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基于反饋控制的恒流型電子負(fù)載的實(shí)驗(yàn)研究

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作者:楊長(zhǎng)安,王蔚,趙亮,王光中 (陜西理工學(xué)院 陜西漢中 723003) 時(shí)間:2007-01-26 來源:《現(xiàn)代電子技術(shù)》 收藏

在測(cè)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(cè)負(fù)載。一種新興的電子儀器和測(cè)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。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/21346.htm

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(cè)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(duì)被測(cè)電流的無靜差控制。其控制精度高,電路簡(jiǎn)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(cè)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 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(duì)本控制對(duì)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(duì)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(cè)試電路如圖3所示。被測(cè)電壓源功率足夠大,輸出電流滿足測(cè)試要求。調(diào)節(jié)給定電位器w,測(cè)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(cè)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(jiǎn)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(jí)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(cè)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(cè)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(duì)于要求測(cè)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(cè)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(duì)于要求測(cè)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)。

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