CN109655763B - 恒压模式直流电子负载的控制方法和电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种恒压模式直流电子负载的控制方法和电路，通过软件方式实现，方法是在恒压模式下，直流电子负载把目标测试电源从目标电压V_set1拉载到新目标电压V_set2的过程，具体为：电压外环根据目标测试电源输出采样电压值V_in的变化产生实时变化的目标电流值I_set；对误差e进行比例系数K_p和积分系数K_i控制，并把比例部分和积分部分相加得到控制量；当目标测试电源输出的采样电压值V_in达到目标电压V_set2后，目标电流值达到稳定。本发明简化了直流电子负载恒压模式的硬件设计，去除恒压模式的硬件电压外环和硬件限流电路；可灵活地调节比例电阻和积分电容的参数K_p和K_i，使直流电子负载的恒压模式对绝大多数的电源有效。

Description

恒压模式直流电子负载的控制方法和电路

技术领域

本发明涉及电力电子设备技术领域，具体地指一种恒压模式直流电子负载的控制方法和电路。

背景技术

电子负载用于对电力电子装置进行加载特性测试，确保其各项性能指标达到实际应用的要求。直流电子负载用于测试直流电源，可以作为电池放电检测专用负载，也可以作为充电机或直流电源放电负载。直流电子负载有恒流、恒压、恒阻、恒功率四种工作模式，具体含义如表1所示。恒压模式可以确保测试电源在放电过程中的电压按照设定值保持恒定。

表1

目前的直流电子负载的恒压模式完全采用硬件方式实现，包括电压外环和电流内环。电压外环把目标电压值V_set(通过键盘设置)与测试电源输出电压V_in(通过采样电路获取)的误差，经过控制电路产生目标电流值I_set，电流内环驱动功率MOS管，保证流过功率MOS管的电流为目标电流值I_set。恒压模式下，直流电子负载把测试电源从目标电压V_set1拉载到新目标电压V_set2的过程中，电压外环根据测试电源输出电压V_in的变化产生实时变化的目标电流值I_set。如果测试电源输出电压V_in变化快，则要求目标电流值I_set变化快；如果测试电源输出电压V_in变化慢，则要求目标电流值I_set变化慢。当测试电源输出电压V_in达到目标电压V_set2后，目标电流值达到稳定。

然而，不同的测试电源恒压模式下的输出电压V_in变化速率差距很大，这就要求电压外环产生的目标电流值I_set的变化速率能够从很慢到很快可调。

发明内容

基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种通过软件方法实现恒压模式直流电子负载的控制方法和电路，可以通过键盘和显示屏改变比例电阻和积分电容参数，以适应极端电源输出电压Vin的变化速率。

为达到上述目的，本发明提及的一种恒压模式直流电子负载的控制方法，其特殊之处在于，所述方法是在恒压模式下，直流电子负载把目标测试电源从目标电压V_set1拉载到新目标电压V_set2的过程，所述方法为：电压外环根据目标测试电源输出采样电压值V_in的变化产生实时变化的目标电流值I_set；对误差e进行比例系数K_p和积分系数K_i控制，并把比例部分和积分部分相加得到控制量，所述控制量就是目标电流值I_set；所述目标电流值I_set的变化速率与目标测试电源输出的采样电压值V_in变化速率成正比；当目标测试电源输出的采样电压值V_in达到目标电压V_set2后，目标电流值达到稳定。

优选地，所述对误差e进行比例系数K_p和积分系数K_i控制的计算公式为：

I_set(n)＝I_set(n-1)+K_p·[e(n)-e(n-1)]+K_i·e(n)，n为次数是大于0的自然数。

优选地，不同厂家目标测试电源的电源特性差异大，根据目标测试电源的电源电压对电流的变化响应速度设置比例系数K_p和积分系数K_i。

优选地，所述比例系数K_p和积分系数K_i分为高速、中速和低速三挡对应系数。对于大部分的电源默认使用中速档，对于输出电压V_in变化速率极慢的电源使用慢速档，对于输出电压V_in变化速率极快的电源使用快速档，对于特别极端的电源(三个档位默认的K_p和K_i无法使其实现恒压模式)，可以通过键盘和显示屏手动修改K_p和K_i。

优选地，所述目标测试电源的恒压模式测试与恒流、恒阻或者恒功率模式与直接互相切换。因为硬件方式实现的直流电子负载恒压模式，其目标电流值I_set不受软件控制，而恒流/恒阻/恒功率模式的目标电流值是受软件控制的，如此在恒流/恒阻/恒功率模式与恒压模式切换过程中容易引起炸机，而软件方式实现的恒压模式，其目标电流值I_set受软件控制，模式切换过程中电流是连续的，不会出现炸机的情况。

