基于 DSP 的電子負(fù)載----研究意義及名詞解釋

如何科學(xué)快速地檢測(cè)電源產(chǎn)品的性能和指標(biāo)成了一大難題。靜態(tài)能耗式負(fù)載像電阻和電阻箱等，采用有級(jí)調(diào)節(jié)，負(fù)載形式單一，功率小。現(xiàn)實(shí)中的實(shí)際負(fù)載形式比較復(fù)雜，通常都是動(dòng)態(tài)的，即負(fù)載隨時(shí)間、頻率在不斷的變化，傳統(tǒng)的靜態(tài)負(fù)載越來(lái)越不能滿足電源測(cè)試的要求。因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者都在尋求可以替代的負(fù)載形式，產(chǎn)生了由電阻、電感、電容、晶體管和集成電路組成的電力電子負(fù)載。它可以在輸入端模擬線性、非線性和特殊負(fù)載的電特性，達(dá)到對(duì)被測(cè)設(shè)備各種電特性的測(cè)試目的。同時(shí)將電力電子技術(shù)和微機(jī)控制技術(shù)引入負(fù)載裝置，設(shè)計(jì)成數(shù)字電子負(fù)載，建立相應(yīng)的軟件操作界面，不但可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)靜態(tài)負(fù)載的一些基本功能，而且可以在原有負(fù)載的基礎(chǔ)上通過(guò)升級(jí)軟件，實(shí)現(xiàn)更多的功能：

（1）預(yù)設(shè)測(cè)試值。在恒流模式下，測(cè)試電池2A電流的放電特性，將設(shè)定值輸入電子負(fù)載，接上測(cè)試電源，電子負(fù)載將按照設(shè)定的2A的電流開(kāi)始給電池放電，全程自動(dòng)完成測(cè)試任務(wù)。

（2）測(cè)試參數(shù)的保存。當(dāng)電子負(fù)載在生產(chǎn)線上應(yīng)用時(shí)，可為待測(cè)試產(chǎn)品設(shè)定一組數(shù)據(jù)并保存下來(lái)，當(dāng)下次再測(cè)試這個(gè)產(chǎn)品時(shí)只要調(diào)出來(lái)使用就行了，而不用再?gòu)男略O(shè)計(jì)參數(shù)。

（3）測(cè)試模式的選擇。測(cè)試電源產(chǎn)品在不同測(cè)試模式下，不同的電流值下電壓變化情況，或者是在不同電壓值下的電流變化情況，此功能可以讓待測(cè)電源產(chǎn)品在測(cè)試時(shí)按照設(shè)定的測(cè)試模式下，根據(jù)測(cè)試參數(shù)的不同自動(dòng)控制輸入信號(hào)。

（4）數(shù)據(jù)保存功能。少量的數(shù)據(jù)可暫時(shí)保存于DSP的RAM上，長(zhǎng)期保存的較大c的數(shù)據(jù)，需要通過(guò)串口把傳到上位機(jī)上，保存到電腦硬盤(pán)里面。

（5）控制策略調(diào)用。對(duì)不同的待測(cè)電源，調(diào)用上位機(jī)里面不同的控制算法來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的控制策略，適應(yīng)不同產(chǎn)品的電源特性，滿足測(cè)試的精度要求。

數(shù)字式電子負(fù)載與傳統(tǒng)的模擬電阻性負(fù)載相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）體積小、重量輕、節(jié)約電能。由于電子負(fù)載系統(tǒng)沒(méi)有把試驗(yàn)的所有功率變成熱量，因此不必使用體積龐大的電阻箱及冷卻設(shè)備，因而節(jié)約了安裝空間和降低了實(shí)驗(yàn)設(shè)備成本。

（2）減低了電源測(cè)試時(shí)的勞動(dòng)強(qiáng)度，若采用傳統(tǒng)的電阻性負(fù)載，要根據(jù)不同的所測(cè)試設(shè)備選擇組裝不同的器件，測(cè)試時(shí)操作又繁瑣。電力電子負(fù)載可以根據(jù)設(shè)定自動(dòng)完成測(cè)試任務(wù)，簡(jiǎn)化測(cè)試工作。

