1、 目 录 摘 要 . I Abstract . II 1 绪论 . 1 1.1 电子负载概述 . 1 1.2 电子负载研究现状 . 1 1.3 电子负载的工作方式 . 3 1.3.1 恒定电流工作方式 . 3 1.3.2 恒定电压工作方式 . 3 1.3.3 恒定电阻工作方式 . 4 1.4 主要研究 内容 . 4 2 大功率电子负载主电路设计 . 5 2.1 电子负载模拟原理 . 5 2.2 系统方案设计 . 6 2.3 主电路设计 . 8 3 电子负载硬件设计 . 10 3.1 单片机选型 . 10 3.2 电源模块 . 12 3.3 A/D 转换模块 . 12 3.4 显示模块 . 14
2、 3.5 采样模块 . 15 3.5.1 电压采样 . 15 3.5.2 电流采样 . 15 3.5.3 集成运放设计 . 16 3.6 IGBT 功率驱动模块 . 18 4 系统软件设计 . 20 4.1 汇编语言设计与 Keil 开发软件 . 20 4.2 ADC0809 模数转换子程序设计 . 21 4.3 显示子程序设计 . 22 4.4 电子负载程序设计流程图 . 22 总结与展望 . 25 参考文献 . 26 附录 1：控制电路图 . 27 附录 2：电子负载设计程序 . 28 致 谢 . 36 武汉理工大学毕业设计（论文） I 摘 要 进入 21 世纪，随着电力电子技术、计算机技
3、术和自动控制技术的迅速发展，给 电源检测技术带来了革命性的变化。为了满足人们对电源检测越来越高的要求， 新的电子负载已经渐渐取代传统的电源检测技术应用于各个领域之中。 本论文主要研究的内容是电子负载的设计与研究。 本 论文 首先对电子负载的工作原理及控制方式进行了具体的阐述，并分析了电子负载系统的几种不同的设计方案。最终选择以 以 AT89S51 单片机 为 控制 核心 ， 设计恒流方式的电子负载，即无论电压如何变化，流过该电子负载的电流恒定，且电流值可设定。 设计 系统硬件部分 主要 包括控制电路、 功率 驱动电路 、 采样电路、 A/D 转换电路、 显示电路等 模块 ， 能够检测被测电源的
4、电流值、电压值，各个参数都能直观的在数码管上显示。 关键词 ： 电子负载； 单片机；采样；功率驱动 武汉理工大学毕业设计（论文） II Abstract In the 21st century, with the power electronics technology, computer technology and automatic control technology, the rapid development of detection technology to power has brought a revolutionary change. To meet the increa
5、sing awareness of the power testing requirements of the new electronic load has been gradually replacing the traditional power detection technology used in various realms. The content of this thesis is the design of electronic load and research. This paper first principle of the electronic load and
6、control the way the concrete elaboration and analysis of several different electronic load system design. The final choice to the AT89S51 microcontroller as the control center, the design of electronic constant current mode load, that is, no matter how the change in voltage, flow through the electro