优选地，所述直流电子负载的软件方式实现的恒压模式可直接实现软件限流，以保护直流电子负载不超过其额定功率、额定电流。

本发明还提出一种恒压模式直流电子负载的控制电路，其特殊之处在于，包括CV-speed电路、电压外环、电流内环、功率MOS管和采样电路，所述CV-speed电路依次通过电压外环、电流内环与功率MOS管连接，所述功率MOS管的输出端与目标测试电源连接，所述采样电路的输入端与目标测试电源连接，输出端与电压外环连接；所述CV-speed电路用于调节直流电子负载下控制目标电流I_set速率的比例系数K_p和积分系数K_i，所述电压外环用于根据比例系数K_p和积分系数K_i和采样电路采集的采样电压值V_in产生控制量，所述控制量即目标电流值I_set，所述电流内环和功率MOS管用于将目标测试电源按照目标电流I_set进行拉载，使其输出相应的电流，所述采样电路用于采集采样电压值V_in和采样电流值I_in，所述采样电路用于采集采样电压值V_in和采样电流值I_in。

进一步地，所述电压外环包括减法器和增量式PI控制器，所述减法器用于得到电源输出的采样电压值V_in与目标电压值V_set的误差e，所述增量式PI控制器用于对误差e进行比例系数K_p和积分系数K_i控制得到目标电流值I_set。

更进一步地，所述CV-speed电路、电压外环通过FPGA的硬件描述语言Verilog在FPGA中实现。

本发明的优点在于：

1)本发明简化了直流电子负载恒压模式的硬件设计，去除恒压模式的硬件电压外环和硬件限流电路。

2)本发明可灵活地调节比例电阻和积分电容的参数K_p和K_i，使直流电子负载的恒压模式对绝大多数的电源有效。

3)恒流/恒阻/恒功率模式与本发明提出的恒压模式之间能随意地无缝切换，不需要切换过程中先停止工作一定时间，然后才进入切换后的模式，以防过流或过功率引起炸机的情况发生。

附图说明

图1为本发明一种恒压模式直流电子负载的控制电路的结构示意图。

图2为图1中增量式PI控制器的实现原理图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，但该实施例不应理解为对本发明的限制。

恒压模式下，直流电子负载把测试电源从目标电压V_set1拉载到新目标电压V_set2的过程中，电压外环根据测试电源输出电压V_in的变化产生实时变化的目标电流值I_set。如果测试电源输出电压V_in变化快，则要求目标电流值I_set变化快；如果测试电源输出电压V_in变化慢，则要求目标电流值I_set变化慢。当测试电源输出电压V_in达到目标电压V_set2后，目标电流值达到稳定。

然而，不同的测试电源恒压模式下的输出电压V_in变化速率差距很大，这就要求电压外环产生的目标电流值I_set的变化速率能够从很慢到很快可调。目标电流值I_set的变化速率与电压外环中PI控制器的比例电阻和积分电容有关，这就需要对比例电阻和积分电容进行分档，以实现不同的目标电流值I_set的变化速率。

对比例电阻和积分电容进行分档，增加了硬件设计的复杂度，PCB板尺寸是有限的，不可能对比例电阻和积分电容进行过多的分档。而且硬件控制板制作完成后，对于一些极端电源(其输出电压V_in变化速率有的极快，有的极慢)，有可能使得直流电子负载的恒压模式不能正常工作，需要拆机手动焊接合适的比例电阻和积分电容，如此会影响产品形象，给客户带来不好的使用感受。

本发明提出的一种恒压模式直流电子负载的控制方法，采用软件的方式实现恒压模式，把比例电阻和积分电容参数化，分为慢速、中速、快速三个档，以适应大部分电源输出电压V_in的变化速率，而且对于一些极端的电源，可以通过键盘和显示屏改变比例电阻和积分电容参数，以适应极端电源输出电压V_in的变化速率。该方法为：电压外环根据目标测试电源输出采样电压值V_in的变化产生实时变化的目标电流值I_set；电压外环包括误差减法器和PI控制器，误差减法器用于产生目标测试电源的输出电压V_in与目标电压V_set的误差e(e＝V_in-V_set)，PI控制器用于将误差e按照比例系数K_p和积分系数K_i进行比例和积分处理，并把比例部分和积分部分相加得到控制量I_set，计算公式为：I_set(n)＝I_set(n-1)+K_p·[e(n)-e(n-1)]+K_i·e(n)，n为次数是大于0的自然数。控制量就是目标电流值I_set；目标电流值I_set的变化速率与目标测试电源输出的采样电压值V_in变化速率成正比；当目标测试电源输出的采样电压值V_in达到目标电压V_set2后，目标电流值达到稳定。

