhì)就是確定對(duì)控制器作用產(chǎn)生的過(guò)程反作用的積極程度和PID算法對(duì)消除誤差可以提供多大的幫助。</p><p>　　3.3.1傳遞函數(shù)的近似</p><p>　

78、　在實(shí)際的過(guò)程中，有大量的對(duì)象模型可以近似地由一階純延遲慣性環(huán)節(jié)來(lái)表征其傳遞函數(shù)的數(shù)學(xué)模型，即。對(duì)于本系統(tǒng)，可以得到在低頻范圍內(nèi)與一階純延遲慣性環(huán)節(jié)近似的等效數(shù)學(xué)模型。利用上述得到的系統(tǒng)波特圖，電子負(fù)載在低頻的開環(huán)傳遞函數(shù)為。其波特圖如圖3.15所示：</p><p>　　圖3.15 利用N-Z法整定出的傳遞函數(shù)的波特圖</p><p>　　3.3.2響應(yīng)參數(shù)的整定</p>

79、<p>　　基于時(shí)域響應(yīng)的PID參數(shù)整定有兩種方法，對(duì)被控對(duì)象施加一個(gè)階躍信號(hào)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)出其響應(yīng)信號(hào)，則輸出信號(hào)可由圖3.16中的形狀近似確定參數(shù)K放大系數(shù)，容量滯后時(shí)間和T時(shí)間常數(shù)?；蛘咴O(shè)系統(tǒng)只有比例控制的閉環(huán)系統(tǒng)，則當(dāng)Kp增大時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)若能產(chǎn)生等幅振蕩，測(cè)出其振蕩周期P'和振幅Kp'，也可以整定PID參數(shù)。</p><p>　　圖3.16 被調(diào)量在階躍輸入下的變化曲線<

80、;/p><p>　　利用下表的整定參數(shù)，可以計(jì)算出系統(tǒng)在不同控制器下的不同參數(shù)。</p><p>　　表3-1 PID參數(shù)整定表</p><p>　　由系統(tǒng)的傳遞函數(shù)可知K=2.3878，，。由上表可知，，，。，。</p><p>　　如果數(shù)據(jù)是通過(guò)頻域響應(yīng)獲得的，可以先畫出其對(duì)應(yīng)的Nyquist曲線?？傻玫较到y(tǒng)的剪切頻率和極限增益，若令，同樣也

81、可以從表3-1給出的經(jīng)驗(yàn)公式可以得到PID控制器對(duì)應(yīng)的參數(shù)。</p><p>　　將上述參數(shù)代入PID調(diào)節(jié)器模塊中，將系統(tǒng)構(gòu)建成如圖所示的模型，經(jīng)過(guò)仿真后有如圖3.17所示的波形。</p><p>　　圖3.17 N-Z法整定后系統(tǒng)的階躍響應(yīng)</p><p>　　在輸入處加入矩形波信號(hào)，并觀察系統(tǒng)的響應(yīng)情況，如圖3.18所示。</p><p>

82、;　　圖3.18 系統(tǒng)對(duì)方波輸入信號(hào)的響應(yīng)</p><p>　　由圖可知，系統(tǒng)對(duì)動(dòng)態(tài)模式中，系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度較慢，雖然系統(tǒng)能夠沒(méi)有超調(diào)的完成響應(yīng)，但是上升時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。調(diào)節(jié)PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)，使其更滿足于系統(tǒng)響應(yīng)，經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)，PID參數(shù)如下：，，，經(jīng)過(guò)仿真，得到如圖3.19所示波形：</p><p>　　圖3.19 重新整定后系統(tǒng)對(duì)方波信號(hào)的響應(yīng)</p><p>　　由圖3.

83、19中可知，經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)后的PID參數(shù)可以很好的滿足系統(tǒng)需求，在給定突然上升過(guò)程中夠無(wú)超調(diào)的迅速的穩(wěn)定下來(lái)。</p><p>　　利用Matlab中PID Tuner可以整定出與上述響應(yīng)近似的結(jié)果，如圖3.20所示。</p><p>　　圖3.20利用PID Tuner響應(yīng)結(jié)果分析</p><p>　　3.4電子負(fù)載建模結(jié)果分析</p><p>