7、nic load current constant, and the current value can be set. Hardware design system includes the control circuits, power driver circuit, sampling circuit, A / D converter circuit, display circuit and other modules, can detect the current value of the measured power, voltage values, each parameter ca
8、n be visually displayed in the digital . Key Words: Electronic load; SCM; Sampling; Power drive 武汉理工大学毕业设计（论文） 1 1 绪论 1.1 电子负载概述 在电子技术应用领域 ,经常要对开关电源、线性电源、 UPS 电源、变压器、整流器、电池、充电器等电子设备进行测试，如何对其输出特性进行可靠、全面且比较简单 、快捷的测试，一直是仪表测试行业研究的问题。传统的测试方法中一般都采用电阻、滑线变阻器、电阻箱等充当测试负载 1，但这些负载不能满足我们对负载多方面的要求，如：恒定电流的负载；带输出接口
9、的负载；随意调节的负载、恒功率的负载、动态负载；多输出端口的负载等。现在有一种新型多功能的电子负载，可据实际应用中对负载特性的要求进行设置，满足了我们对负载的各种要求，解决了开发研制测试中的困难。 在研究电子负载之前，电源测试实验往往采用电阻性负载 2， 相对于传统的电阻性负载，电子负载具有以下几个方面的优点 3： （ 1） 负载大小可以连续调节，可以按照操控者的设定值精确的运行。 （ 2） 节约能源，有利于环保。被测设备的输出能量可以回馈到电网，达到循环利用的目的，其损耗仅仅是电能反馈型电子负载的开关等元件的发热损耗和线路损耗。由于发热损耗极少，避免了试验场所环境温度升高等一系列的问题。 （
10、 3）体积小、重量轻。由于被测设备的能量循环利用，产生的热量少，无需 配备专门的冷却设备，因此大大降低了设备的占用空间 。 （ 4）自动化程度高，可实现无级调节。电子负载可以工作在恒电流、恒阻抗、恒功率等模式下，根据需要对其进行控制，在容量范围内模 拟各种阻抗值的负载，对于输入负荷进行连续调节，提高了可操作性与系统工作效率。 (5)不需要对负载进行定期维护。对比与传统负载产生大量热量损耗，低损耗的电子负载不需要经常对其维护，使用寿命较高，设备维护工作简单，降低使用成本。 1.2 电子负载研究现状 电子负载是通过控制场效应晶体管或晶体管的导通量 (占空比大小 )，靠功率管的耗散功率消耗电能的设备
11、。目前国内外的电子负载主要由可控的电子器件组成。 根据电源类型不同，电子负载可分为两类 4： （ 1） 直流电子负载 直流电子负载主要应用于直流电源试验的电子负载 ， 如通 讯电源，蓄电池等。直流电子负载 一般采用 DC/AC 逆变方式，将直流电源的 电能反馈到交流电网中。目前，直流电子负载的研究已比较成熟，也有一些成熟的产品，并且开始在电源的试验中获得应用。 （ 2） 交流电子负载 交流电子负载 主要应用于交流电源实验，一般采用 AC/DC/AC 两级变换电路构成电子武汉理工大学毕业设计（论文） 2 负载主电路。 目前相关的文献都是对 UPS 老化试验节能的研究，其主要目标是在试验能量的回馈
12、上，交流电子负载的理论尚未完全成熟和完善，还有很多需要研究之处。 根据选取的可控电子器件的不同，电子负载可以分为以下几类 : (l)采用晶 体管的电子负载。 大功率晶体管 GTR 也是半导体三极管，是内部含有两个 PN 结，外部通常有三个引出电极的半导体器件。它对电信号有放大和开关等作用，应用十分广泛。通过控制其基极电流可以控制其集极电流，因此，晶体管可作为一种可变电子负载。由于晶体管属于电流控制型器件，在控制变化速度上较慢，因此适合模拟一些电流恒定或是变化缓慢的实际负载。其次，晶体管还存在温度系数为负的问题，所以在使用过程中需要考虑温度补偿的问题。 (2)采用场效应管的电子负载。 场效应晶体
13、管 (MOSFET)工作在不饱和区时，根据漏极与源极之间的伏安 特性可以将其看作受栅极和源极间电压控制的可变电阻。用 MOSFET 做可变电阻具有工作速度快、可靠性好、控制灵敏度高等优点，而且既无机械触点，也无运动部件，噪声低，寿命长。但是MOSFET 的通态电阻较大，且负载电流较小。所以， MOSFET 适合模拟一些变化速度较快，但电流不大的实际负载。 (3)采用绝缘栅双极晶体管的电子负载。 绝缘栅双极晶体管，简称 IGBT，是 MOSFET 和晶体管技术结合而成的复合型器件，属于电压控制型器件。当 IGBT 工作在不饱和区时，根据射极与集极之间的伏安特性可以将其看作受栅极电压控制的可变 电
