CN109765502B - 一种程控直流电子负载 - Google Patents

Abstract

一种程控直流电子负载，属于电源测试技术领域，解决了现有直流电子负载无法兼顾响应速度和控制精度以及因导线分压而限制自身控制精度进一步提高的问题。所述电子负载：硬件控制部分包括PID恒压控制模块和PID恒流控制模块，根据反馈信号与参考信号的幅值差实时调整对功率管并联模块的驱动信号。软件控制部分基于主控模块实现，主控模块根据反馈信号与期望信号的幅值差实时调整控制信号。所述电子负载采用四线制待测电源接线法，即待测电源的正极与功率管并联模块的电流输入端相连，功率管并联模块的电流输出端经电流采样电阻与待测电源的负极相连，串联后的第一电压采样电阻和第二电压采样电阻与待测电源并联。

Description

一种程控直流电子负载

技术领域

本发明涉及一种电子负载，属于电源测试技术领域。

背景技术

对电源的测试会用到负载，而电阻器和滑动变阻器等传统负载存在诸多不足，例如不便于动态调节以及通上大电流时会产生温漂而不能使电源恒压或者恒流地输出等。因此，电子负载得到了越来越广泛的应用。现有的直流电子负载通常采用由硬件构成的闭环负反馈回路或者基于软件实现的闭环负反馈回路来控制功率管的导通量，以实现电源的恒压或者恒流输出。然而，现有基于硬件闭环负反馈回路的直流电子负载虽然具有较快的响应速度，但是其控制精度较低。现有基于软件闭环负反馈回路的直流电子负载虽然具有较高的控制精度，但是其响应速度较慢。另一方面，由于待测电源与功率管之间的导线上有较大的分压，也在一定程度上降低了现有直流电子负载的控制精度。为了解决导线分压的问题，往往需要进行繁琐的软件补偿。当直流电子负载所用导线不同时，补偿参数需重新标定。除此之外，软件补偿的效果因容易受导线温漂影响而大打折扣。

发明内容

本发明为解决现有直流电子负载无法兼顾响应速度和控制精度以及因导线分压而限制自身控制精度进一步提高的问题，提出了一种程控直流电子负载。

本发明所述的程控直流电子负载包括主控模块、功率管并联模块、PID恒压控制模块、PID恒流控制模块、电压调理模块、电流调理模块、滤波模块、通路控制模块、第一电压采样电阻、第二电压采样电阻和电流采样电阻；

待测电源的正极与功率管并联模块的电流输入端相连，功率管并联模块的电流输出端经电流采样电阻与待测电源的负极相连；

第一电压采样电阻与第二电压采样电阻串联，串联后的第一电压采样电阻和第二电压采样电阻与待测电源并联；

第一电压采样电阻与第二电压采样电阻的公共端经电压调理模块同时与PID恒压控制模块的反馈电压信号输入端和主控模块的反馈电压信号输入端相连；

功率管并联模块与电流采样电阻的公共端经电流调理模块同时与PID恒流控制模块的反馈电流信号输入端和主控模块的反馈电流信号输入端相连；

主控模块的控制信号输出端经滤波模块同时与PID恒压控制模块的参考电压信号输入端和PID恒流控制模块的参考电流信号输入端相连；

当待测电源为直流电流源时，主控模块控制通路控制模块使PID恒压控制模块的驱动信号输出端与功率管并联模块的驱动信号输入端相连，根据预设的所述程控直流电子负载的工作模式计算初始控制信号，并根据反馈电压信号与预设的期望电压信号的幅值差实时调整控制信号，以在软件层面上实现闭环控制；

当待测电源为直流电压源时，主控模块控制通路控制模块使PID恒流控制模块的驱动信号与功率管并联模块的驱动信号输入端相连，根据预设的所述程控直流电子负载的工作模式计算初始控制信号，并根据反馈电流信号与预设的期望电流信号的幅值差实时调整控制信号，以在软件层面上实现闭环控制；

PID恒压控制模块用于根据反馈电压信号与参考电压信号的幅值差实时调整驱动信号，以在硬件层面上实现闭环控制；

PID恒流控制模块用于根据反馈电流信号与参考电流信号的幅值差实时调整驱动信号，以在硬件层面上实现闭环控制。

作为优选的是，当待测电源为直流电流源时，所述程控直流电子负载的工作模式包括恒压模式、恒阻模式和恒功率模式；

当待测电源为直流电压源时，所述程控直流电子负载的工作模式包括恒流模式、恒阻模式和恒功率模式。

作为优选的是，主控模块还用于在反馈电压信号的幅值超出预设的电压信号安全限值或反馈电流信号的幅值超出预设的电流信号安全限值时，控制通路控制模块使功率管并联模块停止接收驱动信号。

作为优选的是，所述程控直流电子负载还包括温度监测模块，用于实时检测功率管并联模块的工作温度，并在功率管并联模块的工作温度超出工作温度安全限值时，通过主控模块控制通路控制模块，使功率管并联模块停止接收驱动信号。