在過(guò)去的幾年中，最顯著的是功率半導(dǎo)體器件驅(qū)動(dòng)的負(fù)載性質(zhì)的變化。市場(chǎng)正從按照負(fù)載類(lèi)型（如：電動(dòng)機(jī)、磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、電視機(jī)線圈、熒光燈）劃分轉(zhuǎn)變?yōu)榧冸娮迂?fù)載（如IC）占功率半導(dǎo)體應(yīng)用市場(chǎng)的主要份額上來(lái)。這一成長(zhǎng)的市場(chǎng)集中體現(xiàn)在功率半導(dǎo)體產(chǎn)品的革新，也為新型控IC創(chuàng)造了市場(chǎng)機(jī)會(huì)。其成長(zhǎng)之迅速使得業(yè)界還特別為描述該市場(chǎng)定義了一個(gè)新名詞：電源管理，從開(kāi)辟了IC電子負(fù)載的新天地。近年來(lái)，由于數(shù)字信號(hào)處理器、電力電子以及控制理論和控制方法的快速發(fā)展，數(shù)字控制系統(tǒng)已成為控制技術(shù)的主流，電子負(fù)載必將具有更廣闊的前景和更廣大的市場(chǎng)。

1.2電子負(fù)載研究的現(xiàn)狀

1.2.1什么是負(fù)載

負(fù)載是指連接在電路中的電源兩端的電子元件，把電能轉(zhuǎn)換成其他形式能的裝置，常用的負(fù)載有電阻、馬達(dá)和燈泡等可消耗電源功率的元器件。不消耗功率的元器件，如電容，也可接上去，但此情況為斷路。負(fù)載通常分為如下幾種：

感性負(fù)載：感性負(fù)載即具有電感的性質(zhì)，磁場(chǎng)和電流不能突變。當(dāng)負(fù)載電流滯后負(fù)載電壓一個(gè)相位差時(shí)，負(fù)載為感性，如負(fù)載為電動(dòng)機(jī)、變壓器。

容性負(fù)載：容性負(fù)載即具有電容的性質(zhì)，充放電和電壓不能突變，當(dāng)負(fù)載電流超前負(fù)載電壓一個(gè)相位差時(shí)，負(fù)載為容性，如負(fù)載為補(bǔ)償電容。

阻性負(fù)載：當(dāng)電流和電壓沒(méi)有相位差時(shí)負(fù)載為純阻性負(fù)載，如家用的白熾燈、電爐。

混聯(lián)電路中容抗大于感抗時(shí)負(fù)載電路呈容性，容抗小于阻抗時(shí)為感性。

1.2.2傳統(tǒng)的負(fù)載

過(guò)去人們往往使用一些互連的低功率瓷盤(pán)電阻、滑線變阻器或電阻箱作為測(cè)試負(fù)載，這些負(fù)載分辨率低，阻值會(huì)因接觸不良和發(fā)熱發(fā)生變化。并且有如下缺點(diǎn)：設(shè)備笨重，攜帶不便，調(diào)節(jié)費(fèi)力，精度難以保證；負(fù)載電流不能連續(xù)調(diào)節(jié)，從零調(diào)到滿載在加電的狀態(tài)下，易接觸不良打火燒毀；難以用于程控化、數(shù)字化的自動(dòng)化生產(chǎn)線上，更不能測(cè)試電源的動(dòng)態(tài)參數(shù)。

