电子负载调节器设计——毕业论文

武汉理工大学毕业设计（论文）目录摘要IABSTRACTII1 绪论11.1课题研究背景11.2国内外研究现状21.3课题研究内容42 电子负载的功能与拓扑52.1直流电子负载的基本功能52.1.1电子负载的功能52.1.2电子负载的工作范围62.2电子负载的设计要求72.3电子负载方案选择72.4电子负载拓扑结构分析73 电子负载在MATLAB/Simulink下的建模与仿真113.1电子负载的开环响应113.2电子负载误差放大器调节143.2.1误差放大器的选择143.2.2系统误差校正设计163.3电子负载N-Z法整定193.3.1传递函数的近似193.3.2响应参数的整定203.4电子负载建模结果分析223.5恒阻、恒压、恒功率模式调节器的仿真233.6 仿真结果分析264 直流电子负载电路设计274.1电子负载功率电路的设计274.2电子负载驱动电路设计294.3电子负载采样电路设计294.3.1电流采样294.3.2电压采样304.4电子负载保护电路设计304.5电子负载数字控制电路设计324.5.1数字控制器原理324.5.2数字控制器外环与模拟控制内环的整定334.5.3数字控制流程图354.6电子负载电源设计365 直流电子负载热稳定分析与机箱设计375.1电子负载热稳定分析375.2散热片的影响因素及元件布局385.2.1高度、长度对散热片自然对流散热的影响385.2.2厚度对散热片自然对流散热的影响395.2.3体积对散热片自然对流散热的影响395.2.4器件布局395.3 直流电子负载热稳定性仿真分析40结束语42参考文献43致谢45武汉理工大学毕业设计（论文）武汉理工大学毕业设计（论文）摘要随着科技的发展，各类电力电子产品得到了越来越广泛的应用。然而目前对这些产品的试验多以滑线变阻器和电阻箱等作为负载。这些负载采用的是有级调节，阻值和负载特性曲线都是固定的，负载形式比较单一，而且也较功率小，并且占用了一定的安装空间。因此，在电源测试系统中为了提高生产率，电子负载起着重要的作用。本文首先叙述了电子负载国内外的研究现状以及电子负载在国内外市场上的发展情况。并简要概括了设计的任务和研究手段。接着对电子负载的基本拓扑进行了比较与选择。在此基础上，又进一步详细介绍了该控制系统的硬件组成、控制方法以及热分析等方面的内容。在硬件设计中，对电子负载每个硬件模块进行分析。在控制方法部分中主要对电子负载采用的双环控制进行了详细的分析。在热分析部分中对电子负载散热片及散热功能进行了分析。最后，本文就电子负载设计的特点，进行了归纳与总结。关键词：电子负载；PID调节；前向差分；热分析ABSTRACTWith the development of science and technology, all kinds of electric and electronic products has been more widely used. However, trials of these products and more as the load to slide wire rheostat and resistance box. These loads is the level adjustment, the resistance and the load curve are fixed, the load forms a single, but also smaller than the power, and a certain amount of installation space. Therefore, in the power supply test system in order to improve productivity, electronic load plays an important role.This paper first describes the development of electronic load research status at home and abroad as well as electronic load in the domestic market. And a brief summary of the task of designing and research tools.Then the basic topology of the electronic load comparison and selection. On this basis,further details of the control system hardware, control methods and thermal analysis and other aspects of content. In the hardware