帶補(bǔ)償電源的程控電子負(fù)載設(shè)計(jì)

本科畢業(yè)設(shè)計(jì)題目帶補(bǔ)償電源的程控電子負(fù)載設(shè)計(jì)學(xué)院專業(yè)班級(jí)學(xué)號(hào)學(xué)生姓名指導(dǎo)教師完成日期摘要隨著電源產(chǎn)業(yè)的多樣化、復(fù)雜化發(fā)展，其在科研、工業(yè)以及生活中等各個(gè)場(chǎng)合的使用也越加廣泛。電源產(chǎn)品的出廠性能測(cè)試是該產(chǎn)品生產(chǎn)過程中至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，這就對(duì)用于測(cè)試電源的設(shè)備有了更高的要求。電源產(chǎn)品的測(cè)試必須使用負(fù)載。傳統(tǒng)的測(cè)試過程中，一般采取模擬負(fù)載來(lái)替代現(xiàn)實(shí)負(fù)載，大多數(shù)為靜態(tài)負(fù)載，如電阻、電阻箱、滑動(dòng)變阻器等。然而現(xiàn)實(shí)中的負(fù)載是隨時(shí)間、頻率變化而不停變化的，動(dòng)態(tài)的，情形很復(fù)雜，因此靜態(tài)負(fù)載難以模擬實(shí)際負(fù)載的真正的特征。研究一種可以替代實(shí)際負(fù)載的動(dòng)態(tài)電子模擬負(fù)載，即電子負(fù)載，具有很深遠(yuǎn)的意義。電子負(fù)載由數(shù)字控制器、通信電路、檢測(cè)與驅(qū)動(dòng)電路等各類元件組合而成的。通過研究電子模擬負(fù)載可以代替實(shí)際負(fù)載來(lái)完成這一過程。電子負(fù)載的分類可由電子器件選型分為晶體管型、場(chǎng)效應(yīng)晶體管型以及絕緣柵雙極晶體管型。UI特性曲線是電源類產(chǎn)品的一個(gè)重要特征。由于功率管的使用，包括電子負(fù)載在內(nèi)的測(cè)量回路中會(huì)存在一定的壓降。若要使得待測(cè)電源的輸出電壓為零，從而測(cè)得電源的短路電流，則需要在測(cè)量回路中增加補(bǔ)償電源，來(lái)補(bǔ)償電路中的壓降。本文所研究的內(nèi)容就是自帶補(bǔ)償電源的程控電子負(fù)載，其有電子負(fù)載常見的功能：恒流模式、恒壓模式、恒阻模式和恒功率模式，也能測(cè)量電源的UI曲線。本文首先介紹電子負(fù)載技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，總結(jié)了電子負(fù)載的一些優(yōu)點(diǎn)，提出了電子負(fù)載的主要研究?jī)?nèi)容及研究意義。其次，說(shuō)明了電子負(fù)載的一般工作機(jī)理，分析了電子負(fù)載通常采用的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，總結(jié)了常用的電子負(fù)載程控方式。然后，描述了帶補(bǔ)償電源的程控電子負(fù)載的硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)的總體方案以及具體實(shí)現(xiàn)，并展現(xiàn)了最終的實(shí)物效果。關(guān)鍵詞：電源測(cè)試；電子負(fù)載；功率管ABSTRACTWiththediversifiedandcomplexdevelopmentofthepowerindustry,theuseofthatinscientificresearch,industry,dailylifeandsomeotheroccasionshasbecomeincreasinglywidespread.Performancetestingofpowerproductisvitalintheproductionprocess,whichleadstothehighrequirementsofthedeviceusedtotesttheproduct.Testingpowerproductcannotdowithoutaload.Inthetraditionaltestingprocess,ingeneral,analogloadsareusedtosimulatetherealloads,suchasaresistor,resistancebox,slidingrheostat,mostofwhicharestaticloads.However,realloadsareever-changing,dynamicandcomplexovertimeandfrequency,andthereforemakeithardtousestaticloadssimulatetherealloads.Researchondynamicelectronicanalogloadswhichcanreplacetheactualloads,namelyelectronicload,willbeofprofoundmeaning.Acombinationofdigitalcontroller,thecommunicationcircuit,detectionanddrivecircuitandothercomponentsmakeanelectronicload.Byresearchingtheelectronicanalogloads,realloadscanbesimulated.Categoriesofelectronicloadcanbedividedbytheselectionoftheelectronicdevice,namelytransistortype,fieldeffecttransistortypeandinsulatedgatebipolartransistortype.UIcharacteristiccurveisanimportantfeatureofpowersupplyproducts.Duetotheuseofpowertube,therewillbesomevoltagedropinthemeasurementcircuit,includingelectronicload.Tomaketheoutputvoltageofantobetestedpowersupplybezero,inordertomeasureshort-circuitcurrent,compensationneedtobeaddedinthemeasurementcircuittocompensateforthevoltagedrop.Researchinthispaperisprogrammableelectronicloadwithcompensationpower,ithascommonfeatures:constantcurrentmode,constantvoltagemode,constantresistancemodeandconstantpowermode,andcanalsomeasuretheUIcurveofpowersupply.Thispaperdescribesthestatusofthedevelopmentofelectronicloadtechnology,summarizessomeoftheadvantagesofelectronicload,presentsthemaincontentandsignificanceofelectronicload.Next,explainstheworkingmechanismofgeneralelectronicload,analyzesthemaincircuittopologycommonlyusedinelectronicload,sumsupthecommoncontrolmodeofprogrammableelectronicload.Then,describesthehardwaredesignandsoftwaredesignoftheprogrammableelectronicloadwithcompensationpowerandthespecificimplementation,andfinalworkwillalsobeshowed.Keywords:powersupplytesting;electronicload;powertube.引言隨著航空航天、工控等領(lǐng)域的發(fā)展，其對(duì)儀器儀表、測(cè)控系統(tǒng)、通信設(shè)備等關(guān)鍵設(shè)備的工作穩(wěn)定性提出了更高的要求。而設(shè)備是否能夠持續(xù)、穩(wěn)定的工作，其中關(guān)鍵的因素之一取決于該設(shè)備的供電系統(tǒng)。電子技術(shù)與供電技術(shù)的發(fā)展中，各種電源產(chǎn)品被廣泛地生產(chǎn)出來(lái)，諸如交流穩(wěn)壓電源、變頻電源、不間斷電源(UPS)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源、直流電源等在出廠之前都需要進(jìn)行各種帶載實(shí)驗(yàn)，以考核它們的技術(shù)指標(biāo)和可靠性。如果電源的某項(xiàng)參數(shù)達(dá)不到設(shè)備供電標(biāo)準(zhǔn)，可能導(dǎo)致設(shè)備不能正常工作[1-5]。在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，電源類產(chǎn)品在出廠前都必須進(jìn)行性能測(cè)試，鑒定電源的端電壓特性時(shí)，放電特性曲線是一個(gè)很重要的工具，而負(fù)載在測(cè)試過程中起著舉足輕重的作用，其性能的好壞直接影響到測(cè)試的結(jié)果。傳統(tǒng)方法中，國(guó)內(nèi)外的試驗(yàn)一般都采用靜態(tài)負(fù)載，如電阻、電阻箱、滑線變阻器等，能耗放電的辦法進(jìn)行。隨著電源類產(chǎn)品向多樣化和復(fù)雜化發(fā)展，如何科學(xué)而快速地檢測(cè)其性能和指標(biāo)成了一大難題。由于電阻和電阻箱等負(fù)載采用有級(jí)調(diào)節(jié)，有固定阻值或固定負(fù)載特性曲線，負(fù)載形式單一，功率小。而實(shí)際負(fù)載形式比較復(fù)雜，通常都是動(dòng)態(tài)的，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)試的需求。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子負(fù)載。將電力電子技術(shù)和微機(jī)控制技術(shù)引入負(fù)載裝置，不但可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)靜態(tài)負(fù)載的基本功能，又可以在不改動(dòng)硬件情況下升級(jí)軟件可實(shí)現(xiàn)其它多種功能，如預(yù)定值、參數(shù)保存、數(shù)據(jù)保存等。