智能程控电子负载仪表分析

智能程控电子负载仪表分析

肖远军

（武汉盛帆电子股份有限公司，湖北武汉430022）

摘要：随着生产力与科学技术的提高，对智能仪器仪表的要求不仅仅是完成日益复杂的功能，而且要更具智能化，人性化与网络化。这就要求智能仪器仪表中的控制系统及控制算法需要不断的完善，同时说明对智能程控电子负载仪表的控制问题的研究也需要不断的投入。

关键词：智能仪器；负载仪表；双闭环控制

1引言

智能仪器仪表之所以有着“智能”的作用是因为智能仪表拥有微计算机或微处理器，能够实现对数据的存储、运算、逻辑判断以及自动化操作等功能。而这些智能化功能主要是由仪器仪表中的控制技术（控制系统）加以设计和实现，也就意味着智能仪器仪表中控制系统设计将直接制约着智能化功能的实现。

在多年实验室与企业合作研发智能仪表的过程中，对智能仪表中这一类控制问题的进行了许多研究，并提出了一种“数字外环+模拟内环”为控制结构的双闭环控制系统，并应用于实践。但由于目前国内外对此研究较少，相关文献也不多，在双闭环控制系统的设计时，仍是以前期经验为主，对控制性能仍是以“稳”“准”“快”等模糊定量词来描述，因此本文针对智能程控电子负载仪表控制问题而运用的双闭环控制系统进行研究，探究其系统控制性能的定量关系，为后续设计提供一定的参考。

2智能程控电子负载仪表系统

通常为了测试继电保护测试仪的带负载能力，是用一个可调电阻，一般用滑动电阻器和一个电流表串联，而后在滑动电阻和电流表的两端并联一个电压表。用这样组成的电路接入到继电保护测试仪的回路中，滑动电阻器调节阻值的大小，利用电流表电压表测试回路中的电流和两端电压，根据P=I×V便可以计算出该回路负载能力。

要测试出电流输出回路的最大带负载能力，还要在回路中串联一个电流总畸变测试仪，监视电阻增大时电流总畸变不超差的（I×V）值。同理测试出电压输出回路的最大带负载能力，一个人要同时光顾到三个可变量值并确保其正确，不言而喻是非常困难的。虽然滑动电阻器廉价且调节阻值的大小方便，但是，由于滑动电阻器难以调到某一个确切的值、电流通过时其阻值因发热而变化、不能用上位机通过软件来调节，这一系列问题使滑动电阻器不能满足自动化程度要求较高的场合。为了正确、方便、快速的测试继电保护测试仪的带负载能力，而专门设计一个程控电子负载。

根据电子负载输入的类型，可以将整个系统分成两类，一类是电流型，一类是电压型。电子负载的核心控制器件是大功率MOS管，把它们模拟成负载使用。当接上待测电源时，它们是电能消耗的主体，把消耗的功率以热能的形式释放出来。对电流型电子负载来说，负载电流就是这些MOS管漏极电流的总和。

以电流型电源的电子负载为例，场效应管IRF250工作在可变电阻区，可以通过改变栅-源级电压控制场效应管N沟的宽度，进而改变其电流。由于电流要满足通过0~30A，所有电路设计了六对场效应管；当电路通过直流电流时，只有一边的场效应管工作，另一边通过其内部二级管直接流过；要注意的是所有场效应管要从饱和区到可变电阻区。其工作原理为：首先，上位机软件通过以太网控制芯片，根据TCP/IP协议与STM32F103单片机实现双向通信，将上位机设置信号进行处理，若待测电源属于电流型，则微控制器通过D/A转换电路输出的电压信号称为IC信号，它作为PI调节器的输入。PI调节器的输出信号与MOS管的栅极相连，通过改变栅极和源极之间的电压差实现MOS管导通量的变化，从而控制MOS管的漏极电流。将电子负载的端电压作为差分放大电路的输入信号，再经过绝对值电路与IC信号进行比较，然后PI调节器根据端电压的大小调节MOS管的栅极电压，从而维持端电压的稳定。同时，电流取样电路将标准小电阻的电压从电路中取出，经过差分放大电路、绝对值电路后作为A/D转换电路的输入信号，由微控制器发出读取A/D的指令，将实际的电流值读出并做数据处理。然后根据读取到的数据按照相应的控制算法，重新调整D/A的控制量，直到负载的实际电流值与设定值之差处于一个很小的范围内波动。

而软件最大可测试六路电流的带负载能力，测试次序为逐次测试。软件同时测试电流的准确度、总畸变率和负载两端的电压，根据P=V×I计算输出功率的大小。其最大带负载能力测试方法如下：如果继电保护测试仪的最大输出电流为30A，则设定值30(A)，按规程要求准确度为0.5%，带负载的大小不低于0.5Ω，总畸变率不超过1%，所以起初阻值为0.5Ω，输出功率不小于450VA，软件同时检测电流准确度、总畸变率和输出功率的大小，规程要求三个量同时达到要求。增大阻值，测试出准确度、总畸变率不超差对应的功率即为继电保护测试仪电流的最大带负载能力。对于电压型电源的电子负载，其控制原理基本和电流型电子负载相同，区别在于场效应管的工作区为截止区到可变电阻区，在此不做过多赘述。

3智能程控电子负载仪表的双闭环控制系统

参考电流型电源的电子负载控制框图及电路原理图可以提取出电流型程控电子负载的双闭环控制系统，结构如图1。

图1智能程控电子负载仪表控制系统框图

内环也是以PI控制器为核心，通过对场效应管的栅-源极电压控制场效应管的漏极电流，保证负载两端的电压。并将电子负载的端电压信号经过绝对值电路作为内环控制系统的负反馈回路，当负载端电压出现波动时，内环控制系统能够对场效应管的栅-源电压经行调机以维持端电压的稳定。数字外环电路设计的目的也是缩短仪表的调节时间。采样电路将标准小电阻的电压从电路中取出，得到输出误差及误差变化率，信号经过差分放大电路、绝对值电路、A/D转换电路传递给微控制器STM32，微控制器根据输出误差及误差变化率，按照设计好的模糊控制策略对DA输出量进行修正，使得PI控制器的输入信号的偏差快速为零，进而使得输出稳定。

参考文献

[1]范晓红.浅谈智能仪器仪表技术的发展及其应用[J].数字技术与应用,2014,(5):234,236.

[2]张利民,程奇峰,李茜,等.翼伞航迹跟踪多输入模糊控制[J].模糊系统与数学，2017,31(02):146-157.