基于Cortex-M3的高精度直流電子負載系統設計

耿東山

(湖北民族學院 信息工程學院，湖北 恩施 445000)

基于Cortex-M3的高精度直流電子負載系統設計

耿東山

(湖北民族學院 信息工程學院，湖北 恩施 445000)

系統以STM32F103VET6為控制核心，采用DAC TLV5616控制運算放大器LM358驅動N溝道增強型P-MOSFET CSD17505Q5A，通過負反饋實現直流電子負載的恒流工作模式.同時采用電流并聯檢測芯片INA282將電流反饋至MCU，通過ADC采樣檢測實際電流與DAC設定電流的差值，利用PID控制器串聯校正實現無凈差控制，提高了電流控制的精度.其中PID參數通過遺傳算法進行自整定，預設了一組較優PID參數，在實際高精度測量中，也可以通過重新整定更新PID參數.

直流電子負載；高精度；高分辨率；遺傳算法；控制器參數自整定

圖1 直流電子負載原理示意圖Fig.1 DC electronic load principle diagram

公司和研究所往往用模擬負載模擬真實情況，以往常采用一些靜態負載進行簡單的實驗，對于不同的負載電流要用不同的負載裝置，其使用繁瑣、精度較低.而當電壓改變時，已經調好的負載電流數值也隨之改變，又需重新調整負載阻值，這種效率低下的工作方式幾乎無法完成對電源等相關設備的真正測試.

電子負載不僅可以模擬實際負載，還能夠準確檢測出負載電壓、負載電流，它比采用繼電器和電阻器的解決方案更可靠，也更簡易，有效解決了以往對電源等設備進行測試的難題.經過這些年的發展，電子負載已經成為設計研發、加工生產等方面的主要檢測工具.

系統擬設計和制作一臺恒流(CC)工作模式的高精度直流電子負載，以微控制器為控制核心，采用D/A控制運算放大器驅動N溝道增強型電力場效應晶體管P-MOSFET，通過負反饋實現直流電子負載的恒流工作模式.負反饋中串聯PID控制器進行校正，實現無凈差控制，提高了電流控制的精度.

1 系統整體方案設計

高精度直流電子負載主要由鍵盤與顯示模塊、控制器模塊、恒流電路模塊、電壓電流檢測模塊、功率器件模塊組成，其原理如圖1所示.

系統通過觸摸液晶顯示屏和輔助控制鍵盤對系統進行設置，利用DAC的恒流電路進行恒流控制，經過ADS1115采集到的電流進行閉環PID控制(PID的參數提前通過遺傳算法整定，也可后期整定更新)，使電流穩定在設定的值.而電壓采樣跨接在整個直流電子負載輸入端，一旦檢測到電壓大于設定值18 V，立即切斷直流電子負載與被測電源構成的環路，完成過壓保護，同時通過燈光閃爍與蜂鳴器報警，當電壓低于設定值18 V時自動恢復電路功能.

圖2 系統硬件框圖Fig.2 The hardware block diagram of the system

圖3 主程序流程圖Fig.3 The main program flow chart

2 系統硬件設計

系統硬件設計總體框圖如圖2所示.

系統硬件設計包括以下幾個部分：

1)恒流電路模塊硬件設計

在恒流工作模式時，該電路通過引入負反饋控制P-MOSFET導通來控制電流使其保持恒定.U2A為跟隨控制，U2B為36倍同相放大反饋.為避免運算放大器產生自激震蕩，在U2A 1、2腳之間并接103瓷片電容降低增益進行補償，可以得到穩定的恒流輸出.

2)電壓檢測模塊硬件設計

電壓采樣通過HCNR200高線性度模擬光電耦合器進行隔離采樣.

3)電流檢測模塊硬件設計

單向運轉使得INA282能夠測量從一個方向流經一個阻性分路的電流.在單向運行的情況下，當差分輸入為0 V時，輸出可被設定在負電源軌(此處為地).采得的電壓經過內部差分放大后，轉換為對地的輸出電壓.IN+與IN-接在康銅絲兩端進行并聯電流檢測.

4)A/D、D/A轉換模塊硬件設計

從功率模塊采集到的實際工作電壓和電流，需要通過采樣電路進行轉換，然后反饋到單片機，通過TFT液晶顯示，并利用軟件算法實現自動PID調節.

5)電源模塊硬件設計

變壓、濾波、穩壓三部分構成了系統電源，輸出±5 V和±12 V電壓，確保整個系統的正常穩定工作.另外通過DC/DC產生3.3 V為單片機供電.

