耿東山

(湖北民族學(xué)院 信息工程學(xué)院，湖北 恩施 445000)

基于Cortex-M3的高精度直流電子負(fù)載系統(tǒng)設(shè)計(jì)

耿東山

(湖北民族學(xué)院 信息工程學(xué)院，湖北 恩施 445000)

系統(tǒng)以STM32F103VET6為控制核心，采用DAC TLV5616控制運(yùn)算放大器LM358驅(qū)動(dòng)N溝道增強(qiáng)型P-MOSFET CSD17505Q5A，通過負(fù)反饋實(shí)現(xiàn)直流電子負(fù)載的恒流工作模式.同時(shí)采用電流并聯(lián)檢測芯片INA282將電流反饋至MCU，通過ADC采樣檢測實(shí)際電流與DAC設(shè)定電流的差值，利用PID控制器串聯(lián)校正實(shí)現(xiàn)無凈差控制，提高了電流控制的精度.其中PID參數(shù)通過遺傳算法進(jìn)行自整定，預(yù)設(shè)了一組較優(yōu)PID參數(shù)，在實(shí)際高精度測量中，也可以通過重新整定更新PID參數(shù).

直流電子負(fù)載；高精度；高分辨率；遺傳算法；控制器參數(shù)自整定

圖1 直流電子負(fù)載原理示意圖Fig.1 DC electronic load principle diagram

公司和研究所往往用模擬負(fù)載模擬真實(shí)情況，以往常采用一些靜態(tài)負(fù)載進(jìn)行簡單的實(shí)驗(yàn)，對于不同的負(fù)載電流要用不同的負(fù)載裝置，其使用繁瑣、精度較低.而當(dāng)電壓改變時(shí)，已經(jīng)調(diào)好的負(fù)載電流數(shù)值也隨之改變，又需重新調(diào)整負(fù)載阻值，這種效率低下的工作方式幾乎無法完成對電源等相關(guān)設(shè)備的真正測試.

電子負(fù)載不僅可以模擬實(shí)際負(fù)載，還能夠準(zhǔn)確檢測出負(fù)載電壓、負(fù)載電流，它比采用繼電器和電阻器的解決方案更可靠，也更簡易，有效解決了以往對電源等設(shè)備進(jìn)行測試的難題.經(jīng)過這些年的發(fā)展，電子負(fù)載已經(jīng)成為設(shè)計(jì)研發(fā)、加工生產(chǎn)等方面的主要檢測工具.

系統(tǒng)擬設(shè)計(jì)和制作一臺(tái)恒流(CC)工作模式的高精度直流電子負(fù)載，以微控制器為控制核心，采用D/A控制運(yùn)算放大器驅(qū)動(dòng)N溝道增強(qiáng)型電力場效應(yīng)晶體管P-MOSFET，通過負(fù)反饋實(shí)現(xiàn)直流電子負(fù)載的恒流工作模式.負(fù)反饋中串聯(lián)PID控制器進(jìn)行校正，實(shí)現(xiàn)無凈差控制，提高了電流控制的精度.

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

高精度直流電子負(fù)載主要由鍵盤與顯示模塊、控制器模塊、恒流電路模塊、電壓電流檢測模塊、功率器件模塊組成，其原理如圖1所示.

系統(tǒng)通過觸摸液晶顯示屏和輔助控制鍵盤對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置，利用DAC的恒流電路進(jìn)行恒流控制，經(jīng)過ADS1115采集到的電流進(jìn)行閉環(huán)PID控制(PID的參數(shù)提前通過遺傳算法整定，也可后期整定更新)，使電流穩(wěn)定在設(shè)定的值.而電壓采樣跨接在整個(gè)直流電子負(fù)載輸入端，一旦檢測到電壓大于設(shè)定值18 V，立即切斷直流電子負(fù)載與被測電源構(gòu)成的環(huán)路，完成過壓保護(hù)，同時(shí)通過燈光閃爍與蜂鳴器報(bào)警，當(dāng)電壓低于設(shè)定值18 V時(shí)自動(dòng)恢復(fù)電路功能.

圖2 系統(tǒng)硬件框圖Fig.2 The hardware block diagram of the system

圖3 主程序流程圖Fig.3 The main program flow chart

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)總體框圖如圖2所示.