14、阻。与晶体管相比，它的响应速度快 ;与 MOSFET 相比，它的负载电流大。 从输出能量是否能够反馈的角度来分，电子负载又可以分为电能反馈型电子负载和电能消耗型电子负载两种 5。电能反馈型电子负载系统被测电源从交流电网获得能量，然后输出直流低压，通过电子负载，输出之后反馈并入工业电网中。经过电子负载之后的能量并没有浪费掉，而是反馈回交流电网中，实际损耗的电能仅仅是在被测电源和电子负载模块上面的损耗。 电能反馈型电子负载与一般的电能消耗型电子负载的不同在于：一方面，电能反馈型电子负载能够将被测电源的输出能量大部 分反馈回电网，可以节约大部分的能源，试验场所也不需要配备较大的电源容量。而且由于绝大
15、部分能量被反馈回电网，大部分能源不会被耗费继而产生大量热量，因此不需要配备体积庞大的电阻箱和冷却设备。另一方面，由于电能反馈型电子负载采用的是 PWM 可逆的整流器，而 PWM 可逆的整流器在开关状态下工作，与工作在放大状态的电能消耗型电子负载相比，电能反馈型电子负载可以应用在大功率的工作场合中，因为应用领域更广泛。 随着电力电子技术的不断发展和进步，电子负载从直流发展到交流，从小功率发展到大功率，从晶体管式发展到绝缘栅双极 晶体管，从电能消耗型发展到电能反馈型。由于国民经济的迅猛发展以及工业进程的不断加快，能源匮乏的问题亟待解决，为了节约有限的能源，减少庞大的开支，实现试验自动化的要求，电能
16、反馈型电子负载成为未来科学研究武汉理工大学毕业设计（论文） 3 的主要方向。 1.3 电子负载的工作方式 直流电子负载可以具备恒定电流、恒定电阻、恒定电压、动态负载及短路负载等工作方式 6。 1.3.1 恒定电流工作方式 图 1-1 是电子负载与被测电源的连接图和外特性图。在定电流模式中 ,在额定使用环境下 , 不论输入电压大小如何变化 , 电子负载将根据设定值来吸收电流。 若被测 电压在 5 10V 变化 ， 设定电流为 100mA， 则当调节被测电压值时 ， 负载上的电流值应维持在 100mA 不变 , 而此时负载值是可变的。定电流模式能用于测试电压源及AD/ DC 电源的负载调整率。负载
17、调整率是电源在负载变动情况下能够提供稳定的输出电压的能力 , 是电源输出电压偏差率的百分比。 电流源 电子负载 预制负载电流U/VI/mA图 1-1 电子负载恒定电流工作方式 1.3.2 恒定电压工作方式 图 1-2 为电子负载与被测电源连接图和外特性图。在此方式下电子负载将吸收足够的电流来控制电压达到设计值。定电压模式能被使用于测试电源的限流特性。另外 , 负载可以模 拟电池的端电压 , 故也可以使用于测试电池充电器。 电子负载 预制负载电压I/mAU/V电压源+_图 1-2 电子负载恒定电压工作方式 武汉理工大学毕业设计（论文） 4 1.3.3 恒定电阻工作方式 此种状态下 ， 负载如纯电
18、阻 ， 吸收与电压成线性正比的电流。 此方式适用于测试电压源 ， 电流源的启动与限流特性 。 图 1-3 为恒阻方式连接图和外特性图 , 在定电阻模式中 , 电子负载将吸收与输入电压成线性的负载电流。 电流源 电子负载 电子负载电压源+_预制负载电阻U/VI/mA图 1-3 电子负载恒定电阻工作方式 1.4 主要研究内容 本 论文的主要内容是一个 5KW 的电子负载的设计与研究，建立电子负载的控制模型并设计电路满足设计要求。 论文全文分为五个章节。 第一章 主要介绍了电子负载的概念以及电子负载的研究现状，并 描述了电子负载的三种不同的工作方式，同时给出了论文的主要 内容与章节安排。第二章主要介
19、绍了大功率电子负载技术的模拟原理， 分析了几种不同的电子负载系统控制策略，根据几种不同的策略来分析并确定系统的控制方法 ，设计出系统主电路。第三章就是电子负载 的 控制系统设计，控制系统 设计包括单片机的选择应用，电源模块， A/D 转换模块，显示模块，采样模块以及功率驱动模块等的设计。第四章就是系统的软件方面的设计，软件方面的设计通过分析题意后写出程序设计流程图，然后通过汇编语言写出各模 块的程序。最后一章是对本文主要内容的总结并展望电子负载技术的发展前景。 武汉理工大学毕业设计（论文） 5 2 大功率电子负载 主电路设计 2.1 电子负载模拟原理 电子负载的基本功能同普通电阻负载和其他能耗
