基于反饋控制的恒流型電子負載的實驗研究

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都需要負載，傳統(tǒng)的方法是利用固定電阻和可變電阻器來充當被測負載。一種新興的電子儀器和測試設備一-電子負載應運而生，他利用功率器件模擬電阻器，具有很強的操作靈活性。目前，電子負載技術發(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載也成為一項有意義的工作。

1 恒流型(cc)電子負載結構框圖介紹

恒流型(cc)電子負載是用來測試電壓源的多種性能的專門設備。本文介紹一款恒流型電子負載的新方案，他基于反饋控制理論，采用模擬pi調解器，控制n溝道大功率mosfetde的導通強度，實現(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為恒流型電子負載的結構框圖。直流穩(wěn)壓電源框是一款直流穩(wěn)壓電源電路，他提供恒流設定電壓、pi調節(jié)器工作電壓、電流檢測和轉換電路的工作電源，要求必須具有的功率輸出和較高的電壓穩(wěn)定指標。恒流設定電路可提供線性的可調負極性電壓輸出。pi調節(jié)器由普通的運算放大器構成，pi參數用實驗的方法調為最佳。執(zhí)行機構為n溝道m(xù)os管或mos管組。

2．1 mos管的放大系數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得到一組實驗數據記錄在表1中，從表中可以看出，當ug≤2．5 v時，mos管不導通，io=0，稱為死區(qū)。在ug>2．5v后，mos管開始導通，當ug>3．3 v后，其關系呈線性變化。在線性段求取ks。

也就是霍爾電流傳感器轉換系數的確定。設計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，經測試確定霍爾系數k=0．8 v／a，即當傳感器的輸入端電流為l a時，輸出端的電壓為o．8 v。β=k=0．8 v／a。

2．3 pi調節(jié)器靜態(tài)放大系數kp的確定

根據負反饋閉環(huán)控制原理有：k=βkpks=1得：kp=l／βks△0．875 v／a。根據此值，選取調節(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(+)，為了構成負反饋控制，則pi調節(jié)器的給定電壓應為負(一)。所以pi調節(jié)器采用負相輸入，由前一級的倒相器將由電位器w產生的可調正電壓變?yōu)榭烧{的負電壓，作為恒流設定值加在調節(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行比較，根據偏差量和正負極性由pi調節(jié)器實現(xiàn)比例一積分調節(jié)，以實現(xiàn)電流(io)恒定。改變積分電容的大小，以滿足響應快速性和穩(wěn)定性要求。

(1)由于采用了pi調節(jié)器，mos管的死區(qū)不必專門設計電路來消除，mos管的非線性在閉環(huán)內自行消除。

(2)根據被測設備的性質(阻性，感性，容性)，總可以通過調節(jié)pi參數，以保證其快速性，穩(wěn)定性和抗擾性要求。

(3)該系統(tǒng)具有很強的可擴展性能?？蓪崿F(xiàn)數字給定和調節(jié)控制。

(4)對于要求測試電流較大時，可以考慮用多只mos管的并聯(lián)組合來擴大負載容量，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。

4 幾點說明和改進措施

(1)由于采用了pi調節(jié)器，mos管的死區(qū)不必專門設計電路來消除，mos管的非線性在閉環(huán)內自行消除。

(2)根據被測設備的性質(阻性，感性，容性)，總可以通過調節(jié)pi參數，以保證其快速性，穩(wěn)定性和抗擾性要求。

(3)該系統(tǒng)具有很強的可擴展性能?？蓪崿F(xiàn)數字給定和調節(jié)控制。

(4)對于要求測試電流較大時，可以考慮用多只mos管的并聯(lián)組合來擴大負載容量，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。