基于虛擬儀器的大功率高精度電子負(fù)載

戴冬冰，劉正光

(1.天津天獅學(xué)院信息與自動(dòng)化學(xué)院，天津 301700；2.天津大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300072)

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基于虛擬儀器的大功率高精度電子負(fù)載

戴冬冰1，劉正光2

(1.天津天獅學(xué)院信息與自動(dòng)化學(xué)院，天津 301700；2.天津大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300072)

傳統(tǒng)的電子負(fù)載存在測(cè)試精度低、量程范圍小、測(cè)試儀的智能化程度差等問(wèn)題，為了克服這一不足，設(shè)計(jì)了一個(gè)大功率高精度的電子負(fù)載系統(tǒng)，提出了大功率和高精度進(jìn)一步結(jié)合的解決方案，開(kāi)發(fā)了基于虛擬儀器技術(shù)的人機(jī)交互客戶端，給出了測(cè)試系統(tǒng)的嵌入式程序設(shè)計(jì)。 基于LabView語(yǔ)言、單片機(jī)和MOSFET研制出的電子負(fù)載系統(tǒng)具有測(cè)試精度高、量程范圍大、可二次開(kāi)發(fā)等特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用該設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的電子負(fù)載系統(tǒng)，測(cè)試精度能夠達(dá)到0.1%，量程范圍為0～240 A，有效地實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的大功率和高精度。

大功率；高精度；虛擬儀器；電子負(fù)載；恒流源；功率管

0 引言

電子負(fù)載系統(tǒng)是電池測(cè)試系統(tǒng)中必不可少的子系統(tǒng)，在電池放電過(guò)程中，利用電子負(fù)載模擬真實(shí)負(fù)載，對(duì)電池的電壓、電流、功率等電氣參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。在測(cè)試過(guò)程中，測(cè)試系統(tǒng)需要對(duì)電池在各種工作狀態(tài)下的參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試及特定分析。

大功率、高精度智能電子負(fù)載系統(tǒng)的研究已成功應(yīng)用到對(duì)各種電源設(shè)備的監(jiān)測(cè)中，研究成果還存在問(wèn)題：(1)測(cè)試精度低，一般為1%～10%；(2)量程范圍不夠大，一般為幾個(gè)A到幾十個(gè)A不等；(3)測(cè)試儀的智能化程度不足，人工參與程度高。因此，本文設(shè)計(jì)了一種基于虛擬儀器的大功率、高精度的智能電子負(fù)載系統(tǒng)。該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)恒電壓、恒電流、恒功率、恒負(fù)載、采樣電壓、采樣電流、暫停和停止等功能。實(shí)驗(yàn)證明本系統(tǒng)測(cè)試精度達(dá)到0.1%，量程范圍為0～240 A。

1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的電子負(fù)載核心部件為恒流源，系統(tǒng)包括3大部分，即控制模塊、通道模塊以及功率模塊?？刂颇K用于恒電壓、恒電流、恒功率、恒負(fù)載、采樣電壓、采樣電流等功能的整體控制；通道模塊通過(guò)輸出控制信號(hào)到MOSFET的柵極，從而實(shí)現(xiàn)電壓控制電流，對(duì)回路電流實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制，此外，測(cè)試電池兩端的電壓以及回路電流也將通過(guò)通道板進(jìn)行采樣；功率模塊由MOSFET和均流電路組成,MOSFET并聯(lián)技術(shù)實(shí)現(xiàn)大功率和高精度。MOSFET的控制方式分為線性方式和PWM方式。線性方式的特點(diǎn)是：精度和穩(wěn)定性要高于PWM方式，但效率要比PWM方式低。

1.1 控制模塊硬件電路設(shè)計(jì)

在控制模塊的設(shè)計(jì)中，單片機(jī)通過(guò)RS232與PC進(jìn)行通信，通過(guò)A/D模塊與D/A模塊實(shí)現(xiàn)與通道模塊之間的數(shù)模轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換，從而分別實(shí)現(xiàn)采樣和給定的功能。此外，在單片機(jī)外圍進(jìn)行了擴(kuò)展I/O口的設(shè)計(jì)?？刂颇K示意圖如圖1所示。