20、式负载是一样的，模拟的都是普通电阻负载的输出特性。负载可以等效为电感和电阻的串联，与之同理，电子负载可以模拟实际电阻负载和阻感负载，模拟电阻负载与阻感负载的等值电路分别如图 2-1 和图 2-2 所示 7。 +-UdIRL图 2-1 模拟阻感负载的等效电路 +-UdIR图 2-2 模拟电阻负载的等效电路 图中， dU 为被测电源的输出电压，数学模型表示为： d diU Ri L dt(2-1) dU Ri (2-2) 分别解上面两个方程式可得： (1 )Rid LUieR （ 2-3） dUi R (2-4) 模拟阻感负载，对于任意被试电源电压 Ud，可以根据式 (2-3)求得该电源在设定负载
21、参数 R、 L 下的输出电流值 i 。换言之，通过采用合理的控制方法对电子负载进行实时武汉理工大学毕业设计（论文） 6 控制，使得电子负载直流侧的输入电流值与式 (2-3)中计算得到的电流 i 值始终能够保持一致，系统便可以实现对负载参数 R、 L 的有效模拟。电网电压和被试电源的输出 电压 Ud在一定范围内保持恒定，被试电源的输出电流值与系统模拟的功率大小值成正比关系，同时也正比于电子负载交流侧的电流值。按照式 (2-3)的计算值对电流设定值进行控制，使得直流电源输出电流值保持适当大小，便可以成功模拟 RL 性质的电子负载。同理，纯电阻负载模拟过程中，根据式 (2-4)计算出 i 值，以此设
22、定电流值即可。 2.2 系统方案 设计 要使新型电子负载能够很好的模拟各种负载特性以及实现将能量最大限度的回馈向电网，作为整个电子负载系统的核心，电子负载的监控系统的设计显得尤为重要。如何监测整个电子负载系 统各个功能模块的运行性能，如何及时有效的发出故障报警，如何快速传送和处理整个负载模块的数据以及信 息，直接影响整个电子负载系统的性能。目前针对大功率电子负载的 系统的设计有以下几种方案 8： 方案一：此方案的整个系统电路包括模拟信号采样和调理电路、信号处理电路、驱动信号产生电路、故障保护电路、通讯接口电路等。这些电路将采集到的主电路信号通过运算处理，得到功率管驱动信号，以此控制主电路，最终
23、完成电子负载功能的目的。如图 2-4 所示。 通讯接口电路数字芯片驱动信号产生电路故障保护电路主电路模拟信号采样与调理电路驱动信号电压电流调理后的模拟信号故障信号故障信号调理后的模拟信号被测电源图 2-4 方案一 电路 整个系统采用数字处理芯片来完成系统中各变量的采集处 理及故障保护等任务。模拟信号采样与信号调理电路采集主电路中的直流侧电压、交流侧电压、交流侧电流等信号，并将其转换到 0 3.3V 之间。当电路正常工作时，数字芯片将调理后的电压、电流信号武汉理工大学毕业设计（论文） 7 进行运算处理，处理得到的结果送入驱动信号产生电路，最终产生驱动信号；如果电压、电流信号超出特定范围，经故障保
24、护电路判断之后，将故障信号分别送入驱动信号产生电路及数字芯片单元，数字芯片收到故障信号之后触发相应动作，驱动信号产生电路将全部驱动信号进行屏蔽，起到保护电路的作用。 方案二：此方案采用 ATmega16 单片机作为核心 处理器 ，可以实现电子负载的智能控制 。通过键盘 ，按键可以选择工作方式，设定工作电流、电阻 、 功率值，并在 LED 上显示设定值与实际值。键盘、 LED 显示、 串口通讯实现 了人机交互。 电子负载主电路采用 MOS 管电路。单片机控制产生一定占空比的 PWM 信号， 用 PWM 波形的占空比来调节 MOS 电路的工作时间，进而实现调节负载工作时的电流， 通过控制功率电路
25、MOS 管的关断和导通时间，来获得相应的的工作电压和工作电流，使负载工作于恒流、恒阻、恒功率等不同的工作方式。为了让负载在不同方式下准确工作，设计中对被测电源电压和流过 MOS 管的电流进行实时采样，采样采用 ATMEGA16 自带的 A/D 转换器进行数字采集，采样精度高。 检测电路为电流、电压负反馈回路，单片机将 A/D 采集的信号与预置值进行比较，以此进一步调节 PWM 占空比。如图 2-5 所示。 被测电源MOS管主电路按键输入ATMEGA16L E D 显示上位机4 8 5 通讯S P 1 通讯P W M 控制信号电流采样电压采样图 2-5 方案二 电路 方案三：此方案的控制系统结构如图 2-6 所示。系统主回路以全控型晶体管 IGBT为开关器件，控制回路以单片机 C8051F02 为核心，它具有较快的运算能力和较为丰富的输入输出设备以及接口电路。 JTAG 接口对 C8051F02 单片机进行调试，这是一种全速、非侵 入式、在系统调试。故障检测模块主要用于监测电网电压过欠压情况，绝缘栅双极晶体管模块是否超过额定温度，绝缘栅双极晶体管模块是否超过额定电流。单片机判断主电路工作是否正常。键盘输入模块用于设定被试电源的输出电流。液晶显示模块用于显示系统的运行状况、实际输出的电流值以及用户设定值。 如图 2-6 所示。