3 系統軟件設計

3.1 軟件功能描述

軟件部分主要任務是根據電壓、電流采樣的數據，若輸入過壓控制繼電器斷開輸入并聲光報警，否則經過PID控制器串聯校正，由DAC輸出模擬值控制電力場效應晶體管P-MOSFET的導通.除此之外，軟件還要處理負載調整率的自動測量，PID調節參數的自整定，鍵盤的設置，觸摸屏的設置和顯示等實時性要求較低的任務.

3.2 主程序軟件設計

系統的主程序工作過程如下：系統上電后首先初始化整個系統，然后進入循環.在循環中，首先根據電壓采樣值判斷過電壓條件，若條件符合，則調用過壓保護子程序.若過電壓條件不滿足，系統則進入正常運行狀態，按鍵掃描子程序會進行按鍵掃描，最后系統根據按鍵掃描的鍵碼執行恒流功能或負載調整率自動測量功能.圖3為系統的主程序流程圖.

圖4 PID參數整定子程序流程圖Fig.4 PID parameter tuning subroutine flow chart

圖5 負載調整率測試示意圖Fig.5 Load regulation test diagram

3.3 PID參數整定功能軟件設計

本系統具有遺傳算法自動整定PID參數功能，通過遺傳算法來從維數眾多的數據中逐漸篩選出最優的數據，遺傳算法求解過程中充滿了隨機性、多樣性，因此其具有很好的魯棒性.用遺傳算法來進行PID參數整定不僅能快速獲取相關結果，而且效果十分理想.圖4是本系統中PID參數整定子程序流程圖.

4 結果與分析

4.1 測試方案

設定精度、分辨率的測試：將直流電子負載設置為恒流模式，選擇被測直流電源輸出分別為0.2、2、5、10、17.5 V，測試在0～1 000 mA不同恒流電流下的相關參數.

過壓保護功能測試：在直流電子負載正常工作情況下(分別設置0、100、200、500、1 000 mA的不同工作條件)，將電壓調高到18 V，測試過壓保護的反應精度.另外，在上電前將18～20 V電壓加在電路兩端，測試電源上電保護功能.

測量精度、分辨率的測試：將直流電子負載設置為恒流模式，分別設置恒流電流在0～1 000 mA、待測電源電壓在0.2～18 V情況下變化，測試電壓、電流顯示精度.

負載調整率自動測試功能驗證：為了更便捷的完成負載調整率的測試[1]，在待測電源的出線端串接一個電阻RW.更換不同阻值的RW，可以改變被測電源的負載調整率.在被測直流電源電壓為5、10、15 V的情況下，啟動直流電源負載調整率自動測量功能，在自動測試完成后，與手工實測結果進行對比.圖5是負載調整率測試示意圖.

4.2 測試結果

設定精度、分辨率的測試結果見表1.

表1 恒流范圍、分辨率、精度測試，電子負載端電壓變化下電流變化測試

過壓保護功能測試結果見表2.

電壓測量精度的測試結果見表3.

表2 過壓保護功能測試

表3 電壓測量精度

電流顯示精度的測試結果見表4.

表4 電流顯示精度

負載調整率自動測量功能驗證的測試結果見表5.

表5 負載調整率自動測量功能

4.3 測試結果分析與結論

根據上述測試數據，設計的直流電子負載系統工作電壓范圍0～18 V，工作電流范圍0～1 000 mA，在0.2 V低壓下既可實現額定電流工作，設置電流分辨率0.5 mA，精度恒為±0.25 mA，測量電壓分辨率為0.5 mV，精度恒為±0.25 mV，測量電流分辨率為0.2 mA，精度恒為±0.1 mA，在滿足設計要求的情況下具備了很高的恒流精度，只采用了較少的元件，實現了低成本高精度的電子直流負載測量方案.

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DesignofHighPrecisionDCElectronicLoadSystemBasedonCortex-M3

GEN Dong-shan

(School of Information Engineering,Hubei University for Nationalities,Enshi 445000,China)

This paper has mainly described the design of DC electronic load,which is based on Cortex-M3. The system uses STM32F103VET6 as its control core,with DAC TLV5616 controlling LM358,to drive the P-MOSFET CSD 17505Q5A.Through the function of feedback,the current of the load can be kept as a constant.At the same time,the design can bring the current back to MCU by the chip INA282.The D-value between the real data and the set-up value is tested by ADC,and the PID controller series correction isused to realze net difference control ,which improves the precision of current-control.The PID parameters can be adjusted by genetic algorithm.In the process of measurement of high-precision,these parameters can also be updated by readjusting.

DC electronic load;high preciscion;high-resolution;genetic algorithm;self-tuning controller parameters

2013-08-10.

湖北省自然科學基金項目(20011CDC017).

耿東山(1983- )，男，碩士，主要從事復雜系統控制建模的研究.

TP23

A

1008-8423(2013)03-0316-04