圖1 控制模塊示意圖

1.2 通道模塊硬件電路設(shè)計(jì)

本文在通道模塊的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)了8個(gè)通道,8通道可以單獨(dú)運(yùn)行，也可以并聯(lián)運(yùn)行。

通道模塊是由模擬電路組成的2個(gè)積分控制回路，即電壓控制回路和電流控制回路。由于控制器輸入與輸出之間存在一定的誤差，即通常所說(shuō)的靜差，可以通過(guò)閉環(huán)來(lái)調(diào)節(jié)。為此使用積分調(diào)節(jié)器，對(duì)靜差進(jìn)行積分運(yùn)算，從而消除靜差，利用負(fù)反饋原理使得輸出值不斷跟蹤設(shè)定值，進(jìn)一步提高精度。

恒電壓積分控制回路與恒電流積分控制回路如圖2、圖3所示。

如圖2所示，恒電壓控制回路是由積分調(diào)節(jié)作為控制器的閉環(huán)控制，給定電壓與反饋電壓進(jìn)行數(shù)值減法運(yùn)算，然后將差值 作為控制器的輸入，通過(guò)閉環(huán)與積分運(yùn)算消除靜差。由于恒壓控制器的增益設(shè)置為1，因此其輸出等于輸入，通過(guò)緩沖跟隨器之后仍為,用去控制MOSFET的柵極，從而控制主回路電流的大小，進(jìn)一步調(diào)節(jié)與控制被測(cè)對(duì)象的端壓。反饋信號(hào)為被控對(duì)象兩端的電壓，恒壓反饋信號(hào)為負(fù)，反饋信號(hào)的范圍是-10 V～0。

圖2 恒電壓積分控制回路

如圖3所示，恒電流控制回路也是基于積分調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制。與恒壓控制不同的是，恒流控制回路包含兩條支路，一條支路是高量程電流反饋，另一條支路是低量程電流反饋，通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)進(jìn)行切換，并且回路電流要經(jīng)過(guò)采樣電阻轉(zhuǎn)換為電壓作為反饋信號(hào)。恒流控制時(shí)，反饋信號(hào)為正，反饋信號(hào)的范圍是0～+10 V。值得注意的是，這里的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)是邏輯上的轉(zhuǎn)換，在電路中并不存在這樣一個(gè)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)。在實(shí)際電路中由高、低量程繼電器實(shí)現(xiàn)量程的轉(zhuǎn)換。

圖3 恒電流積分控制回路

1.3 功率模塊電路設(shè)計(jì)

1.3.1 功率模塊硬件電路

本系統(tǒng)使用20個(gè)MOSFET并聯(lián)，功率模塊由MOSFET和均流電阻組成,20個(gè)MOSFET分為兩組，每組10個(gè)，每組配備一個(gè)散熱風(fēng)道，如圖4所示。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，單通道可以實(shí)現(xiàn)0～30 A的大電流，單通道功率量程為0～300 W，并聯(lián)后最大電流可以達(dá)到240 A。

圖4 MOSFET并聯(lián)電路原理圖

1.3.2 功率模塊PWM控制方式設(shè)計(jì)

MOSFET的PWM控制電路如圖5所示，選擇SG1525A電壓控制型PWM集成控制器作為脈沖發(fā)生器。SG1525A的引腳1送入反饋電壓，引腳2送入基準(zhǔn)電壓，輸入到SG1525A內(nèi)部的誤差放大器，控制PWM集成控制器脈沖輸出的寬度。