本文所要論述的就是如何通過電子負(fù)載解決更便捷的電源測(cè)試問題，即如何更便捷地分析電源的參數(shù)[4-7]。根據(jù)選取的可控電子器件的不同，電子負(fù)載可分為晶體管型、場(chǎng)效應(yīng)晶體管型以及絕緣柵雙極晶體管型。晶體管型應(yīng)用廣泛，晶體管對(duì)電信號(hào)有放大和開關(guān)的作用。場(chǎng)效應(yīng)晶體管型有控制靈敏度高、工作速度快，既無(wú)機(jī)械接觸點(diǎn)，也無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，適合模擬速度較快，電流稍小的實(shí)際負(fù)載。絕緣柵雙極晶體管是場(chǎng)效應(yīng)晶體管與晶體管技術(shù)相結(jié)合的復(fù)合型器件，比晶體管的速度快，比場(chǎng)效應(yīng)晶體管的負(fù)載電流大。從能量的觀點(diǎn)來(lái)分，電子負(fù)載可以分為能量消耗式負(fù)載和能量回饋式負(fù)載。能量回饋式負(fù)載是一種新興的電子負(fù)載，是基于節(jié)約能源減少開支和試驗(yàn)自動(dòng)化的要求而設(shè)計(jì)的，它可以在完成測(cè)試功率試驗(yàn)的前提下，將待試設(shè)備的輸出能量大部分無(wú)污染地反饋回電網(wǎng)，節(jié)約了大部分能源，實(shí)現(xiàn)能量的循環(huán)再生利用另一方面因?yàn)槟茉吹墓?jié)約不會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，避免了試驗(yàn)場(chǎng)所環(huán)境溫度升高的問題，從而不必增加龐大的冷卻設(shè)備，節(jié)約了安裝空間[8-14]。電子負(fù)載依靠電子元器件吸收并消耗電能，體積較小，通過采用功率半導(dǎo)體器件作為載體，使得負(fù)載易于調(diào)節(jié)和控制，并能達(dá)到很高的精度和穩(wěn)定性。基于上述種種優(yōu)點(diǎn)，電子負(fù)載現(xiàn)已在電源類產(chǎn)品測(cè)試中得到了廣泛應(yīng)用[15-16]。2.電子負(fù)載技術(shù)電源出廠試驗(yàn)、使用前的可靠性試驗(yàn)及電源輸出特性試驗(yàn)一般都采用能耗放電的方式進(jìn)行。一般使用的測(cè)試設(shè)備進(jìn)行模擬的負(fù)載都會(huì)消耗大量的能量，并且需要安裝一些散熱設(shè)備來(lái)將產(chǎn)生的熱量進(jìn)行快速釋放，以確保設(shè)備能夠正常工作；現(xiàn)在社會(huì)都提倡環(huán)保和節(jié)能，這就迫切需要設(shè)計(jì)一種新的負(fù)載——電子負(fù)載。電子負(fù)載可以模擬恒定電流、恒定電壓、恒定電阻等多種負(fù)載情況，具有初值的設(shè)定，內(nèi)接電壓表、功率顯示，具有過載、過流、過壓、極性反接以及保護(hù)等功能。電子負(fù)載主要包括控制單元、信號(hào)和功率模塊[11]，基本結(jié)構(gòu)圖如圖2-1所示。圖2-1.電子負(fù)載結(jié)構(gòu)圖目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)電子負(fù)載的主要研究?jī)?nèi)容，按側(cè)重內(nèi)容的不同主要可分為電子負(fù)載硬件設(shè)計(jì)的研究和電子負(fù)載控制算法的研究。2.1電子負(fù)載硬件設(shè)計(jì)研究根據(jù)電力電子器件選擇的不同可以分為采用晶體管的電子負(fù)載、采用場(chǎng)效應(yīng)管的電子負(fù)載以及采用絕緣柵雙極晶體管的電子負(fù)載，每種電子負(fù)載都有其各自的特點(diǎn)[4,11,17]。2.1.1晶體管型電子負(fù)載大功率晶體管也稱為半導(dǎo)體三極管，通過對(duì)恒流、恒壓、恒阻等誤差信號(hào)進(jìn)行放大，然后將其輸入到邏輯控制電路中，使用選擇的誤差放大信號(hào)以對(duì)晶體管阻值大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，最終模擬出所需要的負(fù)載。因此，晶體管也可作為一種可變電子負(fù)載。由于晶體管是一種電流控制型器件，工作速度較慢，因此比較常用于模擬一些電流恒定或變化速度緩慢的實(shí)際負(fù)載。除此之外，由于晶體管的溫度系數(shù)為負(fù)，所以在使用過程中還必須對(duì)其進(jìn)行溫度補(bǔ)償。2.1.2場(chǎng)效應(yīng)管型電子負(fù)載場(chǎng)效應(yīng)晶體管工作狀態(tài)為不飽和區(qū)時(shí)，可以將其看作是受源極和柵極之間電壓控制的可變電阻。場(chǎng)效應(yīng)管式電子負(fù)載具有可靠性好、工作速度快、控制靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，而且既沒有運(yùn)動(dòng)部件點(diǎn)，也沒有機(jī)械觸點(diǎn)，噪聲較低，壽命較長(zhǎng)。缺點(diǎn)是負(fù)載電流較小，并且通態(tài)電阻值較大。所以，場(chǎng)效應(yīng)管式電子負(fù)載比較常用于模擬一些對(duì)變化速度要求較快，但電流較小的實(shí)際負(fù)載。