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毕业设计（论文）中英文资料 题目 基于单片机的直流电子负载设计(硬件）专 业 名 称 自动化班 级 学 号 108202233学 生 姓 名 张连旗指 导 教 师 邱玉兰填 表 日 期 2014 年 3 月 9 日基于SEPIC转换器的快速再生直流电子负载K. M. Tsang and W. L. Chan摘要: 快速再生直流电子负载是基于单端初级电感转换器（SEPIC）转换器实现的。这首一个简单的多环反馈控制系统用来实现电子负载的主要功能的SEPIC转换器的设计。而不是通过放电电阻负载，转换器的输出连接到充电电池，放电的能量可以保存以供将来使用。提出方案的电路实现和实验结果证明了该设计的有效性。关键词：电池，充电器，控制器，电源转换器1、 引言 电源和能量储存的动态响应在许多应用中是非常重要的。为了测试这种系统的动态特性，基于电力电子变换器是常用的电力电子负载。目前，无源耗散荷载用于大多数电力设备测试，大多数测试负载都是基于笨重的电阻上产生过多的能量消耗热来实现的。一些商业电子负载是可用的，这提供了灵活的阻抗控制，仍然是由负载吸收的能量作为热量耗散。随着减少能源消耗和由此产生的CO2排放的需求，工程师们已经把他们的重点发展的更高的整体效率的应用，系统建设已被引入电力电子负载不同的电力电子变换器。能量回馈电子负载设备，这使得电力消耗大大的减少了。RACEL是一个模拟任何物理阻抗和发送测试能量反馈给电网的一个电源电子设备。然而，这样的安排是非常复杂的和低效率的。除了检测电力设备，许多充电电池需要充电 - 放电循环后才能使用它们。和全充放电周期相比被闲置的很长一段时间后需要一些可充电电池，这是很不经济的，因为所有的放电能量都是热量的浪费。然而这些能量被回收并保存以备将来使用，这将极大地减少能源消耗。 图1 对于SEPIC转换器示意图二、建议电子负载 电子负载的主要功能是提供四种操作模式，包括恒功率，恒流，恒阻，恒压。因为所有这些功能是关联的，快速作用的制动器，可以调节输入电流。在传统的电子负载中，电源装置将被连接到通过一个电子开关的电阻性负载。该开关将控制电流流经电阻性负载的量。在这种配置中，所有输入能量将作为热量耗散。为了恢复输入能量和具有从电源连续输入电流，单端初级电感转换器（SEPIC ）用于实现作为电子负载，如图4所示。转换器的输出端连接到可再充电电池来代替电阻负载。因为输出电压可以高于或低于输入电压低所以选择SEPIC型，另外，根据输入电压和输出电压的直流隔离。这种隔离是通过串联电容C实现的，其中模块中的DC从供给侧到输出侧。三、SEPIC AS电流消耗SEPIC转换器非常适用于电流控制的应用。如受控电流源和高功率因数整流器。最近，也有对转炉进行改进的。对SEPIC转换器，输出电压同相和提供了一个真正的关断模式。当开关关闭，其输出下降到零。尽管SEPIC转换器是非常有吸引力的。但是，SEPIC转换器控制器的设计是非常复杂的。SEPIC转换器是一个四阶最小相位系统和不适当的控制器设计，最终将会出现一个不稳定的转换器。通常的方法是使用一个非常低的增益控制器，但这个结果将导致一个缓慢的响应系统。这是不希望的，因为一个电子变速器负载可以具有一个可变电源来工作的。如果转换器的响应速度不够快，它将无法在恒定电流，恒定功率或恒定电阻以维持。为了提高响应跟踪所需的电流和甩负荷的效果的速度，多环控制器的设计提出了SEPIC转换器。而不是设计一个四阶系统中的单个控制器，系统分解为简单的一阶系统和SIMPLE比例积分（PI）控制器，是专为解耦一阶系统。然后将PI控制器组合，以形成一个多环反馈控制系统。A. 状态空间平均模型的SEPIC转换器如图2（a）和（b）所示，当开关处于ON和OFF的SEPIC转换器的操作模式。假设该转换器工作在连续传导模式下运行。由系统上的开关特性给出下式： 图2 SEPIC转换器的操作模式（a）开关ON。（b）开关OFF 其中Vi（t）是输入电压，VC（t）是隔离电容两端的电压，I1（t）是初级电感器的电流为h（t）的次级电感器的电流，IO（t）是输出电流，L 1和L是初级和次级电感器的电感，以及c是隔离电容器的电容。当开关处于OFF时： VO（T）是电池的端电压，如果转换器在固定开关频率操作和U（T）的开关的占空比，状态空间平均模型在一个开关周期内可以得到如下。从（1）和（5）给出了：B.多回路控制器的设计多回路控制器的设计是整个系统非常复杂的单控制器设计，状态空间平均模型解耦为三个简单的一阶系统和简单的PI控制器的设计三解耦系统。二次电流控制回路：考虑（12）和SUME一个稳定状态，可以达到这样的VO（t）和VC（t）为常数。等式（12）可以近似为 其中Vo和Vc是VO（t）的稳态值和v（t）的分别。如果u（t）被取作输入和次级电感器的电流I2（t）被认为是控制变量，电流回路控制器GI（s）可以被设计为（13）如图3所示。 图3 二次电流控制回路一个简单的PI控制器可以作为电流控制回路，以消除VO（t）的对次级电感电流I2（t）的作用来实现。如果PI控制器的形式为 电流控制环的闭环特性可以近似为 图4 二级电压控制回路其中I2r(s)， I2(s)，和Vo(s) 是拉普拉斯变换的参考电感电流 i2r(t)，分别为次级电感电流i2（t）和输出电压V0（t）的，方程（15）表明，如果VO（s）在一个固定值，其电感电流i2(t)的影响可以通过PI控制器消除。 次级电流控制回路的无阻尼固有频率由下式给出：阻尼比求得 与一个给定的控制回路的阻尼比和无阻尼固有频率或带宽，所需的PI控制器的设置的Kp1和Ki1可以很容易地从（16）和（17）获得。二次电压控制回路：除了次级电感电流i（t），在隔离电容器的电压必须调节好。如果控制器的设计不合理，不必要的高电压将穿过隔离电容器的开发。考虑（10），假设一个稳定的状态，一直与稳态占空比达到方程（10）可以近似为：如果次级电感电流i（t）作为输入和初级电感电流I1（T）作为干扰，二次电压环控制器G2（S）可以作为VC（T）的设计，如图4所示。如果I1（T）在稳态调节下，I1的影响（T）在输出VC（T）将是一个斜坡功能。为了消除斜坡干扰，控制回路有2型。电容器的传递函数为1型和一个额外的PI控制器来提高系统的类型2。如果控制器G2（S）的形式为：控制回路可描述为：在VCR（S），VC（S），和I1（S）的拉普拉斯变换的参考电容电压VCR（T），分别为电容器的电压Vc（T），和初级电感电流I1（T）。如果 I1（T）是在一个固定的值，对电容器电压Vc的影响（T）将由PI控制器删除。控制器的设置是基于对无阻尼自然频率的规范和控制回路的阻尼比获得。为控制回路的无阻尼自然频率为：和阻尼比 初级电流控制回路：考虑（9）和假设可以达到一个稳定的状态，占空比u（t）在方程（9）可以近似为： 如果VC（T）作为控制输入，VI（T）和VO（T）可以被视为外部干扰和初级电感电流变控制变量。图5显示了闭环控制的初级电感电流I1（T），在G3（S）是需要的控制器和I1R的传递函数（T）是参考初级电感电流。 图5 初级电流控制回路。如果输出电压Vo（T）是调节和供应VI（T）是一个常数，在电感电流I1的影响（T）如果一个PI控制器内的控制回路的引入消除。如果G3（S）的形式为：拉普拉斯变换的初级电感器的电流为：在I1（S），I1R（S），VI（S），和VO（S）的拉普拉斯变换的初级电感电流I1（T），参考电感电流I1R（T），分别为输入电压VI（T），和输出电压Vo（T）。显然，如果输入电压和输出电压是固定的水平调节，在初级电感电流的影响可以被消除。控制回路的无阻尼自然频率由下式给出：和阻尼比由下式给出：SEPIC转换器的多回路控制：三中控制器可以被组合在一起形成的多环反馈系统。为了满足假设稳态条件下，外部控制回路的带宽要比内部控制回路慢 如图6所示的多回路控制SEPIC转换器框图。 图6 多回路控制SEPIC转换器框图4、 过电压保护 在测试过程中，蓄电池可能已满。进一步的充电电池可能会损坏负载。为了避免过充电的蓄电池，结合电容器旁路电阻可以安装在输出端。如果蓄电池都满了，他们将从SEPIC转换器和旁路电阻器和电容器断开，将连接到使用继电器SEPIC转换器开关，如图7所示。安全地断开蓄电池的SEPIC转换器，旁路电阻和电容的第一连接到转换器的输出由转换器的电池断开。 图7 旁路电阻式电子负载5、 实验装置和结果转换器可以工作在连续导通模式下的一个大的范围内，开关频率的设置和电感的选择必须非常小心。