作为优选的是，所述程控直流电子负载还包括报警模块，用于在反馈电压信号的幅值超出预设的电压信号安全限值或反馈电流信号的幅值超出预设的电流信号安全限值时或在功率管并联模块的工作温度超出工作温度安全限值时，根据主控模块发来的报警信号发出报警音。

作为优选的是，所述程控直流电子负载还包括按键模块，与主控模块相连，用于设置所述程控直流电子负载的工作模式和工作参数，工作参数包括电压、电流、电阻和功率。

作为优选的是，所述程控直流电子负载还包括RS232通讯模块，主控模块通过RS232通讯模块与上位机相连，上位机用于设置所述程控直流电子负载的工作模式和工作参数。

作为优选的是，所述程控直流电子负载还包括显示模块，与主控模块相连，用于显示所述的程控直流电子负载的工作模式、设定的工作参数、实际的工作参数以及功率管并联模块的工作温度。

作为优选的是，所述程控直流电子负载还包括模数转换模块，电压调理模块和电流调理模块均通过模数转换模块与主控模块相连。

作为优选的是，PID恒压控制模块和PID恒流控制模块的P、I、D参数均通过仿真确定，在确定的P、I、D参数的状态下所述程控直流电子负载无超调且上升时间最短。

作为优选的是，功率管并联模块包括4个功率管，功率管为IRFP2907型号的场效应管。

作为优选的是，PID恒流控制模块包括运算放大器U1、二极管D1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C1和电容C2；

运算放大器U1的同相输入端与电阻R1的第一端相连，运算放大器U1的反相输入端同时与电阻R2的第一端、电容C1的第一端和电容C2的第一端相连，电容C1的第二端与电阻R3的第一端相连，运算放大器U1的输出端同时与二极管D1的阳极、电阻R3的第二端和电容C2的第二端相连；

电阻R1的第二端、电阻R2的第二端和二极管D1的阴极分别为PID恒流控制模块的参考电流信号输入端、反馈电流信号输入端和驱动信号输出端；

电容C1的容值、电容C2的容值和电阻R3的阻值分别为PID恒流控制模块的P、I、D参数；

PID恒流控制模块的P、I、D参数分别为1uF、1nF、10kΩ。

作为优选的是，PID恒压控制模块包括运算放大器U2、二极管D2、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电容C3和电容C4；

运算放大器U2的同相输入端与电阻R4的第一端相连，运算放大器U2的反相输入端同时与电阻R5的第一端、电容C3的第一端和电容C4的第一端相连，电容C3的第二端与电阻R6的第一端相连，运算放大器U2的输出端同时与二极管D2的阳极、电阻R6的第二端和电容C4的第二端相连；

电阻R4的第二端、电阻R5的第二端和二极管D2的阴极分别为PID恒压控制模块的参考电压信号输入端、反馈电压信号输入端和驱动信号输出端；

电容C3的容值、电容C4的容值和电阻R6的阻值分别为PID恒压控制模块的P、I、D参数；

PID恒压控制模块的P、I、D参数分别为1nF、1uF、1kΩ。

作为优选的是，当所述程控直流电子负载工作于恒压模式时，主控模块采用以下方式调整控制信号：

S1、判断反馈电压信号与期望电压信号的幅值差的绝对值是否大于预定的第一幅值差参考值且期望电压信号的幅值大于反馈电压信号的幅值，当判断结果为是时，执行S2，否则，执行S3；

S2、使控制信号的占空比加第一修正值，并执行S1；

S3、判断反馈电压信号与期望电压信号的幅值差的绝对值是否大于预定的第一幅值差参考值且期望电压信号的幅值小于反馈电压信号的幅值，当判断结果为是时，执行S4，否则，执行S5；

S4、使控制信号的占空比减第一修正值，并执行S1；

S5、判断反馈电压信号与期望电压信号的幅值差的绝对值是否大于预定的第二幅值差参考值且期望电压信号的幅值大于反馈电压信号的幅值，当判断结果为是时，执行S6，否则，执行S7；

S6、使控制信号的占空比加第二修正值，并执行S1；

S7、判断反馈电压信号与期望电压信号的幅值差的绝对值是否大于预定的第二幅值差参考值且期望电压信号的幅值小于反馈电压信号的幅值，当判断结果为是时，执行S8，否则，执行S1；

S8、使控制信号的占空比减第二修正值，并执行S1；

第一幅值差参考值比第二幅值差参考值大1个量级，第一修正值比第二修正值大1个量级。

作为优选的是，当所述程控直流电子负载工作于恒流模式时，主控模块采用以下方式调整控制信号：

SA、判断反馈电流信号与期望电流信号的幅值差的绝对值是否大于预定的第一幅值差参考值且期望电流信号的幅值大于反馈电流信号的幅值，当判断结果为是时，执行SB，否则，执行SC；