84、　　1）有關(guān)電子負(fù)載的數(shù)學(xué)模型的分析</p><p>　　電子負(fù)載是一個(gè)單輸入單輸出的系統(tǒng)，輸入量為MOS管柵源極電壓，輸出量為流過(guò)MOS管的電流，也可以認(rèn)為是在電源測(cè)等效的電阻。由MOS管在飽和區(qū)的工作特性可知，在溝道調(diào)制效應(yīng)忽略不計(jì)的情況下，流過(guò)MOS管的電流和柵源電壓減去導(dǎo)通電壓的平方成正比，當(dāng)柵源電壓發(fā)生微小的變化的時(shí)候，MOS管上的電流會(huì)發(fā)生顯著的變化。由上述結(jié)論與MOS管的工作特性可知，在系統(tǒng)輸入端加

85、入一個(gè)階躍信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)的輸出變化非?？?。即使考慮MOS管輸入電容，該電容與線路上的驅(qū)動(dòng)電阻的時(shí)間常數(shù)小于，完全可以忽略，這也可以解釋將系統(tǒng)歸為一階純延遲慣性環(huán)節(jié)時(shí)，時(shí)間常數(shù)T和都非常小的原因。</p><p>　　2）有關(guān)系統(tǒng)超調(diào)的分析</p><p>　　對(duì)于上述設(shè)計(jì)中系統(tǒng)發(fā)生較大超調(diào)的原因：系統(tǒng)在工作中積分項(xiàng)的初值不為零，因此當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生突變時(shí)，積分項(xiàng)對(duì)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)不能達(dá)到預(yù)期的效果，

86、會(huì)出現(xiàn)較大的超調(diào)。在使用Ziegler-Nichols法整定時(shí)，對(duì)PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行了重置。當(dāng)輸入給定的變化量很大時(shí)，PID調(diào)節(jié)器會(huì)重置，保證積分項(xiàng)、微分項(xiàng)的初值為零。</p><p>　　3）有關(guān)微分器的說(shuō)明</p><p>　　在實(shí)際的應(yīng)用中純凈的微分環(huán)節(jié)從來(lái)不會(huì)應(yīng)用，因?yàn)樗鼤?huì)引入不必要的干擾。通常用一個(gè)一階低通濾波環(huán)節(jié)來(lái)代替，近似的PID控制傳遞函數(shù)就可以寫成如下形式：</p&g

87、t;<p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　其中N是一個(gè)系數(shù)，N越大，一階低通濾波環(huán)節(jié)越接近微分環(huán)節(jié)。</p><p>　　3.5恒阻、恒壓、恒功率模式調(diào)節(jié)器的仿真</p><p>　　利用上文中設(shè)計(jì)的PID調(diào)節(jié)器分別對(duì)電子負(fù)載的恒阻、恒壓模式進(jìn)行控制。對(duì)恒阻模式，建立如下模型，如圖3.21所示。</p&

88、gt;<p>　　圖3.21 恒阻模式仿真模型</p><p>　　設(shè)置仿真時(shí)間為0.02s，階躍時(shí)間為0.01s，電源側(cè)等效電阻由變?yōu)?，電源電壓直流量?0V，交流量電壓峰值為10V，頻率為10kHz。PID調(diào)節(jié)器參數(shù)仍為上文中N-Z法整定參數(shù)。仿真結(jié)果如圖3.22所示：</p><p>　　圖3.22 恒阻模式下電子負(fù)載輸入電流與待測(cè)電源電壓波形圖</p>

89、<p>　　由圖3.22可知，在恒阻模式下，不論系統(tǒng)電源如何波動(dòng)，電流和電壓的比值總是維持在設(shè)定值，當(dāng)電阻變小時(shí)，流過(guò)MOS管的電流會(huì)加大。系統(tǒng)對(duì)電阻的突然變化響應(yīng)速度很快，并且保證了較小的超調(diào)量。</p><p>　　對(duì)恒壓模式，被測(cè)電源選擇恒流源，電流輸出直流量在1.5A，交流量峰值為0.5A，頻率為10kHz，設(shè)置仿真時(shí)長(zhǎng)為0.02s，在0.01s時(shí)由電壓由40V上升到60V，構(gòu)建如圖3.23所示

90、的模型，仿真結(jié)果如圖3.22所示。</p><p>　　圖3.23 電子負(fù)載恒壓模式電路結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　圖3.24 電子負(fù)載恒壓模式響應(yīng)曲線</p><p>　　由圖3.24可知，在恒壓模式下，不論電流如何波動(dòng)，電壓總能穩(wěn)定在設(shè)定值，系統(tǒng)的超調(diào)量很小，響應(yīng)速度很快。</p><p>　　對(duì)恒功率電路，由于模擬電路不利于實(shí)現(xiàn)，因此需