圖5 功率MOSFET控制信號(hào)產(chǎn)生示意圖

SG1525A PWM集成控制器輸出的是一系列0 V和5 V正脈沖，由于實(shí)際電路的需要，要將這組正脈沖調(diào)制成正負(fù)脈沖，即原來(lái)的正電平保持不變，將0 V變成負(fù)電平。這個(gè)調(diào)幅電路只要加入兩個(gè)運(yùn)算放大器。第一個(gè)運(yùn)算放大器用來(lái)增大PWM集成控制器的脈沖的幅度，第二個(gè)運(yùn)算放大器用來(lái)做一個(gè)減法即可得到一系列正負(fù)間隔的脈沖。在原有PWM調(diào)制信號(hào)的基礎(chǔ)上，引入一個(gè)反饋信號(hào)：即將變壓器L1副邊的電壓值送到一個(gè)加法器，將其與已調(diào)制的控制信號(hào)做加法，然后再送到功率MOSFET的柵極。這樣功率MOSFET就可以實(shí)現(xiàn)要求的開(kāi)關(guān)狀態(tài)了。如圖6所示。

圖6 功率MOSFET控制信號(hào)的生成電路

1.3.3 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)必須充分考慮到參考地以及強(qiáng)電和弱電之間的隔離問(wèn)題，圖7是功率MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路。

圖7 功率MOSFET驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)電路采用光電隔離的方式，為了進(jìn)一步縮短?hào)艠O驅(qū)動(dòng)的關(guān)斷延遲時(shí)間，采用了降低電路的阻抗改進(jìn)型光耦電路。

1.3.4 電路分析與仿真

對(duì)電路的分析是在假設(shè)功率MOSFET導(dǎo)通時(shí)的壓降為0V的條件下進(jìn)行。在PWM控制信號(hào)的作用下，變壓器T1和電阻R7兩端加上了如圖8所示的電壓(E為被測(cè)電源兩端電壓)。

電壓的表達(dá)式如式(1)所示：

(1)

占空比(D=τ/T0)由PWM控制信號(hào)決定。將該信號(hào)展成傅立葉級(jí)數(shù)的形式：

(2)

式中：

(3)

(4)

(5)

式(1)中的直流分量為：

(6)

在高頻電路中信號(hào)的直流分量都作用于電阻R7上，而交流分量則都作用于變壓器T1兩端。因此在變壓器兩端作用的信號(hào)為：

(7)

系數(shù)an和bn的值在表達(dá)式(4)和式(5)中。由此可知加在變壓器兩端的波形如圖9所示。

圖8 T1和R7兩端總電壓

圖9 變壓器兩端波形

其表達(dá)式為：

(8)

對(duì)式(8)進(jìn)行傅立葉變換獲所得的結(jié)果與式(7)是相同的。

下面使用Multisim2001對(duì)圖7的電路進(jìn)行仿真。PWM控制信號(hào)由一個(gè)高頻的脈沖發(fā)生器代替，功率MOSFET采用理想器件，變壓器為TS_MISC_25_TO_1，R7=1 kΩ，光耦為CNY17-4，Vdd=4 V。占空比D=50%。仿真的波形如圖10所示。

圖10 變壓器和電阻兩端電壓

2 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中下位機(jī)軟件編寫基于C語(yǔ)言，設(shè)計(jì)的基本原則是模塊化。模塊間低耦合甚至零耦合，可裁剪，可讀性強(qiáng)。程序中main函數(shù)主要包括兩大類：一是對(duì)硬件系統(tǒng)初始化；二是串口通訊函數(shù)。串口通訊函數(shù)用于上位機(jī)與電子負(fù)載系統(tǒng)之間的串口通訊。串口通訊方式一般可分為兩種，一種是采用中斷方式，另一種是查詢方式，本次設(shè)計(jì)采用查詢方式。整個(gè)通訊程序不斷檢查通訊口，如果通訊口沒(méi)有動(dòng)作則處理繼電器刷新程序。待刷新程序處理完成后，如果滿100 ms則處理采樣程序，若不滿100 ms則繼續(xù)檢查串口。軟件設(shè)計(jì)框圖如圖11所示。

圖11 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)框圖

3 客戶端軟件設(shè)計(jì)

