基于Cortex-M3的高精度直流电子负载系统设计

耿东山

(湖北民族学院 信息工程学院，湖北 恩施 445000)

基于Cortex-M3的高精度直流电子负载系统设计

耿东山

(湖北民族学院 信息工程学院，湖北 恩施 445000)

系统以STM32F103VET6为控制核心，采用DAC TLV5616控制运算放大器LM358驱动N沟道增强型P-MOSFET CSD17505Q5A，通过负反馈实现直流电子负载的恒流工作模式.同时采用电流并联检测芯片INA282将电流反馈至MCU，通过ADC采样检测实际电流与DAC设定电流的差值，利用PID控制器串联校正实现无净差控制，提高了电流控制的精度.其中PID参数通过遗传算法进行自整定，预设了一组较优PID参数，在实际高精度测量中，也可以通过重新整定更新PID参数.

直流电子负载；高精度；高分辨率；遗传算法；控制器参数自整定

图1 直流电子负载原理示意图Fig.1 DC electronic load principle diagram

公司和研究所往往用模拟负载模拟真实情况，以往常采用一些静态负载进行简单的实验，对于不同的负载电流要用不同的负载装置，其使用繁琐、精度较低.而当电压改变时，已经调好的负载电流数值也随之改变，又需重新调整负载阻值，这种效率低下的工作方式几乎无法完成对电源等相关设备的真正测试.

电子负载不仅可以模拟实际负载，还能够准确检测出负载电压、负载电流，它比采用继电器和电阻器的解决方案更可靠，也更简易，有效解决了以往对电源等设备进行测试的难题.经过这些年的发展，电子负载已经成为设计研发、加工生产等方面的主要检测工具.

系统拟设计和制作一台恒流(CC)工作模式的高精度直流电子负载，以微控制器为控制核心，采用D/A控制运算放大器驱动N沟道增强型电力场效应晶体管P-MOSFET，通过负反馈实现直流电子负载的恒流工作模式.负反馈中串联PID控制器进行校正，实现无净差控制，提高了电流控制的精度.

1 系统整体方案设计

高精度直流电子负载主要由键盘与显示模块、控制器模块、恒流电路模块、电压电流检测模块、功率器件模块组成，其原理如图1所示.

系统通过触摸液晶显示屏和辅助控制键盘对系统进行设置，利用DAC的恒流电路进行恒流控制，经过ADS1115采集到的电流进行闭环PID控制(PID的参数提前通过遗传算法整定，也可后期整定更新)，使电流稳定在设定的值.而电压采样跨接在整个直流电子负载输入端，一旦检测到电压大于设定值18 V，立即切断直流电子负载与被测电源构成的环路，完成过压保护，同时通过灯光闪烁与蜂鸣器报警，当电压低于设定值18 V时自动恢复电路功能.

图2 系统硬件框图Fig.2 The hardware block diagram of the system

图3 主程序流程图Fig.3 The main program flow chart

2 系统硬件设计

系统硬件设计总体框图如图2所示.

系统硬件设计包括以下几个部分：

1)恒流电路模块硬件设计

在恒流工作模式时，该电路通过引入负反馈控制P-MOSFET导通来控制电流使其保持恒定.U2A为跟随控制，U2B为36倍同相放大反馈.为避免运算放大器产生自激震荡，在U2A 1、2脚之间并接103瓷片电容降低增益进行补偿，可以得到稳定的恒流输出.

2)电压检测模块硬件设计

电压采样通过HCNR200高线性度模拟光电耦合器进行隔离采样.

3)电流检测模块硬件设计

单向运转使得INA282能够测量从一个方向流经一个阻性分路的电流.在单向运行的情况下，当差分输入为0 V时，输出可被设定在负电源轨(此处为地).采得的电压经过内部差分放大后，转换为对地的输出电压.IN+与IN-接在康铜丝两端进行并联电流检测.

4)A/D、D/A转换模块硬件设计

从功率模块采集到的实际工作电压和电流，需要通过采样电路进行转换，然后反馈到单片机，通过TFT液晶显示，并利用软件算法实现自动PID调节.

5)电源模块硬件设计

变压、滤波、稳压三部分构成了系统电源，输出±5 V和±12 V电压，确保整个系统的正常稳定工作.另外通过DC/DC产生3.3 V为单片机供电.

3 系统软件设计

3.1 软件功能描述

软件部分主要任务是根据电压、电流采样的数据，若输入过压控制继电器断开输入并声光报警，否则经过PID控制器串联校正，由DAC输出模拟值控制电力场效应晶体管P-MOSFET的导通.除此之外，软件还要处理负载调整率的自动测量，PID调节参数的自整定，键盘的设置，触摸屏的设置和显示等实时性要求较低的任务.