91、要借助數(shù)字控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)，在本節(jié)僅采用Matlab中的乘法器代替數(shù)字部分。選擇輸出為50V的待測(cè)電源，調(diào)節(jié)器采用上文中整定的調(diào)節(jié)器。建立如圖3.25所示的原理圖。</p><p>　　圖3.25 電子負(fù)載恒功率模式原理圖</p><p>　　圖3.26 恒功率模式電子負(fù)載響應(yīng)圖</p><p>　　由仿真分析可知，在圖3.26所示的波形圖中，電子負(fù)載的調(diào)節(jié)能力較差，

92、系統(tǒng)出現(xiàn)了較大的超調(diào)，設(shè)計(jì)的調(diào)節(jié)器不適合電子負(fù)載的恒功率模式，因此需要利用數(shù)字控制系統(tǒng)在不影響響應(yīng)速度的情況下，減小系統(tǒng)的超調(diào)。電子負(fù)載數(shù)字調(diào)節(jié)的整定與計(jì)算在第三章中介紹。</p><p>　　3.6 仿真結(jié)果分析</p><p>　　下表對(duì)電子負(fù)載采用不同方法整定后上升時(shí)間、超調(diào)量等值的測(cè)量。</p><p>　　表3-2 電子負(fù)載不同調(diào)節(jié)器下性能指標(biāo)</p

93、><p>　　由上表可知，利用N-Z法計(jì)算出的PID調(diào)節(jié)器在上系統(tǒng)上升時(shí)間有很大的優(yōu)勢(shì)，超調(diào)量與利用誤差調(diào)節(jié)器補(bǔ)償后的電子負(fù)載基本相同。原因是利用N-Z法整定出的PID調(diào)節(jié)器讓電子負(fù)載有很寬的帶寬，這樣電子負(fù)載對(duì)輸入響應(yīng)變的十分迅速。但是利用N-Z法整定出的調(diào)節(jié)器參數(shù)在實(shí)際中并不實(shí)用。因?yàn)樗姆e分系數(shù)很大，超過(guò)，在實(shí)際電路中很難實(shí)現(xiàn)，其次N-Z法整定的微分參數(shù)很小，應(yīng)用于電路中也比較困難。</p>&l

94、t;p>　　4 直流電子負(fù)載電路設(shè)計(jì)</p><p>　　4.1電子負(fù)載功率電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　由第二章內(nèi)容可知，MOS管串聯(lián)電阻為15歐姆，以下為該電阻的計(jì)算依據(jù)。</p><p>　　依照上文所述，電子負(fù)載功率部分主要由多個(gè)MOS管并聯(lián)而成，主要影響MOS管工作的因素為MOS管上的耗散功率，即：</p><p>　　其中

95、Vs是電源電壓，I是電源電流，R是與MOS管串聯(lián)的電阻。上述等式的約束條件為，，，即在MOS管上消耗的功率小于MOS管最大的耗散功率，流過(guò)MOS管的電流小于等于2A以及電源電壓在40-60V之間。利用Matlab建立MOS管功耗的函數(shù)。</p><p>　　在Matlab中輸入如下的程序：</p><p>　　[x,y,z]=meshgrid(40:1:60,0:0.25:2,0:1:20

96、);</p><p>　　v=y.*(x-y.*z);</p><p>　　for(i=40:5:60);</p><p>　　for(j=0:0.5:2);</p><p>　　for(k=0:2:20);</p><p>　　slice(x,y,z,v,i,j,k)</p><p><

97、b>　　hold on</b></p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　hold off</b></p>

98、<p>　　運(yùn)行后可以很清楚的觀察到MOS管上消耗的功率隨串聯(lián)電阻、電源電壓和電流的影響。如圖4.1所示。</p><p>　　由圖可知，當(dāng)電阻選擇過(guò)小時(shí)，MOS管上消耗的功率會(huì)提升很多，超過(guò)設(shè)計(jì)的安全裕量，如果電阻選擇過(guò)大，則在電阻上消耗的功率過(guò)大，也會(huì)超過(guò)電阻安全裕量。對(duì)功率電阻而言，功率越大，體積越大，綜合考慮MOS管和電阻的功率消耗和電子負(fù)載的體積，選擇的電子負(fù)載串聯(lián)電阻較為合適。</p

99、><p>　　圖4.1 電子負(fù)載輸入電壓、電流、串聯(lián)電阻與MOS管功耗關(guān)系圖</p><p>　　通過(guò)對(duì)市場(chǎng)上現(xiàn)階段MOS管耗散功率的比對(duì)，發(fā)現(xiàn)在MOS管為25攝氏度時(shí)，其耗散功率小于400W，每升高一度，最大耗散功率減少2W，假定電子負(fù)載在滿負(fù)荷時(shí)工作在65攝氏度，則MOS管的最大耗散功率小于270W，考慮MOS管工作的安全裕量等因素，單個(gè)MOS管承受的耗散功率小于100W，利用上述程序建立