SB、使控制信号的占空比加第一修正值，并执行SA；

SC、判断反馈电流信号与期望电流信号的幅值差的绝对值是否大于预定的第一幅值差参考值且期望电流信号的幅值小于反馈电流信号的幅值，当判断结果为是时，执行SD，否则，执行SE；

SD、使控制信号的占空比减第一修正值，并执行SA；

SE、判断反馈电流信号与期望电流信号的幅值差的绝对值是否大于预定的第二幅值差参考值且期望电流信号的幅值大于反馈电流信号的幅值，当判断结果为是时，执行SF，否则，执行SG；

SF、使控制信号的占空比加第二修正值，并执行SA；

SG、判断反馈电流信号与期望电流信号的幅值差的绝对值是否大于预定的第二幅值差参考值且期望电流信号的幅值小于反馈电流信号的幅值，当判断结果为是时，执行SH，否则，执行SA；

SH、使控制信号的占空比减第二修正值，并执行SA；

第一幅值差参考值比第二幅值差参考值大1个量级，第一修正值比第二修正值大1个量级。

本发明所述的程控直流电子负载，PID恒压控制模块根据反馈电压信号与参考电压信号的幅值差实时调整驱动信号，以在硬件层面上实现闭环控制。PID恒流控制模块根据反馈电流信号与参考电流信号的幅值差实时调整驱动信号，以在硬件层面上实现闭环控制。另一方面，主控模块根据反馈信号与预设的期望信号的幅值差实时调整控制信号，以在软件层面上实现闭环控制。本发明所述的程控直流电子负载因采用软、硬件协同控制的方式而响应速度快、控制精度高，进而有效地解决了现有直流电子负载无法兼顾响应速度和控制精度的问题。

本发明所述的程控直流电子负载，待测电源的正极与功率管并联模块的电流输入端相连，功率管并联模块的电流输出端经电流采样电阻与待测电源的负极相连，串联后的第一电压采样电阻和第二电压采样电阻与待测电源并联。这种四线制待测电源接法使得通过电压采样电阻采集到的电压包含待测电源与功率管并联模块之间的导线的分压，从原理上消除了导线分压对直流电子负载的控制精度的影响，能够进一步地提高直流电子负载的控制精度。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明所述的程控直流电子负载进行更详细的描述，其中：

图1为实施例所述的程控直流电子负载的结构框图，其中，1、2和3分别为第一电压采样电阻、第二电压采样电阻和电流采样电阻；

图2为实施例提及的PID恒流控制模块的电路原理图；

图3为实施例提及的PID恒压控制模块的电路原理图；

图4为实施例提及的四线制待测电源接法的示意图；

图5为实施例提及的现有硬件闭环负反馈回路的示意图；

图6为实施例提及的现有软件闭环控制回路的示意图；

图7为实施例提及的软、硬件协同控制回路的示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明所述的程控直流电子负载作进一步说明。

实施例：下面结合图1～图7详细地说明本实施例。

本实施例所述的程控直流电子负载包括主控模块、功率管并联模块、PID恒压控制模块、PID恒流控制模块、电压调理模块、电流调理模块、滤波模块、通路控制模块、第一电压采样电阻、第二电压采样电阻和电流采样电阻；

待测电源的正极与功率管并联模块的电流输入端相连，功率管并联模块的电流输出端经电流采样电阻与待测电源的负极相连；

第一电压采样电阻与第二电压采样电阻串联，串联后的第一电压采样电阻和第二电压采样电阻与待测电源并联；

第一电压采样电阻与第二电压采样电阻的公共端经电压调理模块同时与PID恒压控制模块的反馈电压信号输入端和主控模块的反馈电压信号输入端相连；

功率管并联模块与电流采样电阻的公共端经电流调理模块同时与PID恒流控制模块的反馈电流信号输入端和主控模块的反馈电流信号输入端相连；

主控模块的控制信号输出端经滤波模块同时与PID恒压控制模块的参考电压信号输入端和PID恒流控制模块的参考电流信号输入端相连；

当待测电源为直流电流源时，主控模块控制通路控制模块使PID恒压控制模块的驱动信号输出端与功率管并联模块的驱动信号输入端相连，根据预设的所述程控直流电子负载的工作模式计算初始控制信号，并根据反馈电压信号与预设的期望电压信号的幅值差实时调整控制信号，以在软件层面上实现闭环控制；

当待测电源为直流电压源时，主控模块控制通路控制模块使PID恒流控制模块的驱动信号与功率管并联模块的驱动信号输入端相连，根据预设的所述程控直流电子负载的工作模式计算初始控制信号，并根据反馈电流信号与预设的期望电流信号的幅值差实时调整控制信号，以在软件层面上实现闭环控制；

