【正文】 第二章 電子負(fù)載硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 16 C相當(dāng)于短路，反饋回路只有電阻 R1，使輸出電壓 Uex突跳到 KPIUin。此后，隨著電容 C 被充電，開始體現(xiàn)積分作用， Uex不斷線性增長，直到達(dá)到輸出限幅值或運(yùn)算放大器飽 和。這樣，當(dāng)單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)采用比例積分調(diào)節(jié)器后，在突加輸入偏差信號 △Un的動態(tài)過程中，在輸出端 Uct 立即呈現(xiàn) Uct=KPI△ Un，實(shí)現(xiàn)快速控制，發(fā)揮了比例控制的長處；在穩(wěn)態(tài)時(shí)，又和積分調(diào)節(jié)器一樣，又能發(fā)揮積分控制的作用， △ Un=0，Uct保持在一個(gè)恒定值上，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無靜差。 因此，比例積分控制綜合了比例控制和積分控制兩種規(guī)律的優(yōu)點(diǎn)，又克服了各自的缺點(diǎn)，揚(yáng)長避短，互相補(bǔ)充。比例部分能夠迅速響應(yīng)控制作用，積分控制則最終消除穩(wěn)態(tài)偏差。作為控制器，比例積分調(diào)節(jié)器兼顧了快速響應(yīng)和消除靜差兩方面的要求。故 PI 調(diào)節(jié)器 應(yīng)用 在電子負(fù)載的設(shè)計(jì)中， 實(shí)現(xiàn)對 MOS 導(dǎo)通角的有效控制， 具有積分作用的調(diào)節(jié)器，只要被調(diào)量 即電子負(fù)載電路中的實(shí)測值 與設(shè)定值之間有偏差，其輸出就會不停的變化。 反復(fù)調(diào)節(jié) ， 消除穩(wěn)態(tài)誤差，實(shí)現(xiàn)無靜差的調(diào)節(jié)。 PI調(diào)節(jié)器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值 r(t)與實(shí)際輸出值 c(t)構(gòu)成控制偏差 e(t)= r(t)— c(t) （ 25） 將偏差的比例（ P）和積分（ I）通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進(jìn)行控制，其控制規(guī)律為 ]dt)t(eT1)t(e[Ku(t ) t0Ip ??? （ 26） 其中 u(t)為 PI 控制器的輸出， e(t)為 PI 調(diào)節(jié)器的輸入， Kp 為比例系數(shù)， TI 為積分時(shí)間常數(shù)。 1．比例環(huán)節(jié)即時(shí)成比例的反映控制系統(tǒng)的偏差信號 e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。通常隨著 Kp 值的加大，閉環(huán)系統(tǒng)的超調(diào)量加大，系統(tǒng)響應(yīng)速度加快，但是當(dāng) Kp增加到一定程度，系統(tǒng)會變得不穩(wěn)定。 2．積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分常數(shù) TI， TI 越大，積分作用越弱，反之越強(qiáng)。通常在 Kp不變的情況下， TI 越大，即積分作用越弱，閉環(huán)系統(tǒng)的超調(diào)量越小，系統(tǒng)的響應(yīng)速度變慢。 本次電子負(fù)載設(shè)計(jì)，為了較快且更加精確的消除誤差。對于 PI 調(diào)節(jié)器， 如 圖214 所示的 PI 調(diào)節(jié)器 ，取 R1 R12=40K， R13=60K ,C= Kp=R13／ R11= （ 26） TI= RC= （ 26） 所以本設(shè)計(jì)的 PI調(diào)節(jié)器 的 Kp 取 ， TI 取 。 東華理工大學(xué)畢業(yè)論文（論文） 第二章 電子負(fù)載硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 17 功率電路模塊 電子模擬負(fù)載方式的選擇 方案一：晶體管式電子模擬負(fù)載：晶體管是通過一定的工藝，將兩個(gè) PN 結(jié)結(jié)合在一起的器件。通過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。