基于Saber仿真軟件的直流電子負(fù)載設(shè)計(jì)

李 巖，邢紅宏，蘇學(xué)軍，汪興海

(1.海軍航空工程學(xué)院 控制工程系，山東 煙臺(tái) 264001；2.海軍航空工程學(xué)院 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)部，山東 煙臺(tái) 264001)

蓄電池放電試驗(yàn)、大功率充電電源試驗(yàn)、牽引動(dòng)力試驗(yàn)、汽車動(dòng)力性能試驗(yàn)等都需要進(jìn)行負(fù)載測(cè)試[1-2]。傳統(tǒng)的負(fù)載測(cè)試采用靜態(tài)負(fù)載(如電阻、電阻箱、滑線變阻器等)能耗放電的辦法，不但浪費(fèi)能源，而且由于電阻和電阻箱負(fù)載采用有級(jí)調(diào)節(jié)，負(fù)載形式單一、功率小[2]，越來越不能滿足復(fù)雜、動(dòng)態(tài)的電源測(cè)試需求。電子負(fù)載引入了電力電子技術(shù)和微機(jī)控制技術(shù)[3]，不但可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的靜態(tài)負(fù)載的基本功能，實(shí)現(xiàn)電源的可靠檢測(cè)，還可以在不改變硬件的情況下升級(jí)軟件，實(shí)現(xiàn)功能的擴(kuò)充。

實(shí)際電子設(shè)備類型不同、使用環(huán)境不同，對(duì)電子負(fù)載也有許多不同的要求。為縮短研制周期，節(jié)約開發(fā)費(fèi)用，在研制初期通過基于軟件仿真的方法，對(duì)電子負(fù)載電路進(jìn)行優(yōu)化，并通過仿真進(jìn)行整體性能模擬測(cè)試。

1 電子負(fù)載的設(shè)計(jì)要求與測(cè)試方法

根據(jù)某型直流電子負(fù)載使用環(huán)境要求，電路設(shè)計(jì)采用功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)搭建電子電路來模擬負(fù)載，配合單片機(jī)技術(shù)與變換器電路實(shí)現(xiàn)以下功能：(1)預(yù)定電壓、電流、電阻值，且應(yīng)有較好的調(diào)節(jié)精度；(2)多臺(tái)電子負(fù)載一起工作時(shí)，可只使用其中一臺(tái)顯示面板以降低成本；(3)多臺(tái)負(fù)載同時(shí)工作，可以采用同步功能同步所有的工作參數(shù)；(4)電子負(fù)載具有在線編程功能及數(shù)據(jù)保存功能；(5)大容量并機(jī)時(shí)也有良好的抗干擾能力及穩(wěn)定性。

Saber仿真軟件是一個(gè)功能非常強(qiáng)大的電路仿真軟件，尤其適用于開關(guān)電源的時(shí)域和頻域仿真，可用于電子、電力電子、機(jī)械、光電、光學(xué)、控制等不同類型系統(tǒng)構(gòu)成的混合系統(tǒng)仿真[4]。Saber作為混合仿真系統(tǒng)，可以兼容模擬、數(shù)字、控制量的混合仿真，便于在不同層面上分析和解決問題。由于直流電子負(fù)載設(shè)計(jì)為數(shù)字控制系統(tǒng)下的模擬量控制，利用Saber內(nèi)置的可編程電源，可以對(duì)PWM器件進(jìn)行廣泛的建模和實(shí)時(shí)仿真，能夠有效地加快仿真速度[5]。

2 系統(tǒng)方案論證與設(shè)計(jì)

直流電子負(fù)載由恒流、恒壓和恒阻3種電路組成，3種電路均采用運(yùn)算放大器結(jié)合反饋網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，其他功能可通過單片機(jī)實(shí)時(shí)控制實(shí)現(xiàn)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，此電路中的反饋網(wǎng)絡(luò)以場(chǎng)效應(yīng)管為核心，控制部分采用單片機(jī)，其基本系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 直流電子負(fù)載系統(tǒng)框圖