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)包括以下幾個(gè)部分：

1)恒流電路模塊硬件設(shè)計(jì)

在恒流工作模式時(shí)，該電路通過引入負(fù)反饋控制P-MOSFET導(dǎo)通來控制電流使其保持恒定.U2A為跟隨控制，U2B為36倍同相放大反饋.為避免運(yùn)算放大器產(chǎn)生自激震蕩，在U2A 1、2腳之間并接103瓷片電容降低增益進(jìn)行補(bǔ)償，可以得到穩(wěn)定的恒流輸出.

2)電壓檢測模塊硬件設(shè)計(jì)

電壓采樣通過HCNR200高線性度模擬光電耦合器進(jìn)行隔離采樣.

3)電流檢測模塊硬件設(shè)計(jì)

單向運(yùn)轉(zhuǎn)使得INA282能夠測量從一個(gè)方向流經(jīng)一個(gè)阻性分路的電流.在單向運(yùn)行的情況下，當(dāng)差分輸入為0 V時(shí)，輸出可被設(shè)定在負(fù)電源軌(此處為地).采得的電壓經(jīng)過內(nèi)部差分放大后，轉(zhuǎn)換為對地的輸出電壓.IN+與IN-接在康銅絲兩端進(jìn)行并聯(lián)電流檢測.

4)A/D、D/A轉(zhuǎn)換模塊硬件設(shè)計(jì)

從功率模塊采集到的實(shí)際工作電壓和電流，需要通過采樣電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后反饋到單片機(jī)，通過TFT液晶顯示，并利用軟件算法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)PID調(diào)節(jié).

5)電源模塊硬件設(shè)計(jì)

變壓、濾波、穩(wěn)壓三部分構(gòu)成了系統(tǒng)電源，輸出±5 V和±12 V電壓，確保整個(gè)系統(tǒng)的正常穩(wěn)定工作.另外通過DC/DC產(chǎn)生3.3 V為單片機(jī)供電.

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件功能描述

軟件部分主要任務(wù)是根據(jù)電壓、電流采樣的數(shù)據(jù)，若輸入過壓控制繼電器斷開輸入并聲光報(bào)警，否則經(jīng)過PID控制器串聯(lián)校正，由DAC輸出模擬值控制電力場效應(yīng)晶體管P-MOSFET的導(dǎo)通.除此之外，軟件還要處理負(fù)載調(diào)整率的自動(dòng)測量，PID調(diào)節(jié)參數(shù)的自整定，鍵盤的設(shè)置，觸摸屏的設(shè)置和顯示等實(shí)時(shí)性要求較低的任務(wù).

3.2 主程序軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的主程序工作過程如下：系統(tǒng)上電后首先初始化整個(gè)系統(tǒng)，然后進(jìn)入循環(huán).在循環(huán)中，首先根據(jù)電壓采樣值判斷過電壓條件，若條件符合，則調(diào)用過壓保護(hù)子程序.若過電壓條件不滿足，系統(tǒng)則進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)，按鍵掃描子程序會(huì)進(jìn)行按鍵掃描，最后系統(tǒng)根據(jù)按鍵掃描的鍵碼執(zhí)行恒流功能或負(fù)載調(diào)整率自動(dòng)測量功能.圖3為系統(tǒng)的主程序流程圖.

圖4 PID參數(shù)整定子程序流程圖Fig.4 PID parameter tuning subroutine flow chart

圖5 負(fù)載調(diào)整率測試示意圖Fig.5 Load regulation test diagram

3.3 PID參數(shù)整定功能軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)具有遺傳算法自動(dòng)整定PID參數(shù)功能，通過遺傳算法來從維數(shù)眾多的數(shù)據(jù)中逐漸篩選出最優(yōu)的數(shù)據(jù)，遺傳算法求解過程中充滿了隨機(jī)性、多樣性，因此其具有很好的魯棒性.用遺傳算法來進(jìn)行PID參數(shù)整定不僅能快速獲取相關(guān)結(jié)果，而且效果十分理想.圖4是本系統(tǒng)中PID參數(shù)整定子程序流程圖.

4 結(jié)果與分析

4.1 測試方案

設(shè)定精度、分辨率的測試：將直流電子負(fù)載設(shè)置為恒流模式，選擇被測直流電源輸出分別為0.2、2、5、10、17.5 V，測試在0～1 000 mA不同恒流電流下的相關(guān)參數(shù).

過壓保護(hù)功能測試：在直流電子負(fù)載正常工作情況下(分別設(shè)置0、100、200、500、1 000 mA的不同工作條件)，將電壓調(diào)高到18 V，測試過壓保護(hù)的反應(yīng)精度.另外，在上電前將18～20 V電壓加在電路兩端，測試電源上電保護(hù)功能.