design, electronic load for each hardware module. A detailed analysis of the double loop control of the electronic load used in the main part of the control method. In the thermal analysis section of the electronic load sinks and features. Finally, the electronic load design characteristics were summarized and summary. Key words: Electronic load; PID regulator; forward difference; thermal analysis45武汉理工大学毕业设计（论文）1 绪论1.1课题研究背景电力电子技术是近几年来发展比较迅速的一种高新技术，它将电力技术、微电子技术及信息控制技术结合为一体，广泛应用于电气传动、机电一体化、新能源、核电、航天、材料、激光等领域1。从国际到国内，电源行业内，制定了一系列的电源标准来衡量和考核电源产品的质量，如何科学快速地检测电源产品的性能和指标成了一大难题。静态能耗式负载像电阻和电阻箱等，采用有级调节，负载形式单一，功率小。现实中的实际负载形式比较复杂，通常都是动态的，即负载随时间、频率在不断的变化，传统的静态负载越来越不能满足电源测试的要求。因此，国内外学者都在寻求可以替代的负载形式，产生了由电阻、电感、电容、晶体管和集成电路组成的电力电子负载。负载是指连接在电路中的电源两端的电子元件，把电能转换成其他形式能的装置，凡是对能够消耗能量的器件都统称为负载，而电子负载即为能消耗电能的负载2。常用的负载有电阻、马达和灯泡等可消耗电源功率的元器件。不消耗功率的元器件，如电容，也可接上去，但此情况为断路。负载通常分为如下几种：感性负载:感性负载即具有电感的性质，磁场和电流不能突变。当负载电流滞后负载电压一个相位差时，负载为感性，如负载为电动机、变压器。容性负载:容性负载即具有电容的性质，充放电和电压不能突变，当负载电流超前负载电压一个相位差时，负载为容性，如负载为补偿电容。阻性负载:当电流和电压没有相位差时负载为纯阻性负载，如家用的白炽灯、电炉3。过去人们往往使用一些互连的低功率瓷盘电阻、滑线变阻器或电阻箱作为测试负载，这些负载分辨率低，阻值会因接触不良和发热发生变化。并且有如下缺点4：1) 设备笨重，携带不便，调节费力，精度难以保证；2) 负载电流不能连续调节，从零调到满载在加电的状态下，易接触不良打火烧毁；3) 难以用于程控化、数字化的自动化生产线上，更不能测试电源的动态参数。负载作为一个常规的电子设备在各种电子产品测试过程中起着重要的作用，其性能的好坏直接影响着测试结果的精度和准确度。为了得到理想的测试结果，阻值精确、性能优良的负载是必要的。常规的电阻负载(滑动变阻器和电阻箱)由于其温度的变化会引起阻值的变化，当电流很大时产生的热噪声及自身温度骤然升高常常会影响测试结果。比如:在对一些高精度稳压电源、功率器件、电池等设备进行参数检测时，负载的性能会影响参数值的不精确。随着功率场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)和场效应晶闸管等主要开关器件的出现以及电力电子变换器拓扑的发展，现代电子负载是利用有源元件主动从电源中吸收电流，一般由放大器和功率器件等电子元件组成的可调负载，靠控制功率管或晶体管的导通量(占空比大小)，通过功率管的耗散功率消耗电能的设备。它能够准确检测出负载电压，精确调整负载电流，同时可以实现模拟负载短路，模拟负载是感性电阻或容性电阻，从而可以模拟真实环境中的负载即用电器，实现对负载电流的实时调节和控制5。1.2国内外研究现状电子负载主要由可控的电子器件组成，按照被测电源的类型可分为直流电子负载和交流电子负载，按照能量流动形式上分为能量消耗型和能量回馈型。直流电子负载主要用来测量直流电源或者电池，可以模拟恒流、恒压、恒阻、恒功率等多种状态，交流电子负载主要测量交流电源，它可以表现为感性负载、容性负载、阻性负载等多种负载形式。本文主要叙述直流电子负载，直流电子负载的能量消耗型有如下几种。（1） 晶体管式电子模拟负载晶体管是通过一定的工艺，将两个PN结结合在一起的器件6。通过控制基极电流可以控制集极电流，从而可以达到控制晶体管作为一个可变负载的目的。如图绪1所示，文献7中采用大功率晶体管作为一个电子负载。图绪1 利用大功率晶体管制作的电子负载通过调节Vshift就可以改变晶体管集电极和发射极两端的电流，进而改变晶体管两端的电压。（2） 场效应管式电子模拟负载场效应晶体管(MOSFET)工作在不饱和区时，漏极与源极之间的伏安特性可以看作是一个受栅源电压控制的可变电阻。