
直流电子负载
简介
本系统以STM32F103单片机为控制核心,采用PID闭环调节算法实现了电子负载的恒流(CC)和恒阻(CR)工作模式。各个模块能够稳定工作且系统具有较高的控制和测量精度。
简介:本系统以STM32F103单片机为控制核心,采用PID闭环调节算法实现了电子负载的恒流(CC)和恒阻(CR)工作模式。各个模块能够稳定工作且系统具有较高的控制和测量精度。开源协议
:GPL 3.0
描述
一、方案论证
1. 比较与选择
方案一:在运算放大器的输出端接一个MOS管,利用运算放大器的虚短原理,由单片机给运算放大器给输入端的一端设定一个电压值,通过闭环反馈来控制运算放大器输出端电压的值达到控制MOSFET导通程度。控制MOSFET源极电压,再配合采样电阻来实现恒流。该电路结构简单,但实现功能不够完善。
图1 方案一主拓扑
方案二:采用升降压斩波电路,其基本原理是将两个通用半桥板串接在一起,同名端相连,组成一个全桥电路。在升降压斩波电路后接入一个定值电阻R1将其构成直流电子负载电路。通过两路PWM实现恒流、恒阻的控制。该拓扑结构简洁,控制方式简易,操作简便、稳定性高。
图2 方案二主拓扑
综合上述论证,选用方案二,即采用升降压斩波电路。
2. 方案描述
系统由主电路模块、辅助电源模块、测量模块、控制模块、显示模块五部分组成。主拓扑采用升降压斩波电路,其基本原理是将两个通用半桥板串接在一起,同名端相连,组成一个全桥电路。在升降压斩波电路后接入一个定值电阻R1将其构成直流电子负载电路。辅助电源模块采用mc34063升压电路从单片机取电,升至12V为采样电路和控制电路供电。采样电路包括电压采样和电流采样,电压采样由分压电阻构成、电流采样由INA282电流检测芯片构成。控制模块以STM32F103为核心,通过采样电路获得采样电压和电流,使用PID算法进行恒流和恒阻控制,同时由显示模块实时显示。此外,我们加入了无线遥控器来更改系统模式。系统框图如图3所示。
图3 系统框图
二、电路与程序设计
1. 主回路与器件选择
主回路由升降压斩波电路和一个大功率定值电阻构成,在升降压斩波电路后接入一个定值电阻R1将其构成直流电子负载电路。系统可稳定工作在题设两种模式,即恒流模式(CC)和恒阻模式(CR)。主回路拓扑如图4所示。
图4 主回路拓扑
在恒流模式时,要求保持Ui恒定,即当Ii变化时,Ui保持不变。由功率守恒定律可知为了实现Ii的恒定,当Ui增大或减小时,需要增大或减小Uo。通过调整开关管的占空比以改变升降压斩波电路的电压增益,使得Uo随Ui同向变化,最终实现负载端输入电压恒定的功能。
在恒阻模式时,要求保持等效电阻Radj不变,即当Ui变化时,Radj维持恒定。由功率守恒定律可知,为了实现Radj的恒定,当Ui增大或减小时,需要增大或较少Uo。通过调整开关管的占空比以改变升降压斩波电路的电压增益,使得Uo随Ui同向变化,最终实现负载端输入电压恒定的功能。
开关管选择:本系统MOSFET管所承受的峰值电压为30V,考虑到开关过程中的电压尖峰,因此留有50%的裕量;电路正常工作时,通过开关管的最大电流约为2.5A,因此耐受电流最好大于3A。考虑到应尽可能减小开关管损耗,选择N沟道MOS管SET0178,耐压100V。
电感选择:考虑到系统对效率要求较高,电感的漏感应尽可能小,电路工作时重要的是避免电感饱和、温升过高,应该采用承受峰值电流能力较强,EMI低的铁硅铝磁环,其漏感极小。
电容选择:在主拓扑中,电压输入和输出侧电容会直接影响电压纹波,由于题目对电压稳定性要求较高,因此选用较大容值的电解电容与高频瓷片电容并联,尽可能抑制纹波。
2. 测量控制电路、控制程序
(1)电压测量电路
电压测量电路由分压电阻和电压跟随器组成。该系统需采集、两路电压,故使用LM358双运放芯片设计电压跟随器,适当选择分压电阻提高单片机采样精度。电压测量原理图如图5所示。
图5 电压测量电路
(2)电流测量电路
为了保证系统最大功率点跟踪的精度,电流测量采用INA282高精度芯片,INA282可以对康铜丝两端的电压进行50倍放大,单片机通过自带的ADC采集电压信号从而推算出电流大小。电流测量原理图如图6所示。
图6 电流测量电路
(3)PID算法
本系统采用PID算法进行闭环控制。PID控制器是一种线性控制器,首先根据给定值和实际值得出偏差,然后对偏差按比例项、积分项和微分项进行线性组合构成控制量。控制框图如图7所示。
图7 PID控制框图
(4)控制程序
在电子负载恒流模式下,当电子负载输入端电流设定值“Set_curr”大于输入电流“curr_in”时,增大升降压电路的电压增益,使电子负载中电阻两端的电压增大,从而增大电子负载输入端的电流“curr_in”。当电子负载输入端电流设定值“Set_curr”小于输入电流“curr_in”时,减小升降压电路的电压增益,使电子负载中电阻两端的电压减小,从而减小电子负载输入端的电流“curr_in”。