1.2.3現(xiàn)代的電子負(fù)載

隨著功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）和場(chǎng)效應(yīng)晶閘管等主要開(kāi)關(guān)器件的出現(xiàn)以及電力電子變換器拓?fù)涞陌l(fā)展，現(xiàn)代電子負(fù)載是利用有源元件主動(dòng)從電源中吸收電流，一般由放大器和功率器件等電子元件組成的可調(diào)負(fù)載，靠控制功率管或晶體管的導(dǎo)通量（占空比大?。ㄟ^(guò)功率管的耗散功率消耗電能的設(shè)備。它能夠準(zhǔn)確檢測(cè)出負(fù)載電壓，精確調(diào)整負(fù)載電流，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)模擬負(fù)載短路，模擬負(fù)載是感性電阻或容性電阻，從而可以模擬真實(shí)環(huán)境中的負(fù)載即用電器，實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載電流的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)和控制。

現(xiàn)有電子負(fù)載的大都是模擬控制環(huán)節(jié)，調(diào)節(jié)和控制的適應(yīng)性和實(shí)時(shí)性差，不能適應(yīng)不同電源供應(yīng)器的具體情況。電子負(fù)載的數(shù)字化和智能化關(guān)鍵在于控制模塊的數(shù)字化，用DSP來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字電子負(fù)載即用DSC取代傳統(tǒng)電子負(fù)載上的控制芯片MCU，使用更合理的控制算法來(lái)實(shí)現(xiàn)控制要求。帶有MIPS的數(shù)字信號(hào)處理器，除明顯的改善產(chǎn)品性能外，還大大的簡(jiǎn)化了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程。TMS320F28x系列其強(qiáng)大的CPU處理能力，可以運(yùn)行多種非線性控制算法，整合多種控制策略，從而為電子負(fù)載搭建高性能的控制算法硬件平臺(tái)。

1.2.4電子負(fù)載的分類(lèi)

電子負(fù)載常用的有恒阻和恒流兩大類(lèi)型，恒阻型電阻負(fù)載和普通的電阻的電壓電流特性差不多。現(xiàn)在的使用的實(shí)際電子電路，使用大量的IC元件和電阻電容器件，電壓電流特性已經(jīng)和純電阻特性相差很遠(yuǎn)，而恒流型電阻負(fù)載更接近于實(shí)際，為廣大測(cè)試人員的首選。

從電源類(lèi)型來(lái)看，電子負(fù)載可分為直流電子負(fù)載和交流電子負(fù)載兩種。直流電子負(fù)載比交流電子負(fù)載應(yīng)用時(shí)間長(zhǎng)，范圍廣。最初利用電力電子器件的特性，用電力電子元件搭建電子電路來(lái)模擬負(fù)載，通過(guò)分析等值電路，可以實(shí)現(xiàn)模擬定電阻、定電壓等特性。隨后將單片機(jī)技術(shù)應(yīng)用到電子負(fù)載中，實(shí)現(xiàn)了定電流模式和可編程斜率模式，使得電子負(fù)載可以工作在其它多種模式：動(dòng)態(tài)電阻模式、短路模式等。相比直流電子負(fù)載，交流電子負(fù)載可以模擬傳統(tǒng)的真實(shí)阻抗負(fù)載，它能模擬一個(gè)固定或者變化的負(fù)載，甚至將試驗(yàn)的電能反饋回電網(wǎng)，其電路結(jié)構(gòu)如下圖1.1所示。

上圖1.1中，e1為待測(cè)試的交流電源輸出電壓，e2為外接的交流電網(wǎng)電壓。

從電子負(fù)載的電子器件組成來(lái)分，可分為晶體管式電子負(fù)載、場(chǎng)效應(yīng)管式電子負(fù)載和絕緣柵雙極型晶體管式負(fù)載。

晶體管式電子負(fù)載：通過(guò)基極電流可以控制集電極電流，從而可以達(dá)到控制晶體管作為一個(gè)可變負(fù)載的目的。利用大功率晶體管作為一個(gè)電子負(fù)載，如下圖所示，Ul為外接負(fù)載的電壓，IL為負(fù)載電流，UR為基準(zhǔn)電壓，由圖可以看出如式1.1所示。負(fù)載電流流過(guò)Rd的電壓信號(hào)作為誤差放大器的反相端的一個(gè)信號(hào)，基準(zhǔn)電壓UR作為誤差放大器的正相端的控制信號(hào)，負(fù)載電流只和基準(zhǔn)電壓有關(guān)，與負(fù)載電壓大小沒(méi)有關(guān)系。我們通過(guò)改變基準(zhǔn)電壓UR的大小就可以改變負(fù)載電流的大小。