大功率晶體管構(gòu)成的功率恒流源充當(dāng)負(fù)載，通過吸收電源提供的大電流，從而模擬復(fù)雜的負(fù)載形式。即通過將恒壓、恒流、恒阻誤差信號經(jīng)過放大，再送入邏輯或控制電路，用選中的誤差信號來調(diào)整晶體管的內(nèi)阻，以達(dá)到模擬變化負(fù)載 的目的。由于晶體管屬于電流控制性器件，在控制變化速度上較慢，因此適合模擬一些電流恒定或是變化緩慢的實(shí)際負(fù)載。其次，晶體管還存在溫度系數(shù)為負(fù)的問題，所以在使用過程中還需要考慮溫度補(bǔ)償?shù)膯栴}。 方案二：場效應(yīng)管式電子模擬負(fù)載：場效應(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)受柵一源電壓控制的可變電阻。用MOSFET 作可變電阻具有工作速度快，可靠性 控制靈敏等優(yōu)點(diǎn)，而且既無機(jī)械觸點(diǎn)，也無運(yùn)動部件，噪聲低、 壽命長 。 MOSFET 的通態(tài)電阻較大，且負(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。 綜合電子負(fù)載的特性， 故 選擇方案二場效應(yīng)管式電子模擬負(fù)載。 功率耗散 MOS 管的選型 方案一：采用 MTY25N60E MOS 管，它常用于電力領(lǐng)域的應(yīng)用。專為高電壓、高速開關(guān)芯片 ， 可以應(yīng)用于電力供應(yīng)、電機(jī)控制、 PWM 變流器等領(lǐng)域。 方案二：采用 IRFP460 芯片， TIP122 芯片效率比方案低，總功耗相對較高。其通用參數(shù)為： （ 1）漏極－源極擊穿電壓 Vdss=500V （ 2）靜態(tài)導(dǎo)通電阻 Rds(on)=? （ 3）漏源連續(xù)導(dǎo)通電流 Id=22A （ 4） 功 率： Ptot=278W （ 5） 極 性： NPN 鑒于 MOS管的良好開關(guān)特 性，在此次設(shè)計(jì)中，對被測電源功率的控制，也就是對電流的控制，故 選用方案二 。 場效應(yīng)管是一種單極型晶體管，它只有一個(gè) PN 結(jié)，在零偏壓的狀態(tài)下，它是導(dǎo)通的，如果在其柵極 (G)和源極 (S)之間加上一個(gè)反向偏壓 (稱柵極偏壓 )，在反向電場作用下， PN變厚 (稱耗盡區(qū) )，溝道變窄，漏極 電流變小。當(dāng)反向偏壓達(dá)到一定時(shí)，東華理工大學(xué)畢業(yè)論文（論文） 第二章 電子負(fù)載硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 18 耗盡區(qū)將完全溝道“夾斷”，此時(shí) 場效應(yīng)管進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。 MOS 型晶體管的特點(diǎn)是 特別適合于開關(guān)狀態(tài)工作，因?yàn)樗驅(qū)〞r(shí)的電阻極小，而且開關(guān)速度快，所以是一種理想的開關(guān)元件。 （ 1）柵極控制功率小。和雙極型晶體管相比， MOS 管柵極是絕緣的、在高頻工作時(shí)雖然有柵極電流存在。但其值甚小，所以柵極的輸入功率也很小。 （ 2）由于 MOS 管是電壓控制器件，它不像雙極型晶體管那樣，在基區(qū)有可能積存大量少數(shù)載流子，從而影響高速開關(guān)。所以同樣功率的管子， MOS 型的開關(guān)速度要比雙極型管子快得多。 （ 3） MOS 管子的耐壓比雙極型管于低、 常很少超過 1000V、 雙極型管子可以做到1600V 以下。 （ 4） MOS 管 子不像雙極型管子那樣存在明 顯的二次擊穿現(xiàn)象，所以在中、低壓情況下，其工作的可靠性要高 — 些， 過電壓保護(hù)的設(shè)計(jì)也可以簡單一些。 如圖 215 所示為 N溝道增強(qiáng)型 MOS 管的轉(zhuǎn)移特性曲線 ， 如圖 216所示為 N溝道增強(qiáng)型 MOS 管的輸出特性曲線 。 UGS(th)2UGS(th)UGSIDOiDO U G S= 2 U G S ( t h ) 可 變 電阻 區(qū)I D Oi D預(yù) 夾 斷 軌 跡O夾 斷 區(qū)恒 流 區(qū)U DU G S= U G S ( t h )U G S 2 圖 215 N溝道增強(qiáng)型 MOS管的轉(zhuǎn)移 特性曲線 圖 216 N溝道增強(qiáng)型 MOS管 的輸出特性 Q2I R F P 4 6 0dgs 圖 217 N溝道增強(qiáng)型 MOS管 電子負(fù)載的恒流控制 ， 它 的功率控制電路主要包括場效應(yīng)管（ MOSFET)、 電流取東華理工大學(xué)畢業(yè)論文（論文） 第二章 電子負(fù)載硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 19 樣 PI 控制器、運(yùn)放等組成 負(fù)反饋控制環(huán)路 。