|
| 基于反饋控制的恒流型電子負(fù)載的實(shí)驗(yàn)研究 |
楊長安，王蔚，趙亮，王光中
(陜西理工學(xué)院 陜西漢中 723003) |
在測量AC-DC和DC-DC電源、功率器件、電池、電池充電器等輸出能量或消耗能量時(shí)都需要負(fù)載，傳統(tǒng)的方法是利用固定電阻和可變電阻器來充當(dāng)被測負(fù)載。一種新興的電子儀器和測試設(shè)備一-電子負(fù)載應(yīng)運(yùn)而生，他利用功率器件模擬電阻器，具有很強(qiáng)的操作靈活性。目前，電子負(fù)載技術(shù)發(fā)展的比較成熟，就其類型來說，一般有具有定電流(CC)、定電阻(CR)、定電壓(CV)、定功率(CP)等工作模式。研究和開發(fā)新型的低成本的電子負(fù)載也成為一項(xiàng)有意義的工作。
1 恒流型(CC)電子負(fù)載結(jié)構(gòu)框圖介紹
恒流型(CC)電子負(fù)載是用來測試電壓源的多種性能的專門設(shè)備。本文介紹一款恒流型電子負(fù)載的新方案，他基于反饋控制理論，采用模擬PI調(diào)解器，控制N溝道大功率MOSFETDE的導(dǎo)通強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)對被測電流的無靜差控制。其控制精度高，電路簡單，成本低廉。圖1為恒流型電子負(fù)載的結(jié)構(gòu)框圖。直流穩(wěn)壓電源框是一款直流穩(wěn)壓電源電路，他提供恒流設(shè)定電壓、PI調(diào)節(jié)器工作電壓、電流檢測和轉(zhuǎn)換電路的工作電源，要求必須具有的功率輸出和較高的電壓穩(wěn)定指標(biāo)。恒流設(shè)定電路可提供線性的可調(diào)負(fù)極性電壓輸出。PI調(diào)節(jié)器由普通的運(yùn)算放大器構(gòu)成，PI參數(shù)用實(shí)驗(yàn)的方法調(diào)為最佳。執(zhí)行機(jī)構(gòu)為N溝道MOS管或MOS管組。
|
2 控制電路設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究
要實(shí)現(xiàn)一個(gè)無靜差調(diào)節(jié)控制，就必須采用比例一積分一微分控制規(guī)律。對本控制對象，采用比例一積分(PI) 控制就能滿足要求。硬件電路如圖2所示。電路主要由倒相器，PI調(diào)節(jié)器，MOS管和霍爾電流傳感器組成。設(shè)計(jì)時(shí)一般從控制對象或執(zhí)行單元進(jìn)行。首先需要確定的是執(zhí)行單元的傳遞函數(shù)，即MOS管的放大系數(shù)Ks的確定。
2．1 MOS管的放大系數(shù)Ks的確定
測試電路如圖3所示。被測電壓源功率足夠大，輸出電流滿足測試要求。調(diào)節(jié)給定電位器W，測取MOS管G極電壓UG和流過MOS管D-S極的電流IO得到一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄在表1中，從表中可以看出，當(dāng)UG≤2．5 V時(shí)，MOS管不導(dǎo)通，IO=0，稱為死區(qū)。在UG>2．5V后，MOS管開始導(dǎo)通，當(dāng)UG>3．3 V后，其關(guān)系呈線性變化。在線性段求取KS。
2．2 電流反饋系數(shù)β的確定
也就是霍爾電流傳感器轉(zhuǎn)換系數(shù)的確定。設(shè)計(jì)中用到的電流傳感器為霍爾傳感器，輸入為電流，輸出為電壓，經(jīng)測試確定霍爾系數(shù)K=0．8 V／A，即當(dāng)傳感器的輸入端電流為l A時(shí)，輸出端的電壓為O．8 V。β=K=0．8 V／A。
2．3 PI調(diào)節(jié)器靜態(tài)放大系數(shù)Kp的確定
根據(jù)負(fù)反饋閉環(huán)控制原理有：K=βKpKs=1得：Kp=l／βKs△0．875 V／A。根據(jù)此值，選取調(diào)節(jié)器輸入、輸出電阻值，以滿足RF／RI=Kp。
2．4 各電壓極性的確定和控制原理簡述
各電壓極性一般是由后向前推得，MOS管的控制電壓UG為正(+)，也就要求PI調(diào)節(jié)器的輸出為正(+)，又考慮到霍爾電流傳感器的輸出始終為正(+)，為了構(gòu)成負(fù)反饋控制，則PI調(diào)節(jié)器的給定電壓應(yīng)為負(fù)(一)。所以PI調(diào)節(jié)器采用負(fù)相輸入，由前一級的倒相器將由電位器w產(chǎn)生的可調(diào)正電壓變?yōu)榭烧{(diào)的負(fù)電壓，作為恒流設(shè)定值加在調(diào)節(jié)器的輸入極，與由霍爾電流傳感器提供的電流反饋電壓進(jìn)行比較，根據(jù)偏差量和正負(fù)極性由PI調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)比例一積分調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)電流(IO)恒定。改變積分電容的大小，以滿足響應(yīng)快速性和穩(wěn)定性要求。
3 實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果
表2是實(shí)驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)規(guī)律看，UGD(電位器w)和MOS管漏、源極電流IO成較好的線性關(guān)系。且IO／UGD=1／β=1／0．8=1．25。實(shí)驗(yàn)中的調(diào)節(jié)響應(yīng)的快速性和抗擾性能都能調(diào)為最佳。
4 幾點(diǎn)說明和改進(jìn)措施
(1)由于采用了PI調(diào)節(jié)器，MOS管的死區(qū)不必專門設(shè)計(jì)電路來消除，MOS管的非線性在閉環(huán)內(nèi)自行消除。
(2)根據(jù)被測設(shè)備的性質(zhì)(阻性，感性，容性)，總可以通過調(diào)節(jié)PI參數(shù)，以保證其快速性，穩(wěn)定性和抗擾性要求。
(3)該系統(tǒng)具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性能�？蓪�(shí)現(xiàn)數(shù)字給定和調(diào)節(jié)控制。
(4)對于要求測試電流較大時(shí)，可以考慮用多只MOS管的并聯(lián)組合來擴(kuò)大負(fù)載容量，如圖4所示為2只MOS管的并聯(lián)組合，在此情形下，Ks'=mKs；Kp'=Kp／m，m為所并MOS管的只數(shù)。
4 幾點(diǎn)說明和改進(jìn)措施
(1)由于采用了PI調(diào)節(jié)器，MOS管的死區(qū)不必專門設(shè)計(jì)電路來消除，MOS管的非線性在閉環(huán)內(nèi)自行消除。
(2)根據(jù)被測設(shè)備的性質(zhì)(阻性，感性，容性)，總可以通過調(diào)節(jié)PI參數(shù)，以保證其快速性，穩(wěn)定性和抗擾性要求。
(3)該系統(tǒng)具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性能�？蓪�(shí)現(xiàn)數(shù)字給定和調(diào)節(jié)控制。
(4)對于要求測試電流較大時(shí)，可以考慮用多只MOS管的并聯(lián)組合來擴(kuò)大負(fù)載容量，如圖4所示為2只MOS管的并聯(lián)組合，在此情形下，Ks'=mKs；Kp'=Kp／m，m為所并MOS管的只數(shù)。 |
| 本文摘自《現(xiàn)代電子技術(shù)》 |