2.1.3絕緣柵雙極晶體管型電子負(fù)載技術(shù)絕緣柵雙極晶體管，是結(jié)合了場(chǎng)效應(yīng)晶體管和晶體管技術(shù)的復(fù)合型器件，是一種電壓控制型器件。當(dāng)絕緣柵雙極晶體管工作在不飽和狀態(tài)區(qū)域時(shí)，可以將其看作受柵極電壓控制的可變電阻。它克服了場(chǎng)效應(yīng)晶體管和晶體管的缺點(diǎn)，兼有負(fù)載電流大，響應(yīng)速度快的一系列優(yōu)點(diǎn)。2.2電子負(fù)載控制算法研究除了側(cè)重于硬件設(shè)計(jì)研究之外，在電子負(fù)載技術(shù)中還有側(cè)重于研究控制算法設(shè)計(jì)的。電子負(fù)載可以模擬恒定電流、恒定電壓、恒定電阻等多種負(fù)載情況，無(wú)論工作在何種情況下，都需要將電子負(fù)載穩(wěn)定在所設(shè)定的值，這就需要采集反饋量并通過控制算法對(duì)輸出量進(jìn)行控制[11,18]。 目前的控制算法主要是基于傳統(tǒng)PID控制器的，而由于實(shí)際中具有非線性、純滯后、參數(shù)時(shí)變性等特點(diǎn)，再加上一些外界干擾條件下，普通的PID控制器難以獲得滿意的控制效果。為了彌補(bǔ)常規(guī)PID控制的不足，常常采用將先進(jìn)的控制策略與之結(jié)合的方法，如自適應(yīng)模糊PID控制、神經(jīng)元PID控制、免疫控制和混沌控制等[11]。本文介紹自適應(yīng)模糊PID控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制在電子負(fù)載控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。2.2.1自適應(yīng)模糊PID控制技術(shù)常規(guī)的PID控制規(guī)律為：式中是比例增益，是積分時(shí)間常數(shù)，是微分時(shí)間常數(shù)，指控制偏差。模糊控制器主要由四部分組成[19]：（1）“規(guī)則庫(kù)”：以一套規(guī)則的形式表達(dá)怎樣最好控制系統(tǒng)的知識(shí)；（2）推理機(jī)：確定當(dāng)前時(shí)刻的狀態(tài)與哪條控制規(guī)則是相對(duì)應(yīng)的，然后建議被控對(duì)象相應(yīng)的輸入；（3）模糊化界面是把控制器的輸入修改成能被規(guī)則表達(dá)且能與規(guī)則庫(kù)中的規(guī)則相對(duì)應(yīng)的形式；（4）解模糊化界面是把經(jīng)推理得到的結(jié)論轉(zhuǎn)變成被控對(duì)象的輸入。模糊PID控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由PID控制器和模糊控制器兩部分構(gòu)成，對(duì)于模糊控制器部分，其輸入為誤差和誤差變化率，然后采用模糊推理方法對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行在線整定，以滿足不同時(shí)刻的誤差和誤差變化率對(duì)控制器參數(shù)的不同要求，從而使被控對(duì)象具有良好的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)性能。其結(jié)構(gòu)如圖2-2所示。圖2-2.模糊PID控制器結(jié)構(gòu)圖2.2.2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制技術(shù)經(jīng)典增量式數(shù)字PID的控制算法：式中，、和分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，輸入輸出如圖2-3所示。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是對(duì)非線性可微分函數(shù)進(jìn)行權(quán)值訓(xùn)練的單向傳播的多層前向網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)主要包括輸入層、中間層和輸出層。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以最大化地逼近任意非線性函數(shù)，并通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練和學(xué)習(xí)來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)整PID控制器的參數(shù)，找到某一最優(yōu)控制下的P、I和D參數(shù)。圖2-3.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器主要由2部分組成：（1）常規(guī)PID控制器，它可以直接對(duì)被控對(duì)象過程進(jìn)行閉環(huán)控制，并且3個(gè)PID控制參數(shù)、和可以在線自我整定；（2）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)自動(dòng)調(diào)整PID控制參數(shù)。控制器結(jié)構(gòu)如圖2-4所示。