PID恒压控制模块用于根据反馈电压信号与参考电压信号的幅值差实时调整驱动信号，以在硬件层面上实现闭环控制；

PID恒流控制模块用于根据反馈电流信号与参考电流信号的幅值差实时调整驱动信号，以在硬件层面上实现闭环控制。

在本实施例中，主控模块采用单片机实现，滤波模块采用二阶有源低通滤波器实现，通路控制模块采用继电器组合实现。主控模块根据预设的工作模式计算需要输出的16位PWM值，PWM值控制主控模块输出方波信号的占空比，主控模块输出的方波信号经滤波模块后，转换为参考电压信号或参考电流信号。

当待测电源为直流电流源时，所述程控直流电子负载的工作模式包括恒压模式、恒阻模式和恒功率模式；

当待测电源为直流电压源时，所述程控直流电子负载的工作模式包括恒流模式、恒阻模式和恒功率模式。

本实施例的主控模块还用于在反馈电压信号的幅值超出预设的电压信号安全限值或反馈电流信号的幅值超出预设的电流信号安全限值时，控制通路控制模块使功率管并联模块停止接收驱动信号。

本实施例所述的程控直流电子负载还包括温度监测模块，用于实时检测功率管并联模块的工作温度，并在功率管并联模块的工作温度超出工作温度安全限值时，通过主控模块控制通路控制模块，使功率管并联模块停止接收驱动信号。

本实施例的温度监测模块采用DS18B20型号的数字温度传感器实现。

本实施例所述的程控直流电子负载还包括报警模块，用于在反馈电压信号的幅值超出预设的电压信号安全限值或反馈电流信号的幅值超出预设的电流信号安全限值时或在功率管并联模块的工作温度超出工作温度安全限值时，根据主控模块发来的报警信号发出报警音。

本实施例的报警模块采用蜂鸣器实现。

本实施例所述的程控直流电子负载还包括按键模块，与主控模块相连，用于设置所述程控直流电子负载的工作模式和工作参数，工作参数包括电压、电流、电阻和功率。

本实施例的按键模块为4×4的按键模块。

本实施例所述的程控直流电子负载还包括RS232通讯模块，主控模块通过RS232通讯模块与上位机相连，上位机用于设置所述程控直流电子负载的工作模式和工作参数。

本实施例所述的程控直流电子负载还包括显示模块，与主控模块相连，用于显示所述的程控直流电子负载的工作模式、设定的工作参数、实际的工作参数以及功率管并联模块的工作温度。

本实施例的显示模块采用OLED显示屏实现。

本实施例所述的程控直流电子负载还包括模数转换模块，电压调理模块和电流调理模块均通过模数转换模块与主控模块相连。

本实施例的模数转换模块采用ADS1115型号的模数转换器实现。

本实施例的PID恒压控制模块和PID恒流控制模块的P、I、D参数均通过仿真确定，在确定的P、I、D参数的状态下所述程控直流电子负载无超调且上升时间最短。

本实施例的功率管并联模块包括4个功率管，功率管为IRFP2907型号的场效应管。

本实施例的PID恒流控制模块包括运算放大器U1、二极管D1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C1和电容C2；

运算放大器U1的同相输入端与电阻R1的第一端相连，运算放大器U1的反相输入端同时与电阻R2的第一端、电容C1的第一端和电容C2的第一端相连，电容C1的第二端与电阻R3的第一端相连，运算放大器U1的输出端同时与二极管D1的阳极、电阻R3的第二端和电容C2的第二端相连；

电阻R1的第二端、电阻R2的第二端和二极管D1的阴极分别为PID恒流控制模块的参考电流信号输入端、反馈电流信号输入端和驱动信号输出端；

电容C1的容值、电容C2的容值和电阻R3的阻值分别为PID恒流控制模块的P、I、D参数；

PID恒流控制模块的P、I、D参数分别为1uF、1nF、10kΩ。

本实施例的PID恒压控制模块包括运算放大器U2、二极管D2、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电容C3和电容C4；

运算放大器U2的同相输入端与电阻R4的第一端相连，运算放大器U2的反相输入端同时与电阻R5的第一端、电容C3的第一端和电容C4的第一端相连，电容C3的第二端与电阻R6的第一端相连，运算放大器U2的输出端同时与二极管D2的阳极、电阻R6的第二端和电容C4的第二端相连；

电阻R4的第二端、电阻R5的第二端和二极管D2的阴极分别为PID恒压控制模块的参考电压信号输入端、反馈电压信号输入端和驱动信号输出端；

电容C3的容值、电容C4的容值和电阻R6的阻值分别为PID恒压控制模块的P、I、D参数；

PID恒压控制模块的P、I、D参数分别为1nF、1uF、1kΩ。

当所述程控直流电子负载工作于恒压模式时，本实施例的主控模块采用以下方式调整控制信号：

S1、判断反馈电压信号与期望电压信号的幅值差的绝对值是否大于预定的第一幅值差参考值且期望电压信号的幅值大于反馈电压信号的幅值，当判断结果为是时，执行S2，否则，执行S3；