伏安特性曲线的斜率基本取决于栅源电压，阻值可跨越35个数量级。因此，该区域又可称为可调电阻区。用MOSFET做可变电阻具有工作速度快，可靠性好和控制灵敏度高等优点，而且既无机械触点，也无运动部件，噪声低，寿命长8。但是MOSFET的通态电阻较大，且负载电流较小。所以MOSFET适合模拟一些变化速度较快，但电流不大的实际负载。文9给出了传统的以MOSFET作为电子负载的原理图，如图绪2所示。由图可以看出，通过运放及反馈来控制MOSFET的栅极电压，从而达到其内阻变化的目的。图绪2 场效应管式电子负载模拟图（3） 绝缘栅双极型晶体管式模拟负载绝缘栅双极型晶体管，简称IGBT，是MOSFET和晶体管技术结合而成的复合型器件，属于电压控制型器件。当IGBT工作在不饱和区时，射极与基极之间的伏安特性可以看作是一个受栅极电压控制的可变电阻。与晶体管相比，它的响应速度快；与MOSFET相比，它的负载电流大。通态阻值变化范围从0.01-2变化。文献10中采用IGBT来模拟动态电弧，参见图绪3。将事先已测得的电弧阻值变化通过对单片机编程，来控制IGBT栅极电压的变化，从而达到IGBT作为可变负载时的阻值变化。这种电子模拟负载是用来完成对弧焊电源动特性的测试。图绪3 IGBT电子负载结构框图（4） 能馈式电子负载由于纯电阻负载或电力电子器件能耗严重，造成资源浪费，而且散发的热量使负载的温度升高，影响可靠和安全性，体积也比较笨重，馈能型电子负载是一种新兴的电子负载11，它采用开关方式的电力电子变换装置，绝大部分电能最后回馈到电网中，节约能源，而且控制精确便捷，稳定性好，具有广泛的应用前景。（5） 综合型电子负载为了达到一个负载快速响应并且消耗能量较少的目的，国外学者研制出了将上述能耗型电子负载与能馈型电子负载结合的电子负载。这种负载在电源电压低的情况下能够吸收足够量的电流，并且可以模拟负载变化率高的情形。该电子负载综合了上述两种电子负载的优势，它的响应迅速，能量消耗少13。但是这种电子负载仍然处于原型机的研究水平。随着近年来场效应晶体管的应用不断扩展，电子负载的研究由能耗型向能馈型转变，随着逆变技术的不断成熟，国内外有关能馈型电子负载的论文有很多，众多学者都在研究更经济、高效的电子负载。国外对电子负载拓扑结构、并网回路控制等提出了很多观点。数字化也是电子负载发展的一大方向。采用数字处理器的新型电子负载，可以提高反应速度，而且达到较高的精度，应用在对精度有特别要求的场所。新型电子负载有较好的动态特性和静态特性，可以对线性电源、开关电源、变压器等电子设备进行多种测试，并且达到很好的效果。这种电子负载是结合了电力电子技术、计算机控制技术和微机的测控技术，它的体积很小，节省了放置空间，而且降低了供电系统的容量等级，且各种性质的工作模式可以通过微处理器控制上的按键来灵活切换12。通过对网上有关电子负载零售商的观察可以发现，在中国大陆，电子负载主要以国外产品居多，如安捷伦、Chroma等，与国内生产的电子负载相比，其体积更小，精度更高。1.3课题研究内容本文首先研究直流电子负载系统的基本结构和工作原理，通过电子负载的基本拓扑分析电子负载的工作情况，然后进行电子负载控制系统设计，通过对电子负载的建模，设计一款能够迅速响应给定的调节器，随后对电子负载的控制芯片STM32F10X系列单片机以及外围调理电路进行设计，使电子负载由模拟控制变为数字控制，最后对电子负载进行热分析，保证电子负载工作在一个稳定性良好的环境中。第一章主要介绍电子负载的研究背景和研究现状。第二章主要是介绍电子负载的基本结构和各种工作模式。第三章主要是设计电子负载的模拟控制系统设计。第四章是对电子负载电路的设计以及电子负载数字控制部分的计算。第五章是对电子负载进行热分析。2 电子负载的功能与拓扑2.1直流电子负载的基本功能电子负载的表现形式多种多样，对于直流电子负载，在稳态时，它表现为电阻性负载。根据电流变化规律的不同，电子负载可以模拟多种工作模式。最基本的工作模式有恒阻模式、恒流模式、恒压模式和恒功率模式。2.1.1电子负载的功能电子负载用于测量电源对负载的响应能力，它的响应模式有静态模式和动态模式，静态模式即表现为恒阻模式、恒流模式、恒压模式和恒功率模式。恒阻模式：电子负载表现为恒阻性，负载电流的大小和外接电压成正比，它的功能与变阻器相似，可以根据需要进行调节阻值大小，而且所设阻值不随温度的改变而改变。伏安曲线如图2.1所示。电压电流图2.1 电子负载恒阻模式V-I曲线恒流模式：通过电子负载的调节，负载电流不因电压的改变而改变。恒流模式主要测试电压源或者电池的放电能力，以确定他们的性能。伏安曲线如图2.2所示。电压电流图2.2 电子负载恒流模式V-I曲线恒压模式：对于内阻较大的电压源或者电流源，通过调节电子负载等效的电阻值，在电子负载两端的电压保持不变的控制模式。此模式用于测试电流源的限流特性，可模拟电池的端电压，比较适合用来测试恒流充电器的性能。