基于反饋控制的恒流型電子負載的實驗研究

在測量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都需要負載，傳統(tǒng)的方法是利用固定電阻和可變電阻器來充當被測負載。一種新興的電子儀器和測試設(shè)備———電子負載應運而生，他利用功率器件模擬電阻器，具有很強的操作靈活性。目前，電子負載技術(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載也成為一項有意義的工作。

1 恒流型（CC）電子負載結(jié)構(gòu)框圖介紹

恒流型（ CC）電子負載是用來測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的導通強度，實現(xiàn)對被測電流的無靜差控制。其控制精度高，電路簡單，成本低廉。圖1為恒流型電子負載的結(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。恒流設(shè)定電路可提供線性的可調(diào)負極性電壓輸出。PI調(diào)節(jié)器由普通的運算放大器構(gòu)成， PI參數(shù)用實驗的方法調(diào)為最佳。執(zhí)行機構(gòu)為N溝道MOS管或MOS管組。

2 控制電路設(shè)計及實驗研究

要實現(xiàn)一個無靜差調(diào)節(jié)控制，就必須采用比例積分）微分控制規(guī)律。對本控制對象，采用比例）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)計時一般從控制對象或執(zhí)行單元進行。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)K_s的確定。

2.1 MOS管的放大系數(shù)K_S的確定

測試電路如圖3所示。被測電壓源功率足夠大，輸出電流滿足測試要求。調(diào)節(jié)給定電位器W，測取MOS管G極電壓U_G和流過MOS管D-S極的電流IO得到一組實驗數(shù)據(jù)記錄在表1中，從表中可以看出，當UG≤2. 5 V時，MOS管不導通， I_O= 0，稱為死區(qū)。在U_G＞2. 5 V后， MOS管開始導通，當U_G> 3. 3 V后，其關(guān)系呈線性變化。在線性段求取K_S.

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)測試確定霍爾系數(shù)K = 0. 8 V/ A，即當傳感器的輸入端電流為1 A時，輸出端的電壓為0.8V.β= K = 0. 8 V/A

2.3 PI調(diào)節(jié)器靜態(tài)放大系數(shù)K_P的確定

根據(jù)負反饋閉環(huán)控制原理有： K =βK_P K_S = 1 得：K_P = 1/ βK_S△0. 875V/A.根據(jù)此值，選取調(diào)節(jié)器輸入、輸出電阻值，以滿足R_F/R_I = K_P.

2.4 各電壓極性的確定和控制原理簡述

各電壓極性一般是由后向前推得， MOS管的控制電壓U_G為正（ + ） ，也就要求P_I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)成負反饋控制，則PI調(diào)節(jié)器的給定電壓應為負（ - ）。所以PI調(diào)節(jié)器采用負相輸入，由前一級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行比較，根據(jù)偏差量和正負極性由PI調(diào)節(jié)器實現(xiàn)比例積分調(diào)節(jié)，以實現(xiàn)電流（ I _O ）恒定。改變積分電容的大小，以滿足響應快速性和穩(wěn)定性要求。

3 實驗研究結(jié)果

表2是實驗實測數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)規(guī)律看， U_GD （電位器W）和MOS管漏、源極電流I_O成較好的線性關(guān)系。且I_O / U_GD= 1/ β= 1/ 0. 8= 1. 25.實驗中的調(diào)節(jié)響應的快速性和抗擾性能都能調(diào)為最佳。

4 幾點說明和改進措施

（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)具有很強的可擴展性能?？蓪崿F(xiàn)數(shù)字給定和調(diào)節(jié)控制。

（4）對于要求測試電流較大時，可以考慮用多只MOS管的并聯(lián)組合來擴大負載容量，如圖4所示為2只MOS管的并聯(lián)組合，在此情形下，K_{`S</sub>= mK<sub>S</sub>； K<sub>`P} = K_P/m,m為所并MOS管的個數(shù)。

（5）當擴容后，需要考慮增加MOS管驅(qū)動電路。

（6）此電路中沒有耗能元件，所有的負載功率消耗僅由環(huán)路內(nèi)元件承擔，主要是MOS管自耗。受MOS管自身的功耗性能限制，允許流過的電流不可能太大，即使采用并聯(lián)電路等擴容措施。所以正常使用時要充分考慮MOS管的散熱。