S2、使控制信号的占空比加第一修正值，并执行S1；

S3、判断反馈电压信号与期望电压信号的幅值差的绝对值是否大于预定的第一幅值差参考值且期望电压信号的幅值小于反馈电压信号的幅值，当判断结果为是时，执行S4，否则，执行S5；

S4、使控制信号的占空比减第一修正值，并执行S1；

S5、判断反馈电压信号与期望电压信号的幅值差的绝对值是否大于预定的第二幅值差参考值且期望电压信号的幅值大于反馈电压信号的幅值，当判断结果为是时，执行S6，否则，执行S7；

S6、使控制信号的占空比加第二修正值，并执行S1；

S7、判断反馈电压信号与期望电压信号的幅值差的绝对值是否大于预定的第二幅值差参考值且期望电压信号的幅值小于反馈电压信号的幅值，当判断结果为是时，执行S8，否则，执行S1；

S8、使控制信号的占空比减第二修正值，并执行S1；

第一幅值差参考值比第二幅值差参考值大1个量级，第一修正值比第二修正值大1个量级。

当所述程控直流电子负载工作于恒流模式时，本实施例的主控模块采用以下方式调整控制信号：

SA、判断反馈电流信号与期望电流信号的幅值差的绝对值是否大于预定的第一幅值差参考值且期望电流信号的幅值大于反馈电流信号的幅值，当判断结果为是时，执行SB，否则，执行SC；

SB、使控制信号的占空比加第一修正值，并执行SA；

SC、判断反馈电流信号与期望电流信号的幅值差的绝对值是否大于预定的第一幅值差参考值且期望电流信号的幅值小于反馈电流信号的幅值，当判断结果为是时，执行SD，否则，执行SE；

SD、使控制信号的占空比减第一修正值，并执行SA；

SE、判断反馈电流信号与期望电流信号的幅值差的绝对值是否大于预定的第二幅值差参考值且期望电流信号的幅值大于反馈电流信号的幅值，当判断结果为是时，执行SF，否则，执行SG；

SF、使控制信号的占空比加第二修正值，并执行SA；

SG、判断反馈电流信号与期望电流信号的幅值差的绝对值是否大于预定的第二幅值差参考值且期望电流信号的幅值小于反馈电流信号的幅值，当判断结果为是时，执行SH，否则，执行SA；

SH、使控制信号的占空比减第二修正值，并执行SA；

第一幅值差参考值比第二幅值差参考值大1个量级，第一修正值比第二修正值大1个量级。

图2为PID恒流控制模块的电路原理图。电容C1的容值、电容C2的容值和电阻R3的阻值分别为PID恒流控制模块的P、I、D参数。本实施例通过Multisim仿真来确定PID恒流控制模块的P、I、D参数，具体方式为：在Multisim中搭建PID参数测试平台，实现PID恒流控制模块对功率管并联模块的控制，通过Multisim中示波器观测阶跃响应，以得到不同P、I、D参数对功率管并联模块的控制效果，通过优化P、I、D参数，使PID恒流控制模块既无超调又上升时间短。最终选定的PID恒流控制模块的P、I、D参数分别为1uF、1nF、10kΩ。

图3为PID恒压控制模块的电路原理图。电容C3的容值、电容C4的容值和电阻R6的阻值分别为PID恒压控制模块的P、I、D参数。PID恒压控制模块的P、I、D参数的确定方式与PID恒流控制模块相同。最终选定的PID恒压控制模块的P、I、D参数分别为1nF、1uF、1kΩ。

下面通过图4详细说明本实施例提出的四线制待测电源接法。图4为四线制待测电源接法的示意图，其中，L1和L4为待测电源与功率管并联模块之间的导线，L2和L3为待测电源与电压采样电阻之间的导线。4、5、6和7分别为导线L1、导线L2、导线L3和导线L4上的等效电阻。本实施例提出的四线制待测电源接法，第一电压采样电阻通过导线L2与待测电源相连，第二电压采样电阻通过导线L3与待测电源相连，第一电压采样电阻上测得的电压包含了导线L1的分压，第二电压采样电阻上测得的电压包含了导线L4的分压。因此，本实施例的四线制待测电源接法能够从原理上消除导线分压对直流电子负载的控制精度的影响，使设计的直流电子负载无需考虑导线的影响，便于大规模生产。