100、的模型，可以看出選擇15歐姆的串聯(lián)電阻。對(duì)比不同的MOS管型號(hào)后，選擇IRFP260N作為調(diào)整電流的器件。在MOS管上電阻的功耗最大為60W，選擇100W的金屬電阻作為功率電阻。</p><p>　　IRFP260N是一款TO-247A封裝的HEXFET功率MOS管，耐壓200V，導(dǎo)通電阻0.04歐姆，25度耗散功率為300W，每升高1攝氏度最大耗散功率下降2W，輸入電容為4057pF，輸出電容為603pF。功率

101、部分電路如圖4.2所示。</p><p>　　圖4.2電子負(fù)載功率電路原理圖</p><p>　　其中為功率管，為采樣電阻，為串聯(lián)電阻。</p><p>　　4.2電子負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)</p><p>　　電子負(fù)載的驅(qū)動(dòng)電路主要要求能迅速、精確的將MOS管柵源電壓穩(wěn)定，迅速的響應(yīng)系統(tǒng)的給定。</p><p>　　圖4.

102、3 電子負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路原理圖</p><p>　　如圖4.3所示的電路，是電流采樣的輸入端，是電壓給定端。、、、構(gòu)成一個(gè)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，保證運(yùn)算放大器在工作時(shí)輸出穩(wěn)定，這些元件的參數(shù)與上文中調(diào)節(jié)器的參數(shù)近似或者相同，有上文中提到的調(diào)節(jié)器的優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)，但是主要控制器為數(shù)字控制部分，本調(diào)節(jié)器僅起到輔助作用。運(yùn)算放大器選用LF412，主要是因?yàn)樗膲簲[率較高為10V/us，帶寬較寬，輸出電流較大，能夠迅速的響應(yīng)輸入給定。<

103、;/p><p>　　4.3電子負(fù)載采樣電路設(shè)計(jì)</p><p><b>　　4.3.1電流采樣</b></p><p>　　電流采樣電路如圖4.4所示</p><p>　　圖4.4 電流采樣電路原理圖</p><p>　　其中是串聯(lián)在支路上的采樣電阻，是一個(gè)偏置電阻，、、構(gòu)成一個(gè)濾波電路。濾波器的增益

104、為，截止頻率為。為了滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需要，調(diào)節(jié)，使采樣電路的增益為9.54dB。</p><p><b>　　4.3.2電壓采樣</b></p><p>　　電壓采樣電路主要以準(zhǔn)確的電壓采樣為目地，并通過(guò)一系列的信號(hào)調(diào)理過(guò)程將電源電壓減小至單片機(jī)可以檢測(cè)的范圍。</p><p>　　圖4.5 電壓采樣電路與增益調(diào)節(jié)電路原理圖</p>

105、<p>　　如圖4.5所示，電壓采樣電路，經(jīng)、分壓后由運(yùn)算放大器輸入至DA的參考電壓引腳處。其中運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)為一倍，輸出電壓值在1.18V~1.76V。TLV5618是一款數(shù)模轉(zhuǎn)換器，它的輸出電壓為，N為輸入給定值。經(jīng)過(guò)上述調(diào)理電路處理后輸出電壓隨電源電壓變化，并且可由單片機(jī)進(jìn)行倍率控制。通過(guò)檢測(cè)處電壓或者檢測(cè)運(yùn)算放大器輸出電壓，即可計(jì)算出電源電壓的大小。運(yùn)算放大器OP27是一款高速、高增益、高共模抑制比、低噪聲的運(yùn)

106、算放大器，非常適合檢測(cè)電路的前級(jí)調(diào)理。</p><p>　　4.4電子負(fù)載保護(hù)電路設(shè)計(jì)</p><p>　　電子負(fù)載需要防止輸出過(guò)流以及輸入過(guò)壓或者欠壓。為了應(yīng)對(duì)上述情況，需要設(shè)計(jì)能夠快速響應(yīng)過(guò)電壓、電流等情況的電路。</p><p>　　圖4.6 過(guò)流保護(hù)電流原理圖</p><p>　　圖4.6中是加法電路，它將每一路電流采樣的電流值相加，