3.2 主程序软件设计

系统的主程序工作过程如下：系统上电后首先初始化整个系统，然后进入循环.在循环中，首先根据电压采样值判断过电压条件，若条件符合，则调用过压保护子程序.若过电压条件不满足，系统则进入正常运行状态，按键扫描子程序会进行按键扫描，最后系统根据按键扫描的键码执行恒流功能或负载调整率自动测量功能.图3为系统的主程序流程图.

图4 PID参数整定子程序流程图Fig.4 PID parameter tuning subroutine flow chart

图5 负载调整率测试示意图Fig.5 Load regulation test diagram

3.3 PID参数整定功能软件设计

本系统具有遗传算法自动整定PID参数功能，通过遗传算法来从维数众多的数据中逐渐筛选出最优的数据，遗传算法求解过程中充满了随机性、多样性，因此其具有很好的鲁棒性.用遗传算法来进行PID参数整定不仅能快速获取相关结果，而且效果十分理想.图4是本系统中PID参数整定子程序流程图.

4 结果与分析

4.1 测试方案

设定精度、分辨率的测试：将直流电子负载设置为恒流模式，选择被测直流电源输出分别为0.2、2、5、10、17.5 V，测试在0～1 000 mA不同恒流电流下的相关参数.

过压保护功能测试：在直流电子负载正常工作情况下(分别设置0、100、200、500、1 000 mA的不同工作条件)，将电压调高到18 V，测试过压保护的反应精度.另外，在上电前将18～20 V电压加在电路两端，测试电源上电保护功能.

测量精度、分辨率的测试：将直流电子负载设置为恒流模式，分别设置恒流电流在0～1 000 mA、待测电源电压在0.2～18 V情况下变化，测试电压、电流显示精度.

负载调整率自动测试功能验证：为了更便捷的完成负载调整率的测试[1]，在待测电源的出线端串接一个电阻RW.更换不同阻值的RW，可以改变被测电源的负载调整率.在被测直流电源电压为5、10、15 V的情况下，启动直流电源负载调整率自动测量功能，在自动测试完成后，与手工实测结果进行对比.图5是负载调整率测试示意图.

4.2 测试结果

设定精度、分辨率的测试结果见表1.

表1 恒流范围、分辨率、精度测试，电子负载端电压变化下电流变化测试

过压保护功能测试结果见表2.

电压测量精度的测试结果见表3.

表2 过压保护功能测试

表3 电压测量精度

电流显示精度的测试结果见表4.

表4 电流显示精度

负载调整率自动测量功能验证的测试结果见表5.

表5 负载调整率自动测量功能

4.3 测试结果分析与结论

根据上述测试数据，设计的直流电子负载系统工作电压范围0～18 V，工作电流范围0～1 000 mA，在0.2 V低压下既可实现额定电流工作，设置电流分辨率0.5 mA，精度恒为±0.25 mA，测量电压分辨率为0.5 mV，精度恒为±0.25 mV，测量电流分辨率为0.2 mA，精度恒为±0.1 mA，在满足设计要求的情况下具备了很高的恒流精度，只采用了较少的元件，实现了低成本高精度的电子直流负载测量方案.

[1] 钱大涛.高精度、高可靠性電子測試最新技術與応用[C]//21世纪中国电子仪器发展战略研讨会文集,2004：85-86.

[2] 刘杰.直流电子负载在直流电源校准中的应用[J].计量与测试技术，2010(10)：39-41.

[3] 丁锐霞.新型电子负载的研究[D].北京：北方工业大学，2008.

[4] 李先峰，王自强.馈能型直流电子负载数字化控制的研究[J].电力电子，2008(4)：16-20.

[5] 曲畅.电流断续型直流电子负载的设计与实现[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2011.

[6] 黄志瑛，谢光明.功率MOSFET在电子负载中的应用[J].科技资讯，2008(1)：22-23.

[7] 朱鳌鑫.遗传算法的适应度函数研究[J].系统工程与电子技术，1998(11)：60-64.

[8] 曲畅.电流断续型直流电子负载的设计与实现[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2011.

[9] 刘金琨.先进PID控制MATLAB仿真[M].北京：电子工业出版社，2004：220-234.

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.

湖北省自然科学基金项目(20011CDC017).

耿东山(1983- )，男，硕士，主要从事复杂系统控制建模的研究.

TP23

A

1008-8423(2013)03-0316-04