下面通过图5、图6和图7详细说明本实施例所述的程控直流电子负载的软、硬件协同控制方式：

图5为现有硬件闭环负反馈回路的示意图。MCU输出的脉宽调制信号经低通滤波器得到参考电压信号，最终控制的效果为分压电阻RA和分压电阻RB之间的电压同参考电压信号相等，该电路为恒压工作模式电路，恒流工作模式电路与以上电路类似。在理想情况下，给定一个某一占空比为x的方波信号，闭环负反馈回路会很快地控制功率管并联模块的导通量实现某一恒压y,即y＝f(x)，也就是说x和y是一一对应的函数关系。现有的电子负载只需要计算MCU需要输出的x值便可以控制被测电流源输出的电压，但由于元器件都不是理想的，实际得到的电压y1≠y，即控制精度不理想，需要对电子负载进行复杂的校准，用软件补偿来消除误差。由此可以看出电子负载用硬件构成的负反馈回路虽然具有响应速度快的优点，但是控制精度低，需要进行复杂的校准和软件补偿。

图6为现有软件闭环控制回路的示意图。与现有硬件闭环负反馈回路不同的是，现有软件闭环控制回路的反馈电压不是反馈给PID控制模块，而是通过模数转换模块反馈给MCU。MCU根据反馈电压的大小动态调整PWM输出，直至控制精度达到允许范围内。现有软件闭环控制回路的特点是由软件构成闭环控制回路，通过不断地动态调整PWM输出，能实现较高的控制精度，但缺点是控制过程需要软件算法计算出PWM输出，需要合适的算法，而不管算法性能有多优越，响应速度由于受MCU计算能力的限制总是比不上硬件闭环控制环路。由以上分析可以看出现有软件闭环控制环路具有控制精度高的优点，但是响应速度慢。

基于硬件控制回路和软件控制回路的优缺点，本实施例提出了软、硬件协同控制回路，如图7所示。根据需要控制的电压值y由函数y＝f(x)计算出需要输出脉冲的占空比x1，经过硬件闭环控制环路的快速响应控制被测电源输出电压为y1,此时y1和期望值y有一定的偏差，可通过软件做如下分段控制：

S1、判断反馈电压信号与期望电压信号的幅值差的绝对值是否大于预定的0.1且期望电压信号的幅值大于反馈电压信号的幅值，当判断结果为是时，执行S2，否则，执行S3；

S2、使控制信号的占空比加10，并执行S1；

S3、判断反馈电压信号与期望电压信号的幅值差的绝对值是否大于预定的0.1且期望电压信号的幅值小于反馈电压信号的幅值，当判断结果为是时，执行S4，否则，执行S5；

S4、使控制信号的占空比减10，并执行S1；

S5、判断反馈电压信号与期望电压信号的幅值差的绝对值是否大于预定的0.01且期望电压信号的幅值大于反馈电压信号的幅值，当判断结果为是时，执行S6，否则，执行S7；

S6、使控制信号的占空比加1，并执行S1；

S7、判断反馈电压信号与期望电压信号的幅值差的绝对值是否大于预定的0.01且期望电压信号的幅值小于反馈电压信号的幅值，当判断结果为是时，执行S8，否则，执行S1；

S8、使控制信号的占空比减1，并执行S1。

经过硬件闭环控制后，待测电源输出的电压信号，即反馈电压信号与期望电压信号之间相差很小，只需要对控制信号的占空比做较小修正即可得到较高的控制精度，经过几个循环控制后，便可将待测电源输出的电压信号控制在精度允许范围内。因此，本实施例所述的程控直流电子负载因采用软、硬件协同的控制方式而具有控制精度高和响应速度快的优点。以上只是以恒压工作模式为例，但不限于该模式，恒流模式、恒阻模式和恒功率模式可按照上述控制方式修改参数即可实现。

当恒流模式时，通过软件做如下分段控制：

SA、判断反馈电流信号与期望电流信号的幅值差的绝对值是否大于预定的0.1且期望电流信号的幅值大于反馈电流信号的幅值，当判断结果为是时，执行SB，否则，执行SC；

SB、使控制信号的占空比加10，并执行SA；

SC、判断反馈电流信号与期望电流信号的幅值差的绝对值是否大于预定的0.1且期望电流信号的幅值小于反馈电流信号的幅值，当判断结果为是时，执行SD，否则，执行SE；

SD、使控制信号的占空比减10，并执行SA；

SE、判断反馈电流信号与期望电流信号的幅值差的绝对值是否大于预定的0.01且期望电流信号的幅值大于反馈电流信号的幅值，当判断结果为是时，执行SF，否则，执行SG；

SF、使控制信号的占空比加1，并执行SA；

SG、判断反馈电流信号与期望电流信号的幅值差的绝对值是否大于预定的0.01且期望电流信号的幅值小于反馈电流信号的幅值，当判断结果为是时，执行SH，否则，执行SA；

SH、使控制信号的占空比减1，并执行SA。

与现有直流电子负载相比，本实施例所述的程控直流电子负载，以硬件PID控制为主，软件控制为辅，实现了软、硬件协同控制，具有更高的控制精度和更快的响应速度。通过Multisim仿真得到硬件PID控制部分的较佳参数，能无超调地在几十毫秒内控制多路级联的功率管，实现对多路功率管的级联控制，在保证控制精度和响应速度的同时增加了***的可靠性。针对待测电源是电压源或者电流源设计了两个PID负反馈控制回路，单片机控制继电器实现控制回路的自由切换，拓宽了电子负载的应用领域，无需针对电压源和电流源设计不同的电子负载。