伏安曲线如图2.3所示。电压电流图2.3 电子负载恒压模式V-I曲线恒功率模式：消耗在电子负载两端的功率保持不变的模式。当电压升高时，电流会减小，电压降低时，电流会增大。总之，电子负载会保持P=UI为定值。伏安曲线如图2.4所示。电压电流图2.4 电子负载恒功率模式V-I曲线电子负载的动态模式有连续模式、脉冲模式和触发模式，这种模式能使电子负载在两种负载电流之间反复切换，这些模式是用于测试电源的动态性能。电子负载的连续模式，是电子负载在设置A、B两个值之后，电流或者电压在这两个值之间切换。在动态模式下，电子负载每接到一个脉冲信号后，就会切换到设定值，在维持一定的脉宽后返回最初值。触发模式是每接到一个触发信号，电子负载就会在设定值之间切换。2.1.2电子负载的工作范围电流电压0图2.5 电子负载工作范围曲线对电子负载而言，总有一个工作的范围，这个范围如图2.5所示，电子负载有电压的上限，与电流的上限。在电压较低时，由于电子负载器件的限制，电子负载吸收的电流有上限。同理，电子负载由于器件的耐压值，电子负载的电压在一定范围内有上限。在其他范围内，电子负载的限制因素为最大功率，图中的曲线。2.2电子负载的设计要求本文主要设计一款输入电压在4060V，输入最大功率在6000W的电子负载。电子负载能够完成静态的恒压、恒流、恒阻、恒功率等模式，也可完成动态的连续模式、脉冲模式和触发模式。通过调节，电子负载能够测定被测电源的响应速度，纹波，输出电流等。电流控制精度小于100mA，有过流、过压、过温度、过功率保护，出风口温度小于65摄氏度。根据以上设计要求，可以确定电子负载的设计流程，如图2.6所示。图2.6 电子负载设计流程2.3电子负载方案选择由第一章中电子负载的分类可知，电子负载有多种设计方案，现对各个方案比较如下：方案一：如图2.7所示。在被测电源后接入一个DC/DC，将电能释放于一个固定的负载上，如电阻，或者将负载的电能回馈到电网中。通过调节DC/DC的输出电压使负载上的电流改变，进而改变被测电源的输出电流。被测电源DC/DC固定负载图2.7 利用DC/DC变换器制作电子负载的方案方案二：如图2.8所示。在被测电源后并入多个晶体管，通过调节晶体管栅极电压改变电源的输出电流。被测电源晶体管并联结构图2.8 利用多个晶体管并联的电子负载方案方案一中利用DC/DC变换器进行控制相对较为复杂，为了适应较宽的输入范围，需要进行适合的拓扑选择，并且要能够承受大电流的冲击。考虑到电感、电容的体积，DC/DC电路制作后体积较大。方案二中利用晶体管并联的结构对被测电源进行放电。由绪论中电子负载的分类可知，使用这种拓扑的电子负载吸收的电流不大，但是能够快速的调节电流。成本以及体积与方案一相比都比较少。综合上述两种方案，并且考虑电子负载设计的成本、体积等因素，以及电子负载控制方式的复杂程度，方案二是较为合理选择。2.4电子负载拓扑结构分析本设计中，电子负载的结构主要以多个并联的MOS管为主，电源的电能主要消耗在MOS管上。当电流流过MOS管时，由于源极和漏极两端的电压差，在MOS管上会有功率消耗。由于栅源电压的大小决定流过MOS管电流的大小，因此，在MOS管上功率的消耗是可以控制的。最基本的控制拓扑有如下几种。（1）恒流模式基本拓扑如图2.9所示的是恒流模式的基本拓扑，图中的运算放大器对采样电阻上的电压和参考电压进行比较，当流过MOS管的电流增大时，采样电阻上的电压升高，运算放大器的反向输入端电压升高，运算放大器输出电压减小，最后引起MOS管上的电流减小。当系统稳定时，因此只要改变的值，就可以改变流过采样电阻上的电流。图2.9 电子负载恒流模式拓扑（2）恒阻模式基本拓扑如图2.10所示电路为恒阻模式的基本拓扑，其控制方式与恒流控制方式类似，但是该控制电路运算放大器的同向输入端是由待测电源处的电压采样而来，系统稳定后可以有如下表达式： (1-1)经整理得 (1-2)其中是电源侧的输入电压，是采样电阻，是电压采样放大倍数，由于已知，而是可以控制的，因此，当外接电源电压或电流发生波动时，电子负载等效的电阻不会改变。图2.10 电子负载恒阻模式拓扑（3）恒压模式基本拓扑如图2.11所示电路为恒压模式的基本拓扑，只有当电压源的内阻足够大或者为恒流源时，该结构才能成立。当待测电源为内阻较大的恒压源时，且检测到输入电压高于设定值时，运算放大器会提高输出电压，进而增加输入电流，提高内阻上的分压，最后降低在电子负载两端的电压。同理当待测电源为恒流源时，如果检测到电子负载两端电压高于设定电压时，运算放大器输出电压会增大，在MOS管上的压降会减小，待测电源两端电压会减小。系统稳定后的表达式为： (1-3)图2.11 电子负载恒压模式拓扑（4）恒功率模式基本拓扑构建一个恒功率模式的电子负载使用简单的模拟电路不容易实现，如图2.12所示。