電子負(fù)載系統(tǒng)的控制程序包括以下2部分：

(1) 人-機(jī)聯(lián)系程序，包括信息輸入程序和顯示輸出程序等；

(2) 數(shù)據(jù)采集和處理程序，主要是D/A、A/D轉(zhuǎn)換程序和電壓、電流采樣程序。

2.1 硬件電路設(shè)計(jì)與元件選擇

本系統(tǒng)主要由主控模塊、電源模塊、恒流電路模塊、恒壓電路模塊、恒阻電路模塊和過載報(bào)警與保護(hù)模塊等6部分組成。恒流工作模式時(shí)，恒流模塊通過分流電阻采壓，經(jīng)過放大和比較后，反饋給主控模塊，調(diào)節(jié)分流電阻兩端電壓，實(shí)現(xiàn)恒流；恒壓工作模式原理與恒流模式基本相同，經(jīng)采壓后與設(shè)定電壓比較后，反饋給工作模塊實(shí)現(xiàn)恒壓。考慮到實(shí)際需要，通過把恒壓和恒流模塊整合在一起，簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)；而恒阻模塊通過單獨(dú)的電路實(shí)現(xiàn)恒阻。該方案電路集成度較高，功能實(shí)現(xiàn)完全依靠硬件電路，可靠性高。

考慮到電子負(fù)載系統(tǒng)的體積、造價(jià)以及快速性和穩(wěn)定性，選用了TI公司MSP430系列的430x1xx系列單片機(jī)。也可采用F系列，通過USB接口自主下載更新功能。利用單片機(jī)自帶的12位ADC模塊，采集負(fù)載電路的電壓信號(hào)，通過芯片內(nèi)部的計(jì)算，進(jìn)行電壓以及電流的顯示與其他功能的實(shí)現(xiàn)。

信號(hào)放大電路采用LM324四運(yùn)放集成電路。開關(guān)元件采用IRF540 型N溝道MOS管[6-8]。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)工作流程圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)工作流程圖

通過控制面板上的按鍵，可以對(duì)工作模式進(jìn)行手動(dòng)選擇。本系統(tǒng)共設(shè)計(jì)了3種工作模式，分別是恒壓模式、恒流模式和恒阻模式(見圖2)，選好工作模式后，要對(duì)閾值進(jìn)行預(yù)先設(shè)定?？刂泼姘迳嫌?個(gè)可以進(jìn)行參數(shù)預(yù)設(shè)的調(diào)節(jié)旋鈕，分別是恒壓預(yù)置、恒流預(yù)置、恒阻預(yù)置和過載預(yù)置。閾值設(shè)置結(jié)束后，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)事先選擇的工作模式進(jìn)入相應(yīng)的電路模塊以完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)測(cè)量，測(cè)量結(jié)果會(huì)顯示在LED模塊上。系統(tǒng)還會(huì)對(duì)各數(shù)據(jù)進(jìn)行過載檢測(cè)和過載報(bào)警，并通過保護(hù)模塊切斷電路。

3 基本電路仿真

為了提高仿真速度，在搭建仿真電路時(shí)，單片機(jī)控制部分將使用Saber電源庫中的PWM電源，電子負(fù)載的兩個(gè)單元也將進(jìn)行獨(dú)立仿真[9-10]。

3.1 電源模塊

為提高系統(tǒng)抗干擾能力，減少耦合電流的損耗，采用隔離強(qiáng)度高、隔離電容低的DC/DC變換器，以減小泄漏電流。電源模塊電路圖如圖3所示，電路中12 V電壓經(jīng)過DC/DC變換器，分別為穩(wěn)壓、穩(wěn)流和控制電路供電。

圖3 電源模塊電路設(shè)計(jì)圖

3.2 恒流恒壓模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

恒流恒壓仿真電路如圖4所示。光耦P521連接工作模塊和控制模塊，利用線性光耦合器可構(gòu)成光耦反饋電路，通過調(diào)節(jié)控制端電流來改變占空比，實(shí)現(xiàn)精密穩(wěn)壓，利用光耦隔離作用使各工作模塊工作時(shí)互不影響。使用二極管限制運(yùn)放管腳間電壓使其小于0.7 V，起到保護(hù)作用?？紤]到電路的復(fù)雜程度，仿真電路中使用線性可調(diào)電壓源U4A、U4B替代PWM控制模塊和測(cè)試電源信號(hào)，以加快仿真速度。