虽然在本文中参照了特定的实施方法来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方法来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (15)

1.一种程控直流电子负载，其特征在于，所述程控直流电子负载包括主控模块、功率管并联模块、PID恒压控制模块、PID恒流控制模块、电压调理模块、电流调理模块、滤波模块、通路控制模块、第一电压采样电阻、第二电压采样电阻和电流采样电阻；

待测电源的正极与功率管并联模块的电流输入端相连，功率管并联模块的电流输出端经电流采样电阻与待测电源的负极相连；

第一电压采样电阻与第二电压采样电阻串联，串联后的第一电压采样电阻和第二电压采样电阻与待测电源并联；

第一电压采样电阻与第二电压采样电阻的公共端经电压调理模块同时与PID恒压控制模块的反馈电压信号输入端和主控模块的反馈电压信号输入端相连；

功率管并联模块与电流采样电阻的公共端经电流调理模块同时与PID恒流控制模块的反馈电流信号输入端和主控模块的反馈电流信号输入端相连；

主控模块的控制信号输出端经滤波模块同时与PID恒压控制模块的参考电压信号输入端和PID恒流控制模块的参考电流信号输入端相连；

当待测电源为直流电流源时，主控模块控制通路控制模块使PID恒压控制模块的驱动信号输出端与功率管并联模块的驱动信号输入端相连，根据预设的所述程控直流电子负载的工作模式计算初始控制信号，并根据反馈电压信号与预设的期望电压信号的幅值差实时调整控制信号，以在软件层面上实现闭环控制；

当待测电源为直流电压源时，主控模块控制通路控制模块使PID恒流控制模块的驱动信号与功率管并联模块的驱动信号输入端相连，根据预设的所述程控直流电子负载的工作模式计算初始控制信号，并根据反馈电流信号与预设的期望电流信号的幅值差实时调整控制信号，以在软件层面上实现闭环控制；

PID恒压控制模块用于根据反馈电压信号与参考电压信号的幅值差实时调整驱动信号，以在硬件层面上实现闭环控制；

PID恒流控制模块用于根据反馈电流信号与参考电流信号的幅值差实时调整驱动信号，以在硬件层面上实现闭环控制。

2.如权利要求1所述的程控直流电子负载，其特征在于，当待测电源为直流电流源时，所述程控直流电子负载的工作模式包括恒压模式、恒阻模式和恒功率模式；

当待测电源为直流电压源时，所述程控直流电子负载的工作模式包括恒流模式、恒阻模式和恒功率模式。

3.如权利要求2所述的程控直流电子负载，其特征在于，主控模块还用于在反馈电压信号的幅值超出预设的电压信号安全限值或反馈电流信号的幅值超出预设的电流信号安全限值时，控制通路控制模块使功率管并联模块停止接收驱动信号。

4.如权利要求3所述的程控直流电子负载，其特征在于，所述程控直流电子负载还包括温度监测模块，用于实时检测功率管并联模块的工作温度，并在功率管并联模块的工作温度超出工作温度安全限值时，通过主控模块控制通路控制模块，使功率管并联模块停止接收驱动信号。

5.如权利要求4所述的程控直流电子负载，其特征在于，所述程控直流电子负载还包括报警模块，用于在反馈电压信号的幅值超出预设的电压信号安全限值或反馈电流信号的幅值超出预设的电流信号安全限值时或在功率管并联模块的工作温度超出工作温度安全限值时，根据主控模块发来的报警信号发出报警音。

6.如权利要求5所述的程控直流电子负载，其特征在于，所述程控直流电子负载还包括按键模块，与主控模块相连，用于设置所述程控直流电子负载的工作模式和工作参数，工作参数包括电压、电流、电阻和功率。

7.如权利要求6所述的程控直流电子负载，其特征在于，所述程控直流电子负载还包括RS232通讯模块，主控模块通过RS232通讯模块与上位机相连，上位机用于设置所述程控直流电子负载的工作模式和工作参数。

8.如权利要求7所述的程控直流电子负载，其特征在于，所述程控直流电子负载还包括显示模块，与主控模块相连，用于显示所述的程控直流电子负载的工作模式、设定的工作参数、实际的工作参数以及功率管并联模块的工作温度。

9.如权利要求8所述的程控直流电子负载，其特征在于，所述程控直流电子负载还包括模数转换模块，电压调理模块和电流调理模块均通过模数转换模块与主控模块相连。

10.如权利要求9所述的程控直流电子负载，其特征在于，PID恒压控制模块和PID恒流控制模块的P、I、D参数均通过仿真确定，在确定的P、I、D参数的状态下所述程控直流电子负载无超调且上升时间最短。

