简易直流电子负载.doc

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1、 摘要本系统使用TI公司的通用运算放大器实现底层控制，以MSP430F169单片机为系统级控制核心，实现了实现了恒流负载模式、过压保护、键盘输入、数字显示的功能。设计采用了模拟与数字混合的方案，单片机利用12位DAC作为模拟控制器的可靠给定，模拟PI调节器有效减少静态误差、响应时间与超调。在系统设计上遵循准确、可靠、低成本的设计准则。经测试，该系统较好地实现了题目所要求的基本和发挥功能。关键词MSP430S169，PI 控制，恒流模式，过压保护。AbstractIn this design, general purpose op-amp from TI is used for local co

2、ntrol while controller MSP430F169 is used as the system controller. The designed system can work under constant current sink mode with over-voltage protection, interface function is also provided for keyboard input and full digital display. With the proposed analog-digital hybrid control concept, th

3、e analog controller follows the reliable control demand issued by the high precision 12-bit DAC from the MSP430 controller, and zero steady-state error, controlled response time and over-shoot is achieved. The entire design follows three guide lines, high precision, high reliability and low cost. Th

4、e experimental tests indicate that the objectives of proposal are achieved properly.KeywordsMSP430F169，PI control, constant current mode, over-voltage protection.一、 方案的选择与论证1.1 系统总体方案论证电子负载可分为能耗式与回馈式，本要求中的设计对象为小功率电子负载，故采用能耗是。一般市场上精度不高的电子负载多用开关式，而高速高精度电子负载多用模拟方案。根据设计要求，拟定了6个方案，分别如图1-1至图1-6所示，提出的方案均具有

5、短路保护功能。图1-1与1-2中采用不用形式的buck电路，这种电路的缺点是输入电流不连续，需要加大电容滤波，系统可靠性较低，且会改变被测系统的结构（输出端并联了电容）。图1-3是buck-boost型，输入电流也不连续，同样需要加输入滤波电容。图1-4与1-5为电流源型变换器，但是系统造价过高，且输入电流纹波同样取决于开关频率与电感值。图1-6中为线性MOSFET方案，控制MOSFET门极电压，保持MOSFET工作在饱和区，控制MOSFET内部电流。图1-1 方案一：Buck变换器A图1-2 方案二：Buck变换器B图1-3 方案三：Buck-Boost变换器图1-4 方案四：Cuk变换器图

6、1-5方案五：SEPIC变换器图1-6 方案六：线性MOSFET负载方案1-6可以使用模拟技术实现，以LM324放大器，电流控制模块将采集的电流输入控制器，控制器根据参考值将误差放大生成MOSFET的门极电压。系统结构图如1-7所示，本地控制由模拟器件完成，系统级的参考值给定由MSP430的DAC完成，同时MSP430也实现人机接口的功能。表1-1分析了各种方案的优缺点，可以看出，线性MOSFET作为负载的情况是性能最高，可靠性最高，成本最低的方案。图 1-7基于线性MOSFET的模数混合方案表1-1各种方案比较性能拓扑输入电流纹波EMI主要器件数量可靠性成本Buck (A)取决于电感电容大4

7、个以上一般一般Buck (B)取决于电感电容大4个以上一般一般Buck-Boost取决于电容大4个以上一般一般Cuk取决于电感大4个以上一般高SEPIC取决于电感大4个以上一般高线性MOS很小小1个高低1.2 本方案模块设计论证根据题目要求，系统可以划分为功率级模块、本地控制器模块、系统控制器模块、键盘模块、显示模块、辅助电源模块。为实现各模块的功能与配合，先对各部分进行论证。1. 电源模块本系统需要采用15V为运算放大器供电，5V电压作为控制器中的参考电压、MSP430最小系统板的供电电压以及LCD屏的供电电压、3.3V为MSP430供电。 由于在竞赛要求中未提出对辅助电源的要求，故采用18

8、-24V的直流电压对系统的辅助电源系统进行供电。考虑到噪音的影响，采用线性调压芯片获得各电压等级。2. 键盘模块键盘模块的方案采用智能便携设备中的功能键的思路，采用最少按键实现；分别为“参考值上调”、“参考值下调”、“ON/OFF”键。3. 显示模块使用液晶显示屏显示负载电流和电压，LCD具有轻薄短小，低耗电量，无辐射危险，平面直角显示以及影像稳定不闪烁等优势，可视面积大，画面效果好，分辨率高，抗干扰能力强等优点。另外系统中加入了LED显示，分别表示MSP430 5V供电电压正常（蓝光）、3.3V供电电压正常（蓝光）、系统正常启动（蓝光）、过压显示（蓝光）。4. 本地控制器模块芯片选择依据：T

9、I公司生产的通用芯片。根据第1节中的论证，本设计采用了线性功率MOSFET，所以模拟方式是较好的实现方案，因为PWM模块会导致系统电流纹波加大且引入噪音。所以本设计选取了TI的通用放大器系列的产品LM324，四运放的集成放大器。单片LM324模块会完成电流放大、稳压、PI|调节的功能，为最经济实惠的方案。5. 系统控制模块TI推荐的MSP430是系统默认选项，由于在本设计中单片机不参与高速的控制回路运算，所以8M主频的MSP430F169完全满足要求。MSP430的数字I/O高达48个，同时拥有丰富的外设，适合与多种设备进行接口，也便于本设计的进一步扩展。6. 功率级模块采用绝缘栅型场效应管构