图2.12 电子负载恒功率模式拓扑恒功率电路中需要加入一个乘法器将电流和电压进行相乘，系统稳定后的表达式为： (1-4)化简后得： (1-5)因为系统稳定后、和都不变，所以电子负载会保证恒功率状态。由于实际中利用模拟电路搭建乘法器并不方便，而且有一定误差，因此利用数字控制器实现恒功率模式较为方便。3 电子负载在MATLAB/Simulink下的建模与仿真由第一章内容分析可知，对于恒流、恒压、恒阻模式的电子负载，其基本拓扑类似，因此对运算放大器、MOS管的选择相对容易，不需要由于控制模式的不同而进行大的改动。利用Matlab/Simulink的仿真可以建立一个仿真模型，通过该模型可以确定拓扑的正确性，得到并计算相应的仿真参数。假定电子负载的传递函数为G(s)，通过加入适当的调节器可以将电子负载变为一个闭环稳定的系统，调节器的传递函数为H(s)。控制图如图3.1所示。图3.1 电子负载控制方块图3.1电子负载的开环响应由设计要求可知，电子负载工作在4060V，能承受6000W功率。为了保证电子负载正常工作，采用6个1000W模块并联，每个模块最大吸收电流为25A。假定电子负载每个含有MOS管的支路最大工作电流为2A，即每一个模块中有13个MOS管支路。为了方便控制，选择每一模块中有16个MOS管支路，选择的采样电阻和的分压电阻，这样可以保证负载在工作时不会因为电压较高或者电流较大烧坏MOS管。先建立一个单支路开环的电子负载模型，即将图3.1中的反馈回路断开，令H(s)=1。在Matlab/Simulink下建立系统模型，如图3.2所示图3.2开环电子负载电路图其中，是线路以及上的电感，是分压电阻，是采样电阻。设置，。对于选用的MOS管，可由其数据手册计算出增益为，开通电压，调制系数。对N沟道MOS管而言，如果，则，即MOS管的沟道未能开启，MOS管处于截止区。如果，即MOS管的漏源电压在零和栅源电压减去导通电压之间，有 (2-1)这时MOS管工作在线性区，也就是可变电阻区。如果不变，则认为，即电压和电流成正比，MOS管两边的等效电阻为定值。如果，即栅源电压减去导通电压在漏源电压和零之间，有 (2-2)这时MOS管工作在饱和区。在饱和区，假定不变，则不论如何变化，基本恒定在一个固定值。图3.3给出了MOS管的特性曲线。图3.3 N沟道MOS管特性曲线当MOS管栅源电压在05.5V之间时，电流由02A变化。采样电阻上电压的变化范围为01V，为了保证有效的调节范围和适用于数字控制等方面，需要将上的电压进行放大处理，放大倍数由数模转换器的工作范围决定，这里选择放大3倍。在Simulink下的原理图如图3.4所示。图3.4 加入电流采样放大器后的电子负载开环电路图其中，。运算放大器和、构成一个同向放大电路，将电流采样信号放大为03V。为了稳定可靠的对系统进行调节，首先要绘制出系统的波特图，波特图是线性非时变系统的传递函数对频率的半对数坐标图，可以由系统的传递函数求得，也可以通过实验的方法绘制。由于系统的传递函数不容易求得，因此采用实验的方法，分别计算系统在不同频率下的增益和相位差。图3.5 MOS管开环增益及相位测量图如图3.5所示，首先在MOS管栅极加入直流偏置电压，这个电压能够让系统电流稳定在2A，这是栅源电压，在直流偏置上加入一个小的交流信号，这里选取100mV，通过测量放大器上输出电压的交流成分，绘制出波特图。如图3.6所示。图3.6 电子负载波特图由图3.6可知，系统的截止频率在102kHz，穿越频率在230kHz，相位裕度为-86度。为了保证系统的正常工作，需要加入一个调节器使系统能够正常工作，并且对扰动有较好的抑制作用的误差放大器。3.2电子负载误差放大器调节3.2.1误差放大器的选择如图3.7所示，该误差放大器电路在输入端有一复阻抗，在反馈端有一复阻抗，增益为。图3.7 误差放大器电路图将误差放大器的增益或传递函数用它的复阻抗和写出，即以复变量s表示，常用的误差放大器有三种，如图3.8所示。（a） 第一类误差放大器（b） 第二类误差放大器（c） 第三类误差放大器图3.8 常用的三种误差放大器这种误差放大器补偿的方法，首先是由威纳波尔提出，先计算出误差放大器所需要提供的相位裕度（相位提升），接下来根据计算结果，在三种补偿形式的电路中选择其中的一种作为补偿网络。实际元件的选择可以遵循以下规则，即让频带宽度范围内的零点和极点对称分布：零点可以使带宽以内的相位上升，而极点可以使带宽内的增益下降。第一类误差放大器的提升相位不大于0，第二类误差放大器的提升相位不大于75，第三类误差放大器的提升相位不大于160。根据电子负载测量的波特图，选择有单一零点和极点的误差放大器，即第二类误差放大器。3.2.2系统误差校正设计第二类误差放大器电路中含有一个初始极点，一个零点和一个极点，其传递函数为 (2-3)化简后得 (2-4)系统中的两个时间常数为，其中，因此。算得。为了保证在时系统有最大的相位裕度，取，则，。将以上参数代入Matlab模型，可以建立如图3.9所示的模型。