基于反饋控制的恒流型電子負(fù)載的實(shí)驗(yàn)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(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m(xù)os管或mos管組。

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。

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。

(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。可實(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)。