恒流工作模式時(shí)，恒流模塊通過采壓控制分流電阻兩端電壓實(shí)現(xiàn)恒流功能，經(jīng)過限壓后的電壓再經(jīng)過放大器放大，和預(yù)設(shè)電壓比較反饋給工作模塊，實(shí)現(xiàn)恒流。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，經(jīng)計(jì)算，分流電阻R兩端電壓U=IR，變化范圍為0.02～0.4 V。比較電路各參數(shù)選擇為Ucc=12 V，計(jì)算U4A可調(diào)范圍為0～10 V。U經(jīng)放大器后電壓變化范圍應(yīng)與比較電壓U4A相同，所以放大器倍數(shù)K選擇20倍，反饋電阻

R26=K×R25=11.2 kΩ

圖4 恒流恒壓模塊

在恒定電壓工作模式時(shí)，電子負(fù)載所流入的負(fù)載電流由所設(shè)定的負(fù)載電壓而定，此時(shí)負(fù)載電流將會(huì)增加，直到負(fù)載電壓等于設(shè)定值為止，即負(fù)載電壓保持設(shè)定值不變。

系統(tǒng)監(jiān)測(cè)電路采壓后，和設(shè)定電壓比較，然后反饋給恒壓控制電路，調(diào)節(jié)負(fù)載電壓，實(shí)現(xiàn)恒壓模式。恒壓工作模式時(shí)，監(jiān)測(cè)電路采樣電壓Uo經(jīng)R22降壓后送比較器，與U4B比較并將結(jié)果反饋給工作電路控制負(fù)載電壓。通過調(diào)節(jié)U4B可實(shí)現(xiàn)在1.0～20.0V內(nèi)對(duì)負(fù)載電壓的穩(wěn)壓。

經(jīng)計(jì)算，U4B上的電壓可調(diào)范圍為0～10V，而設(shè)計(jì)要求電壓設(shè)置及調(diào)節(jié)范圍是1.0～20.0V，所以必須對(duì)Uo降壓。選擇R22=R21=1kΩ，Uo經(jīng)R22分壓后變化范圍達(dá)到0.5～10V，滿足設(shè)計(jì)要求。

使用Saber的直流工作點(diǎn)分析仿真取得電壓輸入信號(hào)，MOS管最終在電子負(fù)載輸出測(cè)量端輸出。調(diào)用Sader的CosmosScope模塊取得輸出電壓電流波形如圖5(a)所示。測(cè)試電源信號(hào)，取得電子負(fù)載上輸出電壓電流波形如圖5(b)所示。

圖5 恒流恒壓模塊電壓電流波形

通過多次測(cè)量可以看到，通過更改不同的PWM頻率，在誤差允許的范圍內(nèi)，輸出電壓及電流能基本穩(wěn)定，符合設(shè)計(jì)要求。

3.3 恒阻電路模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在定電阻工作模式時(shí)，電子負(fù)載所流入的負(fù)載電流依據(jù)所設(shè)定負(fù)載電阻和輸入電壓的大小而定，此時(shí)負(fù)載電流與輸入電壓呈正比，比值即是所設(shè)定的負(fù)載電阻，即負(fù)載電阻保持設(shè)定值不變。恒阻電路獨(dú)立于恒流和恒壓電路，通過開關(guān)轉(zhuǎn)換。電路設(shè)計(jì)圖如圖6所示。

圖6 恒阻電路模塊

由于Saber中沒有電位器，只有可變電阻，仿真過程采用2個(gè)電阻R4A、R4B串聯(lián)進(jìn)行替代，總電阻100kΩ。恒阻電路實(shí)際上是通過改變運(yùn)放元件正向輸入端的電壓得到電阻恒定的效果，其原理與恒流電路基本相同。