測量精度、分辨率的測試：將直流電子負(fù)載設(shè)置為恒流模式，分別設(shè)置恒流電流在0～1 000 mA、待測電源電壓在0.2～18 V情況下變化，測試電壓、電流顯示精度.

負(fù)載調(diào)整率自動(dòng)測試功能驗(yàn)證：為了更便捷的完成負(fù)載調(diào)整率的測試[1]，在待測電源的出線端串接一個(gè)電阻RW.更換不同阻值的RW，可以改變被測電源的負(fù)載調(diào)整率.在被測直流電源電壓為5、10、15 V的情況下，啟動(dòng)直流電源負(fù)載調(diào)整率自動(dòng)測量功能，在自動(dòng)測試完成后，與手工實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對比.圖5是負(fù)載調(diào)整率測試示意圖.

4.2 測試結(jié)果

設(shè)定精度、分辨率的測試結(jié)果見表1.

表1 恒流范圍、分辨率、精度測試，電子負(fù)載端電壓變化下電流變化測試

過壓保護(hù)功能測試結(jié)果見表2.

電壓測量精度的測試結(jié)果見表3.

表2 過壓保護(hù)功能測試

表3 電壓測量精度

電流顯示精度的測試結(jié)果見表4.

表4 電流顯示精度

負(fù)載調(diào)整率自動(dòng)測量功能驗(yàn)證的測試結(jié)果見表5.

表5 負(fù)載調(diào)整率自動(dòng)測量功能

4.3 測試結(jié)果分析與結(jié)論

根據(jù)上述測試數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)的直流電子負(fù)載系統(tǒng)工作電壓范圍0～18 V，工作電流范圍0～1 000 mA，在0.2 V低壓下既可實(shí)現(xiàn)額定電流工作，設(shè)置電流分辨率0.5 mA，精度恒為±0.25 mA，測量電壓分辨率為0.5 mV，精度恒為±0.25 mV，測量電流分辨率為0.2 mA，精度恒為±0.1 mA，在滿足設(shè)計(jì)要求的情況下具備了很高的恒流精度，只采用了較少的元件，實(shí)現(xiàn)了低成本高精度的電子直流負(fù)載測量方案.

[1] 錢大濤.高精度、高可靠性電子測試最新技術(shù)與応用[C]//21世紀(jì)中國電子儀器發(fā)展戰(zhàn)略研討會(huì)文集,2004：85-86.

[2] 劉杰.直流電子負(fù)載在直流電源校準(zhǔn)中的應(yīng)用[J].計(jì)量與測試技術(shù)，2010(10)：39-41.

[3] 丁銳霞.新型電子負(fù)載的研究[D].北京：北方工業(yè)大學(xué)，2008.

[4] 李先峰，王自強(qiáng).饋能型直流電子負(fù)載數(shù)字化控制的研究[J].電力電子，2008(4)：16-20.

[5] 曲暢.電流斷續(xù)型直流電子負(fù)載的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2011.

[6] 黃志瑛，謝光明.功率MOSFET在電子負(fù)載中的應(yīng)用[J].科技資訊，2008(1)：22-23.

[7] 朱鰲鑫.遺傳算法的適應(yīng)度函數(shù)研究[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，1998(11)：60-64.

[8] 曲暢.電流斷續(xù)型直流電子負(fù)載的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2011.

[9] 劉金琨.先進(jìn)PID控制MATLAB仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004：220-234.

DesignofHighPrecisionDCElectronicLoadSystemBasedonCortex-M3

GEN Dong-shan

(School of Information Engineering,Hubei University for Nationalities,Enshi 445000,China)

This paper has mainly described the design of DC electronic load,which is based on Cortex-M3. The system uses STM32F103VET6 as its control core,with DAC TLV5616 controlling LM358,to drive the P-MOSFET CSD 17505Q5A.Through the function of feedback,the current of the load can be kept as a constant.At the same time,the design can bring the current back to MCU by the chip INA282.The D-value between the real data and the set-up value is tested by ADC,and the PID controller series correction isused to realze net difference control ,which improves the precision of current-control.The PID parameters can be adjusted by genetic algorithm.In the process of measurement of high-precision,these parameters can also be updated by readjusting.

DC electronic load;high preciscion;high-resolution;genetic algorithm;self-tuning controller parameters

2013-08-10.

湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(20011CDC017).

耿東山(1983- )，男，碩士，主要從事復(fù)雜系統(tǒng)控制建模的研究.

TP23

A

1008-8423(2013)03-0316-04