一种简易高精度直流电子负载设计与实验研究

一种简易高精度直流电子负载设计与实验研究

摘要：针对镍氢电池的充放电性能测试，该文设计了一种基于msp430f149控制的高精度电子负载测试系统，其外围使用16位a/d 和14位d/a转换电路，内部使用pid控制算法，实现定电流、定电阻、定功率三种工作模式，并具有rs485通信功能。经测试，该直流电子负载运行平稳，控制速度快、精度高，具有一定实用价值，可应用于电池等出厂测试。

关键词：直流电子负载；pid控制算法；实验研究

中图分类号：tp216 文献标识码：a 文章编号：1009-3044（2013）14-3399-03

在镍氢电池测试系统的研制中，需要对被测电池在带负载条件下的动态运行性能进行测试，即动态地改变负载使其处于定电流、定电阻、定功率三种工作模式，这就要求必须为测试系统提供一种能在线实时动态地改变工作模式的电子负载。该文介绍的设计方案以ti公司的msp430f149为控制核心，采用16位模数转换器ads1112采集负载的电压电流信号，根据设定值利用经典pid控制算法得到控制量，利用14位数模转换器dac904将其转换成模拟电压作为电子负载中功率mosfet的控制电压，从而实现控制闭环。系统通过rs485通信，实现了测试系统上位机对电子负载工作模式和参数设置的动态控制，达到了对被测试对象的动态运行性能进行实时仿真测试的目的。

1 总体设计与工作原理

系统可以通过本地人工和远程计算机两种方式选择定电流、定电阻、定功率三种工作模式，其中定电流模式是指不管电压变化，电源工作电流始终保持在设定值；定电阻模式是指被测电源电压与工作电流成线性变化，且比值始终保持在设定值；定功率模式是指被测电源电压与工作电流的乘积恒定保持在设定值[1]。工作模式确定后，设置期望的目标值，并开始运行。系统实时监测功率负载电路的工作电流、电压，并与目标值进行比较，通过经典pid控制算法，不断调整输出控制量，从而控制功率负载电路的回路电流，直至其控制精度达到系统设计要求。

2 硬件设计

2.1 功率mosfet负载单元

功率负载电路中使用的是n沟道增强型功率场效应管irf730，最大可耐压400v，常温下最大工作电流为5.5a。功率负载模块输出端接至irf730栅极，从而通过调整源栅极间电压控制其漏极电流，其包括 d/a 转换电路、电平变换与比较电路。

2.2电压电流检测单元

3 软件设计

3.1 采样值-电流曲线拟合

用设计的硬件采集用于拟合采样值-电流电压关系式的原始数据。用msp430f149驱动d /a转换器控制功率负载在设定电流下工作，同时驱动a/d转换器得到采样数据。在同一电流下连续采样10次，得到采样结果作为一组数据记录。测取完原始数据后，再对所

测数据进行数字滤波处理，将每个采样点的10个数据中的最大值和最小值剔除，再取剩下的8个数据的平均值作为这个该电流的最终采样值，从而得到一组数据。表1为测取的83.6～322.9ma段的部分数据。

3.2 采样值-电压曲线拟合

电压曲线拟合方法与电流方法基本一致，但是由于在不同工作电流下，线路阻抗、采样电阻和场效应管上产生的压降是不一样的，因此为了获得更精确的电压值，需要对不同的工作电流进行分段拟合。

首先当电流输入值为0a时，读取采样值与实际电压值，依此类推，分别对电流以100ma递增关系得出采样值与实际电压值。表2为不同电流下的部分采样数据。

3.3 恒流闭环控制器

4 测量精度与误差分析

在恒流（cc）工作模式下设置不同电流值，测量实际电流值。根据设置精度=（设置值-测量值）/设置值，系统设置精度小于千分之九；在恒流（cc）工作模式下设置固定电流值，改变负载两端电压10v时，分别测试变化前后的电流值。根据电流变化率=（变化前电流值-变化后电流值）/变化前电流值，系统电流变化率小于千分之九；手动输入电流值，通过闭环控制，改变da的输出，以达到手动电流输入与恒流源工作电流的控制，完成电流精度的测量。根据电流测量精度=（实际测量电流值-测量值）/实际测量电流值，

系统电流测量精度小于万分之五。

通过测量结果分析，系统虽然满足所需要的要求，但是还存在一些误差，造成误差的主要原因有：金属膜电阻的阻值不够精确；采样电阻自热效应引起的误差由于电阻在温度上升时阻值会发生变化，因此会引起温度飘移，给系统带来测量的误差；a/d，d/a转换误差受ad转换器精度及基准源稳定程度的限制，不可避免地带来

一定的误差，为了更精确的输出恒流电源，必须选用更多位数的ad、da芯片；因外界突发干扰或仪表显示值等引起的随机误差或粗大误差。

5 结束语

该文设计的简易直流电子负载采用硬件电路组成的闭环负反馈

进行稳流，该设计中采用了14位的dac模块，完成电流输出控制。单片机msp430f149主要用于控制dac和ad采样测量，兼管键盘，显示等人机接口。通过测试，本系统设计与常用的软件闭环方案相比，具有高精度、宽量程、负载适应性强，性能稳定、操作简便、成本低廉等优点。

参考文献：

[1] 沈宏，吕强. 浅谈直流电子负载[j]. 计量天地， 2008，5（上）：16.

[2] 陈振林，许晔.基于多元线性回归分析的高精度温度测量[j]. 电子测量与仪器学报， 2000，14（3）：9-12.

[3] 丁锐霞，马秀坤. 基于atmega16的智能电子负载设计[j].

山西师范大学学报：自然科学版，2008，23（2）：24-27. [4] 王超，刘志刚，沈茂盛. 模块化电子模拟功率负载系统的设计[j].电子应用， 2005，24（9）：54-57.

[5] 刘金琨. 先进pid控制matlab仿真 [m]. 3版.北京：电子工业出版社， 2011.