圖7為恒阻模塊電壓電流波形，經(jīng)多次仿真，取得的結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。

圖7 恒阻模塊電壓和電流波形

3.4 過載報(bào)警與保護(hù)模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

為了保護(hù)電路能夠正常使用，設(shè)計(jì)了電子負(fù)載過載保護(hù)電路。通過電流和電壓AD采樣與設(shè)置閾值進(jìn)行比較，超過閾值時(shí)，單片機(jī)控制電源輸入單元斷開，系統(tǒng)停機(jī)。

4 各電路模塊高級(jí)仿真

基本電路仿真結(jié)果為理想狀態(tài)波形，而高級(jí)仿真已取得更符合實(shí)際的結(jié)果。

4.1 蒙特卡羅分析

蒙特卡羅分析(MonteCarloAnalysis)是在模型參數(shù)值浮動(dòng)范圍內(nèi)隨機(jī)取樣，檢驗(yàn)器件參數(shù)在一定范圍內(nèi)浮動(dòng)對(duì)輸出的影響。圖8為各電阻元件精度至0.5%的條件下，恒阻模塊電壓、電流100次采樣的蒙特卡羅分布。

圖8 采用高精度元件的蒙特卡羅分布圖

可以確認(rèn)電路波動(dòng)不來自于電阻浮動(dòng)變化。去除P521光耦電路模塊，再次進(jìn)行蒙特卡羅分析，取得電子負(fù)載輸出端結(jié)果如圖9所示。

圖9 蒙特卡羅分布圖(無光耦)

更換電路為恒壓恒流模塊，仿真結(jié)果與電阻模塊基本相同。

綜合以上結(jié)果可知，如電子負(fù)載不利用光耦電路實(shí)施隔離，則系統(tǒng)可靠性可以接近100%，但由于本次設(shè)計(jì)對(duì)象情況的復(fù)雜性，在實(shí)際使用中不可能達(dá)到這種效果。加上光耦隔離電路后，雖然系統(tǒng)可靠性有所下降，但依然在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)。如需繼續(xù)提高系統(tǒng)可靠性，可考慮通過提高光耦模塊電路的穩(wěn)定性實(shí)現(xiàn)。

4.2 電應(yīng)力分析

由于電子負(fù)載長(zhǎng)時(shí)間工作在高電壓、高電流狀態(tài)，為了確保電路的穩(wěn)定，進(jìn)行系統(tǒng)電應(yīng)力分析，需要檢驗(yàn)電路運(yùn)行時(shí)的工作參數(shù)是否超過元器件的承受能力。

對(duì)恒壓恒流電路和恒阻電路進(jìn)行電應(yīng)力分析，可得各元件負(fù)荷情況。根據(jù)電應(yīng)力分析，兩組電路采樣電阻均存在功率不足的問題，至少應(yīng)達(dá)到13.3W；IRF540負(fù)荷最高時(shí)刻達(dá)到96%，雖然在額定值以內(nèi)，為了提高電路的穩(wěn)定性，也應(yīng)更換為功率更高的MOS管。

5 結(jié)束語

電路系統(tǒng)可靠性是電路設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，也是測(cè)試耗時(shí)最長(zhǎng)的環(huán)節(jié)。通過Saber仿真，可以實(shí)現(xiàn)在電路設(shè)計(jì)階段與設(shè)計(jì)并行進(jìn)行各種參數(shù)分析，得到電路穩(wěn)定性、可靠性等關(guān)鍵參數(shù)的實(shí)時(shí)變化結(jié)果，減少了重復(fù)環(huán)節(jié)。基于Saber仿真方案設(shè)計(jì)的直流電子負(fù)載已經(jīng)成功應(yīng)用于某型航空蓄電池充放電系統(tǒng)和某型電源的定型試驗(yàn)中，縮短了研制周期，節(jié)約了開發(fā)費(fèi)用。該研究使分析過程直觀化、理論結(jié)果可視化，也為相關(guān)課程的仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了素材和借鑒。

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