大功率晶體管構(gòu)成的功率恒流源擔(dān)當(dāng)負(fù)載，吸收電源提供的大電流，模擬復(fù)雜的負(fù)載形式。一旦基準(zhǔn)電壓固定，保持在某一值上，無(wú)論負(fù)載電壓怎樣變化，回路中的負(fù)載電流都維持在一個(gè)恒定的電流值上。由于晶體管屬于電流控制型器件，控制電流變化速度較慢，因此適合模擬電流恒定或是變化緩慢的實(shí)際負(fù)載。
并且，晶體管還存在溫度系數(shù)為負(fù)的問(wèn)題，所以使用過(guò)程中還需考慮溫度補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題。

場(chǎng)效應(yīng)晶體管式電子負(fù)載：場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）工作在不飽和區(qū)時(shí)，漏極與源極之間的伏安特性可以看作是一個(gè)受柵源電壓控制的可變電阻。用MOSFET作可變電阻具有工作速度快，控制靈敏和可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，而且無(wú)機(jī)械觸點(diǎn)，無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，噪聲低，壽命長(zhǎng)。但是MOSFET的通態(tài)電阻較大，負(fù)載電流較小。所以MOSFET適合模擬一些變化速度較快，但電流不大的實(shí)際負(fù)載。

傳統(tǒng)的以MOSFET作為電阻負(fù)載的原理圖，見(jiàn)圖1.2.由圖可以看出，通過(guò)運(yùn)放及反饋來(lái)控制MOSFET的柵極電壓，從而達(dá)到其內(nèi)阻變化的目的。

絕緣柵雙極型晶體管式電子負(fù)載：絕緣柵雙極型晶體管，簡(jiǎn)稱IGBT，IGBT工作在不飽和區(qū)時(shí)，其射極與集電極之間的伏安特性可以看作是一個(gè)受柵極電壓

控制的可變電阻。它與晶體管相比，響應(yīng)速度快；與MOSFET相比，負(fù)載電流大，通態(tài)阻值變化范圍大。IGBT可以用來(lái)模擬動(dòng)態(tài)電弧，如圖1.3所示。將事先已測(cè)得的電弧阻值變化通過(guò)計(jì)算機(jī)編程，來(lái)控制IGBT柵極電壓的變化，從而達(dá)到IGBT作為可變負(fù)載時(shí)需要的變化阻值。這種電子負(fù)載是主要用來(lái)完成對(duì)弧焊電源動(dòng)特性的測(cè)試。

從能量的觀點(diǎn)來(lái)分，電子負(fù)載可以分為能耗式電子負(fù)載和能饋式電子負(fù)載。

模擬負(fù)載的主要功能是完成通信電源的出廠試驗(yàn)。圖1.4為電子負(fù)載試驗(yàn)示意圖。

圖1.4中的“負(fù)載模擬單元”所模擬的負(fù)載一般可以等效為電感和電阻的串聯(lián)，如下圖1.5中的a所示，設(shè)被試電源的輸出電壓為Ud.在分別模擬阻感負(fù)載和電阻負(fù)載時(shí)，其等值電路應(yīng)同實(shí)際的阻感、電阻負(fù)載相同，如圖1.5中的b所示。