如果最小电流Imin的处理，初级电感L1的大小必须大于在FSIS的转换器的开关频率。实验式电子负载基于DC / DC SEPIC转换器已经与L1 = 820H，L2 = 820H，C = 100F和3-ah 3.2-v磷酸铁锂电池作为储能电池，由于其高循环寿命。设置为3A是最大漏极电流和开关频率是100khz。控制器的设置是基于VI = 4V，VO = 4v.这些设置，最小电流可以由转换器处理为0.012，这是约0.4%的额定电流。设置V0= 4 V的目的是演示的转换器的灵活性，允许输出被比较常用的3.6-v/3.7-v锂离子电池更换。在稳定状态下，VC和u = 0.5。三无阻尼自然频率被设置为1 = 251330路/秒（40千赫），2 = 25133路/秒（4千赫），和3 = 2513.3路/秒（400赫兹）和阻尼比都设置为1 = 2 = 3 = 1.5。设置为1.5的阻尼比和非常大的间隙设置无阻尼自然频率之间这将允许所有的变量和定值的系统仍然是良好的阻尼更多的空间。从（16），（17），（21），（22），（26），和（27），所需的三PI控制器进行了图8所示的蓄热式电子负载的多回路控制器的硬件实现。 图8 对于多回路控制器电路图。 图9 模拟结果的一个输入端6 V（A）200赫兹三角波。（b）200 Hz正弦波。A. 实验结果为了证明所提出的控制器的电流跟踪条件的有效性，a3-ah3.2-v磷酸铁锂电池是被装配到输出和电子负载被放在不同的电流要求和不同的输入电压进行测试。输入电压为6V和直流偏移200赫兹的三角形和正弦参考是集电子负载。上、下为参考信号的限分别为0.5和1.5，图9（a）和（b）的仿真结果表明利用Simulink / Matlab的理想化的情况下。显然，初级电感电流紧随小相移电流参考。图10（a）和（b）所示跟踪电子负载的性能。从0.1传感电阻感应电流。从图10（a）和（b），初级电感电流密切跟踪200赫兹的三角形和正弦信号。平均输出电压为3.56 V。实验结果与模拟结果。图10 与6 V输入电子负载性能 （a）200赫兹三角波。（b）200 Hz正弦波。1频道，参考电流。2频道，初级电感电流。3频道，输出的电池电压。图11 （a）和（b）仿真结果表明，当输入电压为2.5 V的初级电感电流又密切跟踪参考电流。的相移，在这种情况下，稍大于6-V案例。图12（a）和（b）显示电子负载的性能。实验结果与模拟结果。平均输出电压下降到3.46 V。图11 模拟结果与2.5 V输入（a）200赫兹三角波。（b）200 Hz正弦波。图12 用2.5 V输入电子负载性能（a）200赫兹三角波。（b）200 Hz正弦波。1频道，参考电流。2频道，初级电感电流。3频道，输出的电池电压。最后，参考电流被固定在0.8，但输入为2至5.5V之间的变化，图13所示仿真结果。一个很短的瞬态干扰后，初级电感电流回了0.8个在大约5毫秒。图14显示了电子负载的性能调节初级电感电流变化的输入条件下。初级电感电流定居在小于10毫秒，在输入电压的阶跃变化下。实验中的瞬态干扰小于仿真结果由于实验装置无法产生急剧的变化，作为输入的模拟。 图13 改变输入电压下模拟结果 图14 改变输入电压下的电子负载性能。1频道，初级电感电流。2频道，输入电压。3频道，输出的电池电压。从给出的结果参考表明，提出的电子负载可以快速跟踪参考电流的变化的输入条件和要求。因此，功能如恒电流，恒功率，恒电阻可以通过该电子负载的实现。6、 结论 通过添加一个可充电电池的DC / DC SEPIC转换器的输出，实现了一个新的多回路控制器已为SEPIC转换器的转换一个再生电子负载。控制器的设置，可以很容易地从SEPIC转换器获得的设置。在电流跟踪需求的响应速度快，有很好的表现。对不同的输入条件和目前的需求这个电子负载是很合理的。致谢作者要感谢香港理工大学参考文献1 Y.S.RaoandM.C.Chandorkar,“Real-timeelectricalloademulatorusing optimal feedback control technique,” IEEE Trans. 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