10、成的电子负载，控制灵敏度高、工作速度快，既无机械接触点，也无运动部件，适合模拟速度较快，电流稍小的实际负载。二、 系统的硬件设计与实现1. 电源模块实现采用外接18-24V辅助电源，经7815，7805，AMS1117/3.3芯片得到5V电压。部分原理图如图2-1所示。图2-1部分电源模块原理图2. 键盘模块键盘模块的方案采用智能便携设备中的功能键的思路，采用最少按键实现；分别为“参考值上调”、“参考值下调”、“ON/OFF”键。硬件设计如如2-2所示。图2-2 键盘模块设计原理图3. 显示模块显示模块采用GZL12864的LCD屏，根据厂家推荐设计外围电路，使用了MSP430的P1口进行并口

11、数据传输。4. 本地控制器模块硬件设计本地控制目标为带过压保护的恒流，先对恒流模式进行设计，如图2-3所示，负载电流经过采样电阻，被一级正比例环节放大、滤波，与给定参考值进行比较后一个三极点-二零点的PI调节器，输出一个稳态值作为MOSFET的门控电压，从而得到稳定的反馈电流。本功能使用了单片LM324。图2-3 电流控制模块原理图 要求系统静差为零的情况下引入负反馈，需要对其进行控制系统分析。根据MOSFET的输入特性曲线和器件参数，可以得到恒流控制下的MOSFET模型为一个比例环节与R-C滤波环节的级联波形，为一阶系统。电流反馈回路可以由H(s)建模，可以从图中得到而PI调节器传递函数为：

12、利用MATLAB进行控制系统设计，波特图如图所示图2-4系统传递函数波特图由波特图可知，系统幅值裕量为-30dB，相位裕量约为-90，直流增益很大，而相比未经补偿之前的系统，其静态增益很小，且响应速度相对较低。经过控制系统设计，不但使得静态放大倍数增大，静态误差减小，而且提高了系统的快速性。电压控制模块为了保护系统，故对其控制系统的要求不高，系统采用了单极点单零点的PI调节器，如图2-5所示。采样电压经过跟随器、PI调节器输出作为MOSFET管的门极输入，当采样电压大于规定值时，经PI调节后，输出使得MOSFET关断，从而实现过压保护。图2-5电压控制模块原理图两个控制回路的整合如图2-6所示

13、，根据谁低谁输出的原则，可以限制恒压的上限为18V，18V一下为任意恒流控制。图 2-6 带有过压保护的恒流模式选择电路5. 功率级模块 功率模块采用IXYS的IXTA-TP80N10T（100V80A）该器件完全可以工作于最大18V1A的情况下。图2-7 直流电子负载模块原理图三、 系统程序设计对于本系统，软件设计是系统控制的核心，是实现接口功能的关键。3.1 主系统流程图及主函数图 3-1 主程序流程图图 3-2 主程序源代码3.2 模拟开发软件使用的开发软件是IAR仿真软件，他是一种用于卡发不同应用不同的目标处理器的灵活的集成环境，提供一个方便的窗口界面用于迅速的卡发调试，可以使用C、C

14、+汇编等多种语言开发。3.3 编程注意事项在软件编程时的应注意的几点事项：（1）所有功能模块都封装分子函数，方便于在其他函数和主函数中调用，简化主函数并使其看起来比较清晰，也可以封装成库函数。（2）尽量定义全局变量，方便在IAR中调试时观察变量中的值。四、 作品性能测试与分析4.1 所用仪器和测量工具测试主要用到YB1732A-3A直流稳压电源、数字型万用表、TPS2024数字型示波器。样机如图4-1所示。图 4-1 简易电子负载样机4.2 调试方法和过程测试方法：给各模块通电，将数字式万用表接入主电路，通过按键调节参考电流的大小，记录相应的输出电流值。将测量值与参考值进行比较，得到的误差数据

15、如图4-2至4-6所示：图4-2 输入电压10V时全范围电流测试误差图图4-3 输入电压9V时全范围电流测试误差图图4-4 输入电压5V时全范围电流测试误差图表4.2.4 Vin=1V图4-5 输入电压1V时全范围电流测试误差图图4-6 输入电压0.5V时全范围电流测试误差图4.3误差分析（1）电阻阻值受温度影响（2）由于采用的通用运放，且没有做分段处理，电流测量不够精准4.4总结单片MSP430为核心进行整体控制，实现了电子负载的电流和电压调整，保证相应情况下电流和电压的稳定，很好地实现了参数调整和显示，完成了所有的基本要求和部分扩展要求。设计过程中遇到许多问题，如LCD无法正确显示，运放不

16、能正常工作等，最终在不断地调试过程中得以解决。在很多地方，系统仍需要改进。五、 参考文献1 童诗白 华成英 模拟电子技术基础. 高等教育出版社，20062 胡寿松 自动控制原理. 科学出版社，20073 秦龙 MSP430单片机C语言应用程序设计实例精讲. 电子工业出版社，20064 MSP430x1xx Family Users Guide, Texas Instrument. 20065LM124/LM224/LM324/LM2902 Low Power Quad Operational Amplifier, 2010六、 附录表6-1核心器件器件数量厂家MSP430F1691Texas InstrumentLM3242Texas Instrument