基于虛擬儀器技術(shù)的圖形化語(yǔ)言LabVIEW程序運(yùn)行速度快、性能穩(wěn)定，人機(jī)交互界面簡(jiǎn)潔明了。使用LabVIEW在計(jì)算機(jī)上創(chuàng)建一個(gè)圖形化的用戶界面，設(shè)計(jì)出了基于虛擬儀器的電子負(fù)載系統(tǒng)。通過(guò)這個(gè)圖形主控界面，使用者可以進(jìn)行工作模式控制、系統(tǒng)校正、顯示采樣值和顯示系統(tǒng)狀態(tài)等。系統(tǒng)軟件框圖如圖12所示。

圖12 客戶端軟件設(shè)計(jì)框圖

4 系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)

采用8V-2A的電源為測(cè)試系統(tǒng)供電，USB2833數(shù)據(jù)采集卡選擇默認(rèn)5V的量程范圍，給定電壓1V對(duì)應(yīng)0.4A的給定電流，即5V對(duì)應(yīng)2A電流。

數(shù)據(jù)測(cè)量是反映測(cè)試系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)，所以要對(duì)電子負(fù)載的核心部件恒流源進(jìn)行輸出電流的穩(wěn)定性測(cè)試，進(jìn)行10次測(cè)試結(jié)果如表1所示，輸出電流特性曲線如圖13所示。

表1 恒流源輸出電流穩(wěn)定性測(cè)試數(shù)據(jù)

圖13 輸出電流特性曲線

5 結(jié)論

本文闡述的基于虛擬儀器技術(shù)的大功率高精度電子負(fù)載系統(tǒng)，通過(guò)解決大功率和高精度的結(jié)合問(wèn)題，提高了系統(tǒng)測(cè)試精度和量程范圍。利用虛擬儀器技術(shù)，以計(jì)算機(jī)和高性能的模塊化硬件為平臺(tái)，結(jié)合LabVIEW軟件來(lái)完成系統(tǒng)測(cè)試，提高了開(kāi)發(fā)效率和設(shè)備性能。該系統(tǒng)能夠完成不同種類電池的各種電氣參數(shù)的測(cè)定，實(shí)驗(yàn)證明參數(shù)準(zhǔn)確可用于各類電源的參數(shù)測(cè)試。

[1] 劉志剛，李寶昌，汪至中.電能反饋型電子負(fù)載的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)．鐵道學(xué)報(bào)，2001，23(3)：37-41.

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[3] 周強(qiáng)，李家武.基于ARM的實(shí)時(shí)調(diào)整型電子負(fù)載的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2008,16(9):1295-1297.

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High-power and High-precision Electronic Load Based on Virtual Instrument

DAI Dong-bing1,LIU Zheng-guang2

(1. School of Information and Automation,Tianjin Tianshi College ,Tianjin 301700,China;2. School of Electrical Engineering and Automation,Tianjin University,Tianjin 300072,China)

Traditional electronic load has some deficiencies such as low accuracy,small scale range,low intelligence,etc. In order to overcome these issues,a high-power and high-precision electronic load system was designed,a solution for further combining the high-power and the high-precision was proposed ,a man-machine interaction client-side based on virtual instrument technology was developed,and an embedded programming for the testing system was proposed. The electronic load system was designed based on LabView,single chip microcomputer and MOSFET that ensure high testing accuracy,large dynamic range and secondary development function. Experimental results show that the measurement accuracy of the electronic load system using our scheme can reach 0.1% with the measuring dynamic range from 0 to 240 amps and achieve high power and high precision effectively.

high-power; high-precision; virtual instrument; electronic load; constant current source; power drivers

2013年度天津市高等學(xué)?？萍及l(fā)展基金計(jì)劃項(xiàng)目(20130716)

2015-05-27 收修改稿日期：2015-06-27

TP202

A

1002-1841(2015)09-0040-04

戴冬冰(1978— )，講師，碩士研究生，主要研究領(lǐng)域：計(jì)算機(jī)控制與智能儀器。E-mail：tszdh666@163.com 劉正光(1945— )，教授，博士研究生導(dǎo)師，主要研究領(lǐng)域：圖象處理與智能儀器。E-mail：zh_liu@tju.edu.cn