這是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，也是電子負(fù)載的核心部分。 如圖 217所示為 N溝道增強(qiáng)型 MOS 管 ， MOS管不僅作為電流控制器，而且作為被測電源的負(fù)載， IRFP460 為 N溝道增強(qiáng)型 MOS 管 ，所以整個(gè)設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)是根據(jù) IRFP460MOS管的參數(shù)進(jìn)行選定的。由 IRFP460MOS管的飽和 漏源 電流 Id=22A取整個(gè)電子 負(fù)載設(shè)計(jì)的電流范圍為 020A， 根據(jù)錳銅采樣電阻的阻值 歐姆，可算出 功率 的最大值為 100W，故整個(gè)設(shè)計(jì)的功率 范圍為 0100W。考慮到有時(shí)候被測電源電壓較大，在 漏極－源極擊穿電壓 Vdss=500V 的基礎(chǔ)上，整個(gè)設(shè)計(jì)的電壓范圍設(shè)為050V。 電源電路的設(shè)計(jì) 單片機(jī)電源設(shè)計(jì)包含 3 個(gè)方面的內(nèi)容 :一是電源功耗，二是電源電壓，三是電源管理。電源電壓的設(shè)計(jì)主要針對系統(tǒng)需求的不同電壓進(jìn)行的電源分配， 在電子負(fù)載系統(tǒng)中，單片機(jī)的工作電壓是 。運(yùn)放和其它元器件也可以工作在 024V電壓下，A/D、 D/A 轉(zhuǎn)換芯片可以工作在 5V 電壓下。本電路設(shè)計(jì)中利用 HCPL－ 78XX 、 79XX 系列 的 3 端正穩(wěn)壓電路 和具 有良好 熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)電壓源 TL431 實(shí)現(xiàn)整個(gè)電源電路的設(shè)計(jì) 。 利用 TL431 輸出 電壓 作為輸入基準(zhǔn)源供 TLC5615 進(jìn)行 DA轉(zhuǎn)換 。 HCPL－ 78XX 系列為 3 端正穩(wěn)壓電路內(nèi)含過流、過熱和過載保護(hù)電路。帶散熱片時(shí)，輸出電流可達(dá) 1A。具有過熱保護(hù) 。短路保護(hù) 。輸出晶體管 SOA 保護(hù)。雖然是固定穩(wěn)壓電路，但使用外接元件，可獲得不同的電壓和電流。 618T L 4 3 1負(fù)極參考端正極 618T L 4 31R 2 22502 . 5 V0 . 33 uFC 1 4In p u t 圖 218 TL431符號 圖 219 TL431輸出 TL431 是一個(gè)有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)電壓源。它的輸出電壓用兩個(gè)電阻就可以任意地設(shè)置到從 Vref（ ）到 36V 范圍內(nèi)的任何值。該器件的典型動態(tài)阻抗為 ，在很多應(yīng)用中可以用它代替齊納二極管，例如，數(shù)字電壓表 、運(yùn)放電路、可調(diào)壓電源，開關(guān)電源等等。 如圖 218所示為 TL431符號 ， 圖 219為 TL431輸出 電壓連接圖 。 將 Cathode（負(fù)極）與 Reference（ 參考端）連接起來，會得東華理工大學(xué)畢業(yè)論文（論文） 第二章 電子負(fù)載硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 20 到 VKA = Vref =， 作為輸入基準(zhǔn)源供 TLC5615DA進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 T11234DC70 . 3 3 u FC90 . 1 u F7812~ 2 2 0 V78050 . 1 u FC 1 2V C C618T L 4 3 1R 2 22502 . 5 V0 . 3 3 u FC 1 47912C 1 30 . 3 3 u FC64 7 0 u FC 1 10 . 3 3 u FC 1 00 . 1 u F1 2 V+ 1 2 VC80 . 3 3 u F 圖 220 電源電路原理圖 如圖 220 所示為 電源電路原理圖。 電源電路利用