不同厂家目标测试电源的电源特性差异大，根据目标测试电源的电源电压对电流的变化响应速度设置比例系数K_p和积分系数K_i，分为高速、中速和低速三挡对应系数。每个档位具有不同的K_p和K_i值，使得电压外环能产生不同变化速率的目标电流值I_set，以适应电源输出电压V_in的变化速率。目标电流值I_set与K_p和K_i有关，K_p和K_i是参数化后的比例电阻和积分电容。对于大部分的电源默认使用中速档，对于输出电压V_in变化速率极慢的电源使用慢速档，对于输出电压V_in变化速率极快的电源使用快速档，对于特别极端的电源(三个档位默认的K_p和K_i无法使其实现恒压模式)，可以通过键盘和显示屏手动修改K_p和K_i。

本发明还提出一种恒压模式直流电子负载的控制电路，包括CV-speed电路、电压外环、电流内环、功率MOS管和采样电路。CV-speed电路依次通过电压外环、电流内环与功率MOS管连接，功率MOS管的输出端与目标测试电源连接，采样电路的输入端与目标测试电源连接，输出端与电压外环连接。CV-speed电路、电压外环通过FPGA的硬件描述语言Verilog在FPGA中实现。

CV-speed电路用于调节直流电子负载恒压模式的速率输出比例系数K_p和积分系数K_i。比例系数K_p和积分系数K_i分为慢速、中速、快速三档，每个档位具有不同的K_p和K_i值，使得电压外环能产生不同变化速率的目标电流值I_set，以适应电源输出电压V_in的变化速率。目标电流值I_set与K_p和K_i有关，K_p和K_i是参数化后的比例电阻和积分电容。在PI控制中，每个控制对象将对应着一套合适的比例系数K_p和积分系数K_i。本方案中的控制对象电源来自于不同的厂家，不同厂家的电源特性差异不同，即电源电压对电流的变化响应不一样，有的电源电压对电流的变化响应极快，有的响应极慢，但大部分电源对变化的电流的响应差不多。所有，大部分电源可以共用一套K_p和K_i，对于响应极慢和极快的电源可以分别使用一套K_p和K_i。这就是CV_speed模块的作用。

电压外环用于根据比例系数K_p和积分系数K_i和采样电路采集的采样电压值V_in产生控制量，控制量的计算公式为：I_set(n)＝I_set(n-1)+K_p·[e(n)-e(n-1)]+K_i·e(n)，n为次数是大于0的自然数。控制量即目标电流值I_set。电流内环用于根据目标电流值I_set和采样电路采集的采样电流值I_in比较后向功率MOS管输出目标电流值I_set，功率MOS管用于将通过的电流设置为目标电流值I_set输出至目标测试电源，采样电路用于采集采样电压值V_in和采样电流值I_in。

电压外环包括减法器和增量式PI控制器，减法器用于得到电源输出的采样电压值Vin与目标电压值V_set的误差e(e＝V_in–V_set)。

增量式PI控制器用于对误差e进行比例系数K_p和积分系数K_i控制得到目标电流值I_set。PI控制器是指将被控对象的某个变量与目标值的误差，进行比例、积分处理，然后通过线性组合构成控制量，用这个控制量对被控对象进行控制，使得被控对象的这个变量最终稳定在目标值上。比如假设本方案的被控对象电源的电压V_in输出范围为0～30V，电源开启后输出电压V_in稳定在30V，如果目标电压V_set设置为10V，减法器得到电源电压V_in与目标电压V_set的误差e(e＝V_in-V_set)，PI控制器对这个误差e进行比例、积分处理，并把比例和积分部分相加得到控制量，这个控制量就是目标电流I_set，I_set用来驱动电流内环(CC电路)，使电源电流发生变化，电流的变化将引起电压的变化，最终电源电压V_in稳定输出10V。

本方案采用增量式PI控制器，其实现原理图如图2所示，公式为：I_set(n)＝I_set(n-1)+K_p·[e(n)-e(n-1)]+K_i·e(n)，n为次数是大于0的自然数。增量式PI控制器包括比例控制Kp·[e(n)-e(n-1)]和积分控制Ki·e(n)。

比例控制：

电源的电压V_in一旦出现变化，比例控制将产生控制作用，控制作用的强弱取决于比例系数K_p。比例系数K_p越大，比例控制作用越强，过渡过程越快，但超调量越大，即电源电压V_in将更快速地达到新的稳定，但过渡过程中过冲越大。但K_p过大，将产生振荡，破坏系统的稳定性，即电源电压V_in将不停振荡，可能会破坏电源或电子负载。所以，必须选择合适的比例系数K_p，使得电源电压V_in能快速稳定，又不会出现振荡。但单纯的比例控制会产生静态误差，即电源电压V_in达到新的稳定后，与目标电压V_set有一定偏差。比如目标电压V_set设置为10V，单纯的比例控制将使得电源电压V_in稳定在15V。