图3.9 由第二类误差放大器建立的电子负载模型由上文可知，运算放大器1以及相应的补偿电容一起形成的传递函数是图3.1中的H(s)，MOS管以及相应的电流采样电路形成了图3.1中的G(s)。在输入处加入一个初始为0，在t=1s时电流变为2A的阶跃响应，观察系统的电流输出情况，如图3.10所示。图3.10 电子负载加入阶跃响应时电源电流与采样电阻电压变化图由图3.10可知，系统在正常无扰动情况下工作时输出特性良好，响应速度快，能够满足设计需要。如图3.11所示，系统的扰动为N(s)，引入扰动的位置在调节器之后。通过加入扰动可以观测系统对扰动的抵抗能力。系统的扰动主要是来自电源电压的扰动。由于电源存在一定的纹波，电源输出会在一定范围内波动，造成恒流模式下电子负载输出电流出现波动。纹波是附着于直流电平之上的包含周期性与随机性成分的杂波信号，指在额定输出电压、电流的情况下，输出电压中的交流电压的峰值。图3.11 考虑扰动时系统方框图低频纹波产生原因是由于我国供电频率是50Hz，所以它的纹波主要来自工频50Hz变压器，纹波电压的频率常常是50Hz的整数倍，大小取决于整流电路的类型。开关器件也会产生的噪声，随着开关的开启和关闭的切换，电感L中的电流也是在输出电流的有效值上下波动。所以在输出端也会出现一个与开关同频率的纹波。高频纹波来源于开关变换电路。开关电源的开关管在导通和截止的时候，都会有一个上升和下降时间，这时候在电路中就会出现一个与开关上升与下降 时间的频率相同或者奇数倍频的噪声，一般为几十MHz。同样二极管在反向恢复瞬间，其等效电路为电阻电容和电感的串联，会引起谐振，产生的噪声频率也为几十MHz。还有高频变压器的漏感也会产生高频干扰。这些噪声一般叫做高频纹波噪声。为了观察系统对电源纹波的影响，在模型中加入一个电源模拟电源输出纹波，如图3.12所示。设置交流电压源的峰峰值为2V，频率由100Hz开始。图3.12 电子负载加入扰动后原理图由图3.13可以看出，系统在上述情况下工作时，电子负载的调节器能快速响应输入的低频纹波，但是对于高频的信号响应并不理想，在电流输出处有一定干扰信号存在。图3.13 电源有输出纹波时电子负载加入阶跃响应时电源电流与采样电阻电压变化图作为电子负载，为了满足动态模式的功能，需要在电子负载输入给定加入一系列的方波，并且保证电子负载在电源侧呈现相应的动态响应，将图3.10中的阶跃输入信号改为方波输入信号，频率为10kHz。图3.14 电子负载动态模式响应图由图3.14可知，电子负载在动态模式中，对于输入给定有较大的超调，尤其是在给定较大时十分明显。为了克服上述两个问题，在系统中需要重新设计PID调节器，抑制输出超调，降低输入电源干扰，并且保证电子负载对低频纹波抑制能力强。3.3电子负载N-Z法整定John Ziegler和Nathaniel Nichols发明了著名的回路整定技术使得PID算法在所有应用在工业领域内的反馈控制策略中是最常用的。Ziegler-Nichols整定技术是1942年第一次发表出来，直到现在还被广泛地应用着。所谓的对PID回路的“整定”就是指调整控制器对实际值与设定值之间的误差产生的反作用的积极程度。如果正巧控制过程是相对缓慢的话，那么PID算法可以设置成只要有一个随机的干扰改变了过程变量或者一个操作改变了设定值时，就能采取快速和显著的动作。相反地，如果控制过程对执行器是特别地灵敏而控制器是用来操作过程变量的话，那么PID算法必须在比较长的一段时间内应用更为保守的校正力。回路整定的本质就是确定对控制器作用产生的过程反作用的积极程度和PID算法对消除误差可以提供多大的帮助。3.3.1传递函数的近似在实际的过程中，有大量的对象模型可以近似地由一阶纯延迟惯性环节来表征其传递函数的数学模型，即。对于本系统，可以得到在低频范围内与一阶纯延迟惯性环节近似的等效数学模型。利用上述得到的系统波特图，电子负载在低频的开环传递函数为。其波特图如图3.15所示：图3.15 利用N-Z法整定出的传递函数的波特图3.3.2响应参数的整定基于时域响应的PID参数整定有两种方法，对被控对象施加一个阶跃信号，通过实验的方法测出其响应信号，则输出信号可由图3.16中的形状近似确定参数K放大系数，容量滞后时间和T时间常数。或者设系统只有比例控制的闭环系统，则当Kp增大时，闭环系统若能产生等幅振荡，测出其振荡周期P和振幅Kp，也可以整定PID参数。r(t)tT图3.16 被调量在阶跃输入下的变化曲线利用下表的整定参数，可以计算出系统在不同控制器下的不同参数。表3-1 PID参数整定表控制器控制类型由阶跃响应整定由频域响应整定KpTiTdKpTiTdP00.5Kp0PI00.45Kp0.833P0PID0.6Kp0.5P0.125P由系统的传递函数可知K=2.3878，。由上表可知，。，。如果数据是通过频域响应获得的，可以先画出其对应的Nyquist曲线。可得到系统的剪切频率和极限增益，若令，同样也可以从表3-1给出的经验公式可以得到PID控制器对应的参数。