在电子负载恒阻模式下,最终是通过调节电压增益实现阻值恒定的。因此需要通过“TargVolt = curr_in*SetR/1000”将电阻的设定值转换为目标电压,其中“SetR”可以通过显示屏在线调节,“curr_in”是电子负载输入端的电流,由开发板AD通道采集得到。当目标电压“TargVolt”大于电子负载输入端的电压“volt_in”时,相当于等效电阻Radj增大,输入电压Ui减小,为维持Radj不变,相应的应减小升降压电路的电压增益,使电子负载中R1两端的电压减小。当目标电压“TargVolt”小于电子负载输入端的电压“volt_in”时,则应增大升
降压电路的电压增益,使电子负载中R1两端的电压增大。
图8 CC、CR模式程序框图
三、理论分析与计算
1.主电路器件参数选择及计算
(1)电感选型计算
由于DC-DC电路采用MOSFET管代替传统的续流二极管,电感不存在断续模式,占空比取.95,0.30,负载最大电流3A。因此电感按以下公式计算:
在双向DC-DC工作模式即电池充放电模式下,占空比取.70,0.40,负载最大电流2A。
综上所述并结合实际情况,升降压斩波电路电感都选择1mH。
(2)电容选型计算
在双向DC-DC工作模式下,电池侧电压的纹波大小应该满足:
其中,L=1mH,,0.30,应有,根据,
则C147.91。综合考虑滤波效果和整体质量,选用容值较大的470和高频瓷片电容并联。
2. 提高效率的方法
(1)开关器件的损耗不可避免,但是可以采用低功耗的开关管和二极管。
以往我们一般选用IRF540型NMOS管,但是该开关管的导通电阻相对还是较大,为了能更好的降低导通电阻且提升效率,我们选用了SET0178型开关管,导通阻值极低,稳定性高。续流二极管采用快恢复二极管FR307减小损耗来提高效率。
(2)降低PWM的频率,我们采用20kHz的PWM控制开关管导通与截止,相对于更高频率的PWM来说效率更高。
四、测试方案与测试结果
1.测试方案及测试条件
将升降压斩波电路后接一个25Ω100W大功率电阻构成直流电子负载。通过改变稳压电源的电压以测试不同状态下的电路指标。结合题目中的测试参考接线图,设置合适的电压、电流测试点,使用五位半台表和三位半手持表测试相应的电压、电流值。
测试仪器:直流稳压电源、五位半台式万用表、三位半手持万用表。
2.测试结果与分析
(1)恒流(CC)工作模式的电流设置范围为 100mA~2000mA,设置分辨率为 10mA,设置精度为+/-1%。在恒流(CC)工作模式下,当电子负载两端电压变化 10V 时,要求输出电流变化的绝对值小于变化前电流值的5%。结果见表1。
表1 测试数据记录(一)
/V /A |
0.1 |
0.5 |
1.0 |
1.5 |
2.0 |
模式 |
10 |
0.102 |
0.507 |
1.099 |
1.511 |
2.097 |
CC |
20 |
0.110 |
0.511 |
1.021 |
1.590 |
2.101 |
CC |
经测试结果计算可知,当电子负载两端电压变化 10V 时,输出电流变化的绝对值小于变化前电流值的5%。
(2)定电阻模式的电阻设定范围值10-99 欧姆,设置分辨率为10mA,设置精度为+/-1%。结果见表2。
表2 测试数据记录(二)
/Ω |
10 |
30 |
50 |
70 |
90 |
99 |
模式 |
/Ω |
10.078 |
30.013 |
50.005 |
70.090 |
89.996 |
99.989 |
CR |
经测试结果计算可知,定电阻模式下实际电阻值符合题目要求。
(3)结果见表3。
表3 测试数据记录(三)
/A |
1 |
2.0 |
2.5 |
/V |
22.87 |
0 |
0 |
经测试结果计算可知,过载保护电流值可以在2000-25000Ma之间设置,一旦发生过载会进行有效提示。符合题目要求。
(4)结果见表4。
表4 测试数据记录(四)
/V |
10 |
14 |
18 |
22 |
26 |
|
/V |
1.201 |
16.56 |
1.30 |
24.97 |
2.466 |
93.47% |
/A |
0.5 |
0.7 |
0.9 |
1.1 |
1.3 |
1.4 |
/A |
0.513 |
0.712 |
0.912 |
1.113 |
1.321 |
1.422 |
经测试结果计算可知,显示精度符合题目要求。
(5)当在定电阻模式时,能实时显示电阻值。精度为+/- (2%+0.8%FS 以上),分辨力为1Ω。结果见表5。
表5 测试数据记录(五)
/Ω |
10 |
30 |
50 |
70 |
90 |
/Ω |
9.987 |
29.798 |
49.899 |
69.945 |
89.978 |
由测试结果可知,当在定电阻模式时,能实时显示电阻值。精度为+/- (2%+0.8%FS 以上),分辨力为1Ω。符合题目要求。
设计图

BOM


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