同時(shí)，可得到它們的數(shù)學(xué)模型為：

分別解方程式，則有：

在模擬阻感負(fù)載時(shí)，電網(wǎng)電壓在一定范圍內(nèi)恒定，被測(cè)電源輸出電流的大小直接正比于系統(tǒng)所模擬的功率的大小，即正比于交流側(cè)電流的大小，而電流的設(shè)定值若按上式（1.4）的給定進(jìn)行控制，則成功地控制了被測(cè)電源輸出電流的大小，也就是成功地模擬了R、L性質(zhì)的負(fù)載，此時(shí)通過(guò)對(duì)R、L值的設(shè)定即可實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬功率的設(shè)定。同理，模擬純電阻負(fù)載時(shí)，電流設(shè)定值按上式（1.5）的給定取值即可。該負(fù)載有節(jié)約能源的目的，但前提條件是需要掌握實(shí)際負(fù)載的數(shù)字模型，對(duì)一些數(shù)學(xué)模型尚未清楚的實(shí)際負(fù)載而言，此方法的應(yīng)用有些困難。

能饋式電子負(fù)載是一種新興的電子負(fù)載，是根據(jù)節(jié)約能源、減少開(kāi)支和試驗(yàn)自動(dòng)化的要求而設(shè)計(jì)的，它可以在完成測(cè)試功率試驗(yàn)的前提下，將待測(cè)試設(shè)備的輸出能量大部分無(wú)污染的反饋回電網(wǎng)，節(jié)約了大部分能源，實(shí)現(xiàn)了能量的循環(huán)再生利用。

1.3研究的內(nèi)容和主要的性能指標(biāo)

采用單片機(jī)作為主控芯片，雖然可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的控制功能，但是調(diào)節(jié)和控制的適應(yīng)性和實(shí)時(shí)性差，特別是隨著電源產(chǎn)品測(cè)試的實(shí)時(shí)性和精度的要求的提高，需要處理的數(shù)據(jù)量越來(lái)越大，低檔的單片機(jī)已不再能滿足要求。與單片機(jī)相比，DSP器件采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，具有獨(dú)立的程序和數(shù)據(jù)空間，允許同時(shí)存取程序和數(shù)據(jù)，片內(nèi)集成了A/D和采樣/保持電路，內(nèi)置高速的硬件乘法器，增強(qiáng)的多級(jí)流水線，使DSP器件具有高速的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力。采用DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）的電子負(fù)載，可以對(duì)負(fù)載電流上升和下降變化速率采取數(shù)字化實(shí)時(shí)控制，自動(dòng)的調(diào)節(jié)負(fù)載電流，適應(yīng)不同的電源的測(cè)試特性要求，研究的主要內(nèi)容為：（1）、確定實(shí)現(xiàn)數(shù)字電子負(fù)載的方案的可行性。

（2）、設(shè)計(jì)電子負(fù)載的硬件電路，研究主電路元器件的選擇和控制電路的設(shè)計(jì)。

（3）、結(jié)合TMS320LF2812和信號(hào)板模擬電路，研究數(shù)字PID控制器，通過(guò)控制MOS管的門(mén)極電壓大小，來(lái)達(dá)到控制信號(hào)板上負(fù)載電流大小的目的。

（4）、依據(jù)控制系統(tǒng)的功能要求，編寫(xiě)各個(gè)單元模塊控制系統(tǒng)的軟件程序。

（5）、完成直流電子負(fù)載的硬件電路和軟件電路調(diào)試后，連接硬件電路載入軟件進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，根據(jù)實(shí)際情況修改電路和改進(jìn)軟件算法。

（6）、簡(jiǎn)化直流電子負(fù)載控制系統(tǒng)模型，進(jìn)行在MATLAB中簡(jiǎn)化仿真，設(shè)計(jì)不同的控制算法，驗(yàn)證各種控制策略的可行性。

（7）連接市場(chǎng)上銷(xiāo)售的電源產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，根據(jù)測(cè)試的負(fù)載特性曲線，檢驗(yàn)控制方案的正確性和可行性，研究探討實(shí)際應(yīng)用中存在的問(wèn)題，加以改進(jìn)。

基于DSP的直流電子負(fù)載系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)滿足以下要求：