當(dāng)系統(tǒng)給定的命令信號(hào)與反饋的實(shí)際信號(hào)相比較得出電壓誤差信號(hào)，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的不斷訓(xùn)練，得到一組最優(yōu)的PID控制器參數(shù)，然后計(jì)算出控制信號(hào)，將控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為控制電壓，調(diào)節(jié)輸出。圖2-4.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器結(jié)構(gòu)圖2.3小結(jié)根據(jù)電子負(fù)載的分類特點(diǎn)，可采用雙極晶體管或場(chǎng)效應(yīng)晶體管組成的電路，由一個(gè)可控開關(guān)控制，在適當(dāng)時(shí)調(diào)節(jié)所需電流值。場(chǎng)效應(yīng)晶體管具有控制靈敏度高、工作速度快，既無(wú)機(jī)械接觸點(diǎn)，也無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，適合模擬速度較快，電流稍小的實(shí)際負(fù)載，場(chǎng)效應(yīng)晶體管在工作時(shí)相當(dāng)于開路，其電阻巨大，在實(shí)際工作中不會(huì)產(chǎn)生靜態(tài)的功率消耗。在設(shè)計(jì)電子負(fù)載的時(shí)候可以采用場(chǎng)效應(yīng)晶體管控制電壓控制器件，具有更加節(jié)能便捷的功能[17]。電子負(fù)載系統(tǒng)是一種非線性系統(tǒng)，要使電子負(fù)載系統(tǒng)具有較快的動(dòng)態(tài)性能，精確的跟蹤能力，就必須采用一種有效的控制策略。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有學(xué)習(xí)速度非常快、可以避免局部極小和良好的逼近能力等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)的PID控制結(jié)合一起，設(shè)計(jì)出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器效果更好[11]。3.總結(jié)工業(yè)、科研等方面儀器的普及離不開供電系統(tǒng)，其穩(wěn)定工作更是對(duì)電源類產(chǎn)品提出了極高的要求。本文結(jié)合實(shí)際需求，詳細(xì)闡述了為何需要研究電子負(fù)載技術(shù)，同時(shí)通過對(duì)電子負(fù)載硬件技術(shù)的研究和控制算法結(jié)構(gòu)的研究等方面內(nèi)容展開敘述，闡明了如何從功率器件的選擇著手研究該技術(shù)，結(jié)合算法控制設(shè)計(jì)合適的電子負(fù)載實(shí)現(xiàn)電源類產(chǎn)品的測(cè)試。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微處理器控制上的按鍵來(lái)靈活切換。參考文獻(xiàn)[1]王成智,鄒旭東,許赟等.采用改進(jìn)重復(fù)控制的大功率電力電子負(fù)載[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2009,29(1):1-9.[2]王超,劉志剛,沈茂盛.模塊化電子模擬功率負(fù)載系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子應(yīng)用,2005,24(9):54-57.[3]孫會(huì)麗.淺談紋波電壓及紋波系數(shù)[J].遼寧師專學(xué)報(bào),2009,11(4):30,63.[4]吳春平.150W直流電子負(fù)載的軟件設(shè)計(jì)[D].成都:電子科技大學(xué),2012.[5]MuratCeylan;AbdulkadirBalikci.DesignandimplementationofanelectronicconstantcurrentDCloadforbatterydischargeandpowersupplytestsystems[C].IEEEPowerElectronicsandMotionControlConferenceandExposition,2014,(1):924-927.[6]曲暢.電流斷續(xù)型直流電子負(fù)載的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2011.[7]王亞男.大功率電子負(fù)載監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].哈爾濱:哈爾濱理工大學(xué),2010.[8]初眾.船舶電力系統(tǒng)新型模擬電子負(fù)載的研究與設(shè)計(jì)[D].大連:大連海事大學(xué),2014.[9]丁銳霞.新型電子負(fù)載的研究[D].北京:北方工業(yè)大學(xué),2008.[10]E.A.Vendrusculo;J.A.Pomilio.HYPERLINK"/xpl/articleDetails.jsp?arnumber=548699&queryText=H