基于反馈控制的恒流型电子负载的实验研究

在测量AC-DC和DC-DC电源、功率器件、电池、电池充电器等输出能量或消耗能量时都需要负载，传统的方法是利用固定电阻和可变电阻器来充当被测负载。一种新兴的电子仪器和测试设备一-电子负载应运而生，他利用功率器件模拟电阻器，具有很强的操作灵活性。目前，电子负载技术发展的比较成熟，就其类型来说，一般有具有定电流(CC)、定电阻(CR)、定电压(CV)、定功率(CP)等工作模式。研究和开发新型的低成本的电子负载也成为一项有意义的工作。  

1 恒流型(CC)电子负载结构框图介绍

恒流型(CC)电子负载是用来测试电压源的多种性能的专门设备。本文介绍一款恒流型电子负载的新方案，他基于反馈控制理论，采用模拟PI调解器，控制N沟道大功率MOSFETDE的导通强度，实现对被测电流的无静差控制。其控制精度高，电路简单，成本低廉。图1为恒流型电子负载的结构框图。直流稳压电源框是一款直流稳压电源电路，他提供恒流设定电压、PI调节器工作电压、电流检测和转换电路的工作电源，要求必须具有的功率输出和较高的电压稳定指标。恒流设定电路可提供线性的可调负极性电压输出。PI调节器由普通的运算放大器构成，PI参数用实验的方法调为最佳。执行机构为N沟道MOS管或MOS管组。
  
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2 控制电路设计及实验研究

要实现一个无静差调节控制，就必须采用比例一积分一微分控制规律。对本控制对象，采用比例一积分(PI) 控制就能满足要求。硬件电路如图2所示。电路主要由倒相器，PI调节器，MOS管和霍尔电流传感器组成。设计时一般从控制对象或执行单元进行。首先需要确定的是执行单元的传递函数，即MOS管的放大系数Ks的确定。

2．1 MOS管的放大系数Ks的确定

测试电路如图3所示。被测电压源功率足够大，输出电流满足测试要求。调节给定电位器W，测取MOS管G极电压UG和流过MOS管D-S极的电流IO得到一组实验数据记录在表1中，从表中可以看出，当UG≤2．5 V时，MOS管不导通，IO=0，称为死区。在UG>2．5V后，MOS管开始导通，当UG>3．3 V后，其关系呈线性变化。在线性段求取KS。
  

2．2 电流反馈系数β的确定

也就是霍尔电流传感器转换系数的确定。设计中用到的电流传感器为霍尔传感器，输入为电流，输出为电压，经测试确定霍尔系数K=0．8 V／A，即当传感器的输入端电流为l A时，输出端的电压为O．8 V。β=K=0．8 V／A。  

2．3 PI调节器静态放大系数Kp的确定  

根据负反馈闭环控制原理有：K=βKpKs=1得：Kp=l／βKs△0．875 V／A。根据此值，选取调节器输入、输出电阻值，以满足RF／RI=Kp。  

2．4 各电压极性的确定和控制原理简述

各电压极性一般是由后向前推得，MOS管的控制电压UG为正(+)，也就要求PI调节器的输出为正(+)，又考虑到霍尔电流传感器的输出始终为正(+)，为了构成负反馈控制，则PI调节器的给定电压应为负(一)。所以PI调节器采用负相输入，由前一级的倒相器将由电位器w产生的可调正电压变为可调的负电压，作为恒流设定值加在调节器的输入极，与由霍尔电流传感器提供的电流反馈电压进行比较，根据偏差量和正负极性由PI调节器实现比例一积分调节，以实现电流(IO)恒定。改变积分电容的大小，以满足响应快速性和稳定性要求。
  
3 实验研究结果

表2是实验实测数据，从数据规律看，UGD(电位器w)和MOS管漏、源极电流IO成较好的线性关系。且IO／UGD=1／β=1／0．8=1．25。实验中的调节响应的快速性和抗扰性能都能调为最佳。


4 几点说明和改进措施

(1)由于采用了PI调节器，MOS管的死区不必专门设计电路来消除，MOS管的非线性在闭环内自行消除。  
(2)根据被测设备的性质(阻性，感性，容性)，总可以通过调节PI参数，以保证其快速性，稳定性和抗扰性要求。  
(3)该系统具有很强的可扩展性能。可实现数字给定和调节控制。  
(4)对于要求测试电流较大时，可以考虑用多只MOS管的并联组合来扩大负载容量，如图4所示为2只MOS管的并联组合，在此情形下，Ks'=mKs；Kp'=Kp／m，m为所并MOS管的只数。