11.如权利要求10所述的程控直流电子负载，其特征在于，功率管并联模块包括4个功率管，功率管为IRFP2907型号的场效应管。

12.如权利要求11所述的程控直流电子负载，其特征在于，PID恒流控制模块包括运算放大器U1、二极管D1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C1和电容C2；

运算放大器U1的同相输入端与电阻R1的第一端相连，运算放大器U1的反相输入端同时与电阻R2的第一端、电容C1的第一端和电容C2的第一端相连，电容C1的第二端与电阻R3的第一端相连，运算放大器U1的输出端同时与二极管D1的阳极、电阻R3的第二端和电容C2的第二端相连；

电阻R1的第二端、电阻R2的第二端和二极管D1的阴极分别为PID恒流控制模块的参考电流信号输入端、反馈电流信号输入端和驱动信号输出端；

电容C1的容值、电容C2的容值和电阻R3的阻值分别为PID恒流控制模块的P、I、D参数；

PID恒流控制模块的P、I、D参数分别为1uF、1nF、10kΩ。

13.如权利要求11所述的程控直流电子负载，其特征在于，PID恒压控制模块包括运算放大器U2、二极管D2、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电容C3和电容C4；

运算放大器U2的同相输入端与电阻R4的第一端相连，运算放大器U2的反相输入端同时与电阻R5的第一端、电容C3的第一端和电容C4的第一端相连，电容C3的第二端与电阻R6的第一端相连，运算放大器U2的输出端同时与二极管D2的阳极、电阻R6的第二端和电容C4的第二端相连；

电阻R4的第二端、电阻R5的第二端和二极管D2的阴极分别为PID恒压控制模块的参考电压信号输入端、反馈电压信号输入端和驱动信号输出端；

电容C3的容值、电容C4的容值和电阻R6的阻值分别为PID恒压控制模块的P、I、D参数；

PID恒压控制模块的P、I、D参数分别为1nF、1uF、1kΩ。

14.如权利要求2所述的程控直流电子负载，其特征在于，当所述程控直流电子负载工作于恒压模式时，主控模块采用以下方式调整控制信号：

S1、判断反馈电压信号与期望电压信号的幅值差的绝对值是否大于预定的第一幅值差参考值且期望电压信号的幅值大于反馈电压信号的幅值，当判断结果为是时，执行S2，否则，执行S3；

S2、使控制信号的占空比加第一修正值，并执行S1；

S3、判断反馈电压信号与期望电压信号的幅值差的绝对值是否大于预定的第一幅值差参考值且期望电压信号的幅值小于反馈电压信号的幅值，当判断结果为是时，执行S4，否则，执行S5；

S4、使控制信号的占空比减第一修正值，并执行S1；

S5、判断反馈电压信号与期望电压信号的幅值差的绝对值是否大于预定的第二幅值差参考值且期望电压信号的幅值大于反馈电压信号的幅值，当判断结果为是时，执行S6，否则，执行S7；

S6、使控制信号的占空比加第二修正值，并执行S1；

S7、判断反馈电压信号与期望电压信号的幅值差的绝对值是否大于预定的第二幅值差参考值且期望电压信号的幅值小于反馈电压信号的幅值，当判断结果为是时，执行S8，否则，执行S1；

S8、使控制信号的占空比减第二修正值，并执行S1；

第一幅值差参考值比第二幅值差参考值大1个量级，第一修正值比第二修正值大1个量级。

15.如权利要求2所述的程控直流电子负载，其特征在于，当所述程控直流电子负载工作于恒流模式时，主控模块采用以下方式调整控制信号：

SA、判断反馈电流信号与期望电流信号的幅值差的绝对值是否大于预定的第一幅值差参考值且期望电流信号的幅值大于反馈电流信号的幅值，当判断结果为是时，执行SB，否则，执行SC；

SB、使控制信号的占空比加第一修正值，并执行SA；

SC、判断反馈电流信号与期望电流信号的幅值差的绝对值是否大于预定的第一幅值差参考值且期望电流信号的幅值小于反馈电流信号的幅值，当判断结果为是时，执行SD，否则，执行SE；

SD、使控制信号的占空比减第一修正值，并执行SA；

SE、判断反馈电流信号与期望电流信号的幅值差的绝对值是否大于预定的第二幅值差参考值且期望电流信号的幅值大于反馈电流信号的幅值，当判断结果为是时，执行SF，否则，执行SG；

SF、使控制信号的占空比加第二修正值，并执行SA；

SG、判断反馈电流信号与期望电流信号的幅值差的绝对值是否大于预定的第二幅值差参考值且期望电流信号的幅值小于反馈电流信号的幅值，当判断结果为是时，执行SH，否则，执行SA；

SH、使控制信号的占空比减第二修正值，并执行SA；

第一幅值差参考值比第二幅值差参考值大1个量级，第一修正值比第二修正值大1个量级。

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