107、由調(diào)節(jié)輸出值的倍數(shù)，是一個(gè)遲滯比較電路，比較的上門限電壓為+5V，下門限電壓在-2.35V，當(dāng)電流值經(jīng)過(guò)加權(quán)后大于設(shè)計(jì)的門限值時(shí)，輸出由一個(gè)大于零的電壓變?yōu)橐粋€(gè)小于零的電壓，經(jīng)過(guò)比較器后將MOS管的柵源電壓降低，直至關(guān)斷。若要恢復(fù)電子負(fù)載的功能，需要將驅(qū)動(dòng)繼電器將的2腳處電壓降低至-2.35V以下，這時(shí)輸出為高，這是MOS管才能正常工作。</p><p>　　對(duì)于過(guò)壓和欠壓情況，只需對(duì)電壓采樣后的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，判

108、斷是否在給定范圍內(nèi)即可。</p><p>　　圖4.7 過(guò)溫保護(hù)電路原理圖</p><p>　　溫度保護(hù)采用KSD-70溫度開關(guān)，當(dāng)溫度超過(guò)70攝氏度時(shí)它會(huì)自動(dòng)閉合，在如圖4.7所示的電路中，是電流采樣后的輸入點(diǎn)。用于溫度保護(hù)的溫度開關(guān)和支路上電流檢測(cè)電路利用兩個(gè)二極管進(jìn)行“與”的關(guān)系，當(dāng)溫度過(guò)高或者電流較大時(shí)會(huì)在O處給一個(gè)高電平的信號(hào)，這個(gè)信號(hào)不會(huì)關(guān)閉電子負(fù)載，但是該信號(hào)接通至電子負(fù)載的

109、控制單元，由控制單元采取必要的動(dòng)作。</p><p>　　4.5電子負(fù)載數(shù)字控制電路設(shè)計(jì)</p><p>　　4.5.1數(shù)字控制器原理</p><p>　　電子負(fù)載數(shù)字控制器采用STM32F10X系列單片機(jī)控制，STM32F系列屬于中等容量增強(qiáng)型，32位基于ARM核心的帶64或者128K字節(jié)閃存的微控制器。</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用數(shù)字

110、PID調(diào)節(jié)器，以完善系統(tǒng)對(duì)動(dòng)態(tài)性能的要求。</p><p>　　在連續(xù)-時(shí)間控制系統(tǒng)中，PID控制器應(yīng)用得非常廣泛。其設(shè)計(jì)技術(shù)成熟，長(zhǎng)期以來(lái)形成了典型的結(jié)構(gòu)，參數(shù)整定方便，結(jié)構(gòu)更改靈活，能滿足一般的控制要求。</p><p>　　數(shù)字PID控制比連續(xù)PID控制更為優(yōu)越，因?yàn)橛?jì)算機(jī)程序的靈活性，很容易克服連續(xù)PID控制中存在的問(wèn)題，經(jīng)修正而得到更完善的數(shù)字PID算法。</p>

111、<p>　　PID控制器是一種線性的控制器，它根據(jù)給定值r(t)與實(shí)際值y(t)構(gòu)成控制偏差e(t)=r(t)-y(t)</p><p><b>　　PID控制規(guī)律為</b></p><p><b>　　(3-1)</b></p><p>　　以一些列的采樣時(shí)刻點(diǎn)kT代表連續(xù)時(shí)間t，以矩形法數(shù)值積分近似代替積分，

112、以一階后向差分近似代替微分進(jìn)行離散化，即</p><p><b>　　(3-2)</b></p><p>　　代入(3-1)式可得離散PID表達(dá)式</p><p><b>　　(3-3)</b></p><p>　　式中，。T為采樣周期，k為采樣序號(hào)，e(k)為第k次時(shí)刻所得的偏差信號(hào)。</p

113、><p>　　對(duì)于PID調(diào)節(jié)有很多算法，本設(shè)計(jì)采用變速積分PID算法。在普通PID控制算法中，由于積分系數(shù)ki是常數(shù)，所以在整個(gè)控制過(guò)程中，積分增量不變，而系統(tǒng)對(duì)積分項(xiàng)的要求是，系統(tǒng)偏差大時(shí)積分作用減弱甚至全無(wú)，而在偏差小時(shí)則應(yīng)加強(qiáng)。積分系數(shù)大了會(huì)產(chǎn)生超調(diào)，甚至積分飽和，取小了又遲遲不能消除靜差。因此根據(jù)系統(tǒng)偏差大小改變積分的速度對(duì)提高系統(tǒng)品質(zhì)很重要。變速積分PID的基本思路是設(shè)法改變積分的累加速度，使其與偏差大小相