积分控制：

积分控制就是为了消除比例控制带来的静态误差。积分系数K_i越大，积分控制作用越强，消除静态误差的时间越短，但会产生振荡，影响系统的稳定性。故而，积分系数K_i的选择必须恰当。

增量式PI控制器对目标电流值I_set进行限幅，以防过功率或过电流引起的炸机。恒流/恒阻/恒功率模式与恒压模式之间能随意地无缝切换，不需要切换过程中先停止工作一定时间，然后才进入切换后的模式，以防过流或过功率引起炸机。因为硬件方式实现的直流电子负载恒压模式，其目标电流值I_set不受软件控制，而恒流/恒阻/恒功率模式的目标电流值是受软件控制的，如此在恒流/恒阻/恒功率模式与恒压模式切换过程中容易引起炸机，而软件方式实现的恒压模式，其目标电流值I_set受软件控制，模式切换过程中电流是连续的，不会出现炸机。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种恒压模式直流电子负载的控制方法，其特征在于：所述方法基于恒压模式直流电子负载的控制电路实现，控制电路包括CV-speed电路、电压外环、电流内环、功率MOS管和采样电路，所述CV-speed电路依次通过电压外环、电流内环与功率MOS管连接，所述功率MOS管的输出端与目标测试电源连接，所述采样电路的输入端与目标测试电源连接，输出端与电压外环连接，在恒压模式下，直流电子负载把目标测试电源从目标电压V_set1拉载到新目标电压V_set2的过程，所述方法为：电压外环根据目标测试电源输出采样电压值V_in的变化产生实时变化的目标电流值I_set；对误差e进行比例系数K_p和积分系数K_i控制，并把比例部分和积分部分相加得到控制量，所述控制量就是目标电流值I_set；所述目标电流值I_set的变化速率与目标测试电源输出的采样电压值V_in变化速率成正比；当目标测试电源输出的采样电压值V_in达到目标电压V_set2后，目标电流值达到稳定；根据目标测试电源的电源电压对电流的变化响应速度设置比例系数K_p和积分系数K_i；所述目标测试电源的恒压模式测试与恒流、恒阻或者恒功率模式直接互相切换。

2.根据权利要求1所述的恒压模式直流电子负载的控制方法，其特征在于：所述对误差e进行比例系数K_p和积分系数K_i控制的计算公式为：

I_set(n)＝I_set(n-1)+K_p·[e(n)-e(n-1)]+K_i·e(n)，n为次数是大于0的自然数。

3.根据权利要求1所述的恒压模式直流电子负载的控制方法，其特征在于：所述比例系数K_p和积分系数K_i分为高速、中速和低速三挡对应系数，分别用于测试极快电源，适中电源，极慢电源，以方便客户直接换挡使用。

4.一种恒压模式直流电子负载的控制电路，用于实现权利要求1～3中任一项所述的恒压模式直流电子负载的控制方法，其特征在于：

所述CV-speed电路用于调节直流电子负载恒压模式下控制目标电流I_set速率的比例系数K_p和积分系数K_i，所述电压外环用于根据比例系数K_p和积分系数K_i和采样电路采集的采样电压值V_in产生控制量，所述控制量即目标电流值I_set，所述电流内环和功率MOS管用于将目标测试电源按照目标电流I_set进行拉载，使其输出相应的电流，所述采样电路用于采集采样电压值V_in和采样电流值I_in。

5.根据权利要求4所述的恒压模式直流电子负载的控制电路，其特征在于：所述电压外环包括减法器和增量式PI控制器，所述减法器用于得到电源输出的采样电压值V_in与目标电压值V_set的误差e，所述增量式PI控制器用于对误差e进行比例系数K_p和积分系数K_i控制得到目标电流值I_set。

6.根据权利要求5所述的恒压模式直流电子负载的控制电路，其特征在于：所述采样电压值V_in与目标电压值V_set的误差e的计算公式为e＝V_in–V_set；对误差e进行比例系数K_p和积分系数K_i控制的计算公式为I_set(n)＝I_set(n-1)+K_p·[e(n)-e(n-1)]+K_i·e(n)，n为次数是大于0的自然数。

7.根据权利要求4所述的恒压模式直流电子负载的控制电路，其特征在于：所述CV-speed电路、电压外环通过FPGA的硬件描述语言Verilog在FPGA中实现。

8.根据权利要求5所述的恒压模式直流电子负载的控制电路，其特征在于：所述增量式PI控制器对目标电流值I_set进行限幅，以防过功率或过电流引起的炸机。

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