将上述参数代入PID调节器模块中，将系统构建成如图所示的模型，经过仿真后有如图3.17所示的波形。图3.17 N-Z法整定后系统的阶跃响应在输入处加入矩形波信号，并观察系统的响应情况，如图3.18所示。图3.18 系统对方波输入信号的响应由图可知，系统对动态模式中，系统调节速度较慢，虽然系统能够没有超调的完成响应，但是上升时间过长。调节PID调节器的参数，使其更满足于系统响应，经过调节，PID参数如下：，经过仿真，得到如图3.19所示波形：图3.19 重新整定后系统对方波信号的响应由图3.19中可知，经过调节后的PID参数可以很好的满足系统需求，在给定突然上升过程中够无超调的迅速的稳定下来。利用Matlab中PID Tuner可以整定出与上述响应近似的结果，如图3.20所示。图3.20利用PID Tuner响应结果分析3.4电子负载建模结果分析1）有关电子负载的数学模型的分析电子负载是一个单输入单输出的系统，输入量为MOS管栅源极电压，输出量为流过MOS管的电流，也可以认为是在电源测等效的电阻。由MOS管在饱和区的工作特性可知，在沟道调制效应忽略不计的情况下，流过MOS管的电流和栅源电压减去导通电压的平方成正比，当栅源电压发生微小的变化的时候，MOS管上的电流会发生显著的变化。由上述结论与MOS管的工作特性可知，在系统输入端加入一个阶跃信号时，系统的输出变化非常快。即使考虑MOS管输入电容，该电容与线路上的驱动电阻的时间常数小于，完全可以忽略，这也可以解释将系统归为一阶纯延迟惯性环节时，时间常数T和都非常小的原因。2）有关系统超调的分析对于上述设计中系统发生较大超调的原因：系统在工作中积分项的初值不为零，因此当系统状态发生突变时，积分项对系统的调节不能达到预期的效果，会出现较大的超调。在使用Ziegler-Nichols法整定时，对PID调节器进行了重置。当输入给定的变化量很大时，PID调节器会重置，保证积分项、微分项的初值为零。3）有关微分器的说明在实际的应用中纯净的微分环节从来不会应用，因为它会引入不必要的干扰。通常用一个一阶低通滤波环节来代替，近似的PID控制传递函数就可以写成如下形式： （2-5）其中N是一个系数，N越大，一阶低通滤波环节越接近微分环节。3.5恒阻、恒压、恒功率模式调节器的仿真利用上文中设计的PID调节器分别对电子负载的恒阻、恒压模式进行控制。对恒阻模式，建立如下模型，如图3.21所示。图3.21 恒阻模式仿真模型设置仿真时间为0.02s，阶跃时间为0.01s，电源侧等效电阻由变为，电源电压直流量为50V，交流量电压峰值为10V，频率为10kHz。PID调节器参数仍为上文中N-Z法整定参数。仿真结果如图3.22所示：图3.22 恒阻模式下电子负载输入电流与待测电源电压波形图由图3.22可知，在恒阻模式下，不论系统电源如何波动，电流和电压的比值总是维持在设定值，当电阻变小时，流过MOS管的电流会加大。系统对电阻的突然变化响应速度很快，并且保证了较小的超调量。对恒压模式，被测电源选择恒流源，电流输出直流量在1.5A，交流量峰值为0.5A，频率为10kHz，设置仿真时长为0.02s，在0.01s时由电压由40V上升到60V，构建如图3.23所示的模型，仿真结果如图3.22所示。图3.23 电子负载恒压模式电路结构图图3.24 电子负载恒压模式响应曲线由图3.24可知，在恒压模式下，不论电流如何波动，电压总能稳定在设定值，系统的超调量很小，响应速度很快。对恒功率电路，由于模拟电路不利于实现，因此需要借助数字控制器进行调节，在本节仅采用Matlab中的乘法器代替数字部分。选择输出为50V的待测电源，调节器采用上文中整定的调节器。建立如图3.25所示的原理图。图3.25 电子负载恒功率模式原理图电流(A)功率(W)图3.26 恒功率模式电子负载响应图由仿真分析可知，在图3.26所示的波形图中，电子负载的调节能力较差，系统出现了较大的超调，设计的调节器不适合电子负载的恒功率模式，因此需要利用数字控制系统在不影响响应速度的情况下，减小系统的超调。电子负载数字调节的整定与计算在第三章中介绍。3.6 仿真结果分析下表对电子负载采用不同方法整定后上升时间、超调量等值的测量。表3-2 电子负载不同调节器下性能指标整定方法上升时间(ms)超调量误差调节器补偿0.030N-Z法0.00033%由上表可知，利用N-Z法计算出的PID调节器在上系统上升时间有很大的优势，超调量与利用误差调节器补偿后的电子负载基本相同。原因是利用N-Z法整定出的PID调节器让电子负载有很宽的带宽，这样电子负载对输入响应变的十分迅速。但是利用N-Z法整定出的调节器参数在实际中并不实用。因为它的积分系数很大，超过，在实际电路中很难实现，其次N-Z法整定的微分参数很小，应用于电路中也比较困难。4 直流电子负载电路设计4.1电子负载功率电路的设计由第二章内容可知，MOS管串联电阻为15欧姆，以下为该电阻的计算依据。依照上文所述，电子负载功率部分主要由多个MOS管并联而成，主要影响MOS管工作的因素为MOS管上的耗散功率，即：其中Vs是电源电压，I是电源电流，R是与MOS管串联的电阻。上述等式的约束条件为，即在MOS管上消耗的功率小于MOS管最大的耗散功率，流过MOS管的电流小于等于2A以及电源电压在40-60V之间。利用Matlab建立MOS管功耗的函数。在Matlab中输入如下的程序：x,y,z=meshgrid(40:1:60,0:0.25:2,0:1:20);v=y.*(x-y.*z);for(i=40:5:60);for(j=0:0.5:2);for(k=0:2:20);slice(x,y,z,v,i,j,k)hold onendendendhold off运行后可以很清楚的观察到MOS管上消耗的功率随串联电阻、电源电压和电流的影响。如图4.1所示。由图可知，当电阻选择过小时，MOS管上消耗的功率会提升很多，超过设计的安全裕量，如果电阻选择过大，则在电阻上消耗的功率过大，也会超过电阻安全裕量。对功率电阻而言，功率越大，体积越大，综合考虑MOS管和电阻的功率消耗和电子负载的体积，选择的电子负载串联电阻较为合适。图4.1 电子负载输入电压、电流、串联电阻与MOS管功耗关系图通过对市场上现阶段MOS管耗散功率的比对，发现在MOS管为25摄氏度时，其耗散功率小于400W，每升高一度，最大耗散功率减少2W，假定电子负载在满负荷时工作在65摄氏度，则MOS管的最大耗散功率小于270W，考虑MOS管工作的安全裕量等因素，单个MOS管承受的耗散功率小于100W，利用上述程序建立的模型，可以看出选择15欧姆的串联电阻。对比不同的MOS管型号后，选择IRFP260N作为调整电流的器件。在MOS管上电阻的功耗最大为60W，选择100W的金属电阻作为功率电阻。IRFP260N是一款TO-247A封装的HEXFET功率MOS管，耐压200V，导通电阻0.04欧姆，25度耗散功率为300W，每升高1摄氏度最大耗散功率下降2W，输入电容为4057pF，输出电容为603pF。功率部分电路如图4.2所示。图4.2电子负载功率电路原理图其中为功率管，为采样电阻，为串联电阻。4.2电子负载驱动电路设计电子负载的驱动电路主要要求能迅速、精确的将MOS管栅源电压稳定，迅速的响应系统的给定。图4.3 电子负载驱动电路原理图如图4.3所示的电路，是电流采样的输入端，是电压给定端。、构成一个补偿网络，保证运算放大器在工作时输出稳定，这些元件的参数与上文中调节器的参数近似或者相同，有上文中提到的调节器的优势与劣势，但是主要控制器为数字控制部分，本调节器仅起到辅助作用。运算放大器选用LF412，主要是因为它的压摆率较高为10V/us，带宽较宽，输出电流较大，能够迅速的响应输入给定。4.3电子负载采样电路设计4.3.1电流采样电流采样电路如图4.4所示图4.4 电流采样电路原理图其中是串联在支路上的采样电阻，是一个偏置电阻，、构成一个滤波电路。滤波器的增益为，截止频率为。为了满足系统设计的需要，调节，使采样电路的增益为9.54dB。4.3.2电压采样电压采样电路主要以准确的电压采样为目地，并通过一系列的信号调理过程将电源电压减小至单片机可以检测的范围。图4.5 电压采样电路与增益调节电路原理图如图4.5所示，电压采样电路，经、分压后由运算放大器输入至DA的参考电压引脚处。其中运算放大器的放大倍数为一倍，输出电压值在1.18V1.76V。TLV5618是一款数模转换器，它的输出电压为，N为输入给定值。经过上述调理电路处理后输出电压随电源电压变化，并且可由单片机进行倍率控制。通过检测处电压或者检测运算放大器输出电压，即可计算出电源电压的大小。运算放大器OP27是一款高速、高增益、高共模抑制比、低噪声的运算放大器，非常适合检测电路的前级调理。4.4电子负载保护电路设计电子负载需要防止输出过流以及输入过压或者欠压。为了应对上述情况，需要设计能够快速响应过电压、电流等情况的电路。图4.6 过流保护电流原理图图4.6中是加法电路，它将每一路电流采样的电流值相加，由调节输出值的倍数，是一个迟滞比较电路，比较的上门限电压为+5V，下门限电压在-2.35V，当电流值经过加权后大于设计的门限值时，输出由一个大于零的电压变为一个小于零的电压，经过比较器后将MOS管的栅源电压降低，直至关断。若要恢复电子负载的功能，需要将驱动继电器将的2脚处电压降低至-2.35V以下，这时输出为高，这是MOS管才能正常工作。对于过压和欠压情况，只需对电压采样后的信号进行检测，判断是否在给定范围内即可。图4.7 过温保护电路原理图温度保护采用KSD-70温度开关，当温度超过70摄氏度时它会自动闭合，在如图4.7所示的电路中，是电流采样后的输入点。用于温度保护的温度开关和支路上电流检测电路利用两个二极管进行“与”的关系，当温度过高或者电流较大时会在O处给一个高电平的信号，这个信号不会