專利名稱：模擬運(yùn)算控制電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及蓄電池模擬電源，具體的說是一種模擬運(yùn)算控制電路，用于蓄電池模擬電源的恒內(nèi)阻、恒功率、恒壓、恒流輸出特性的控制。
背景技術(shù)：
作為機(jī)動(dòng)運(yùn)輸車輛，涉及駕駛者、乘員、道路車輛和行人的安全，內(nèi)燃汽車、新能源汽車(混合動(dòng)力和純電動(dòng))、電動(dòng)搬運(yùn)車輛等的運(yùn)行安全和可靠性極為重要，這需要對車載零部件，包括車載電機(jī)、電磁開關(guān)、驅(qū)動(dòng)電控、電池組、電池管理系統(tǒng)BMS等汽車電器，尤其是車載電機(jī)的電壓、電流、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、功率等電氣參數(shù)，進(jìn)行嚴(yán)格而全面的生產(chǎn)質(zhì)量監(jiān)測和控制。目前車用電器蓄電池模擬電源，主要是晶體管線性整流電源、SCR可控硅工頻相控整流電源、IGBT(絕緣柵雙極性晶體管)或MOSFET(場效應(yīng)管)高頻逆變開關(guān)整流電源，或借助于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)做自動(dòng)化測試。1)現(xiàn)有的蓄電池模擬電源，輸出特性多為成熟的恒壓、恒流方式。技術(shù)上未實(shí)現(xiàn)恒內(nèi)阻R(U = U0-IXR, R = Δυ/ΔΙ)、恒功率P(P = UXI)模式輸出，同時(shí)未與恒電壓U、恒電流I輸出模式的有機(jī)融合，不能全面滿足測試和試驗(yàn)的需要。2)采用計(jì)算機(jī)軟件程序方式，進(jìn)行信號設(shè)定、運(yùn)算與控制(U = U0-I XR,R = AU/ ΔΙ ;P = UXI)，實(shí)現(xiàn)恒內(nèi)阻、恒功率模式輸出，測試系統(tǒng)時(shí)滯性較大、抗干擾性差、運(yùn)算誤差比較大，往往不能適應(yīng)高速運(yùn)轉(zhuǎn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)測試需要。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于提供一種模擬運(yùn)算控制電路，用于蓄電池模擬電源的恒內(nèi)阻、恒功率、恒壓、恒流輸出特性的控制。本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下模擬運(yùn)算控制電路，用于蓄電池模擬電源輸出特性的控制，包括第1模擬乘法器 (Ni)、第2模擬乘法器(N6)、第1運(yùn)算放大器(N2)、第2運(yùn)算放大器(N3)、第3運(yùn)算放大器 (N4)、第4運(yùn)算放大器(N5)、第5運(yùn)算放大器(N7)和第6運(yùn)算放大器(N8)；第1模擬乘法器(Ni)的輸出端與第1運(yùn)算放大器(N2)負(fù)端連接，第1運(yùn)算放大器(N2)接成反相放大電路，第1運(yùn)算放大器(N2)的輸出端通過電阻與第2運(yùn)算放大器(N3)正端連接，第2運(yùn)算放大器(N3)接成同相放大電路，第3運(yùn)算放大器(N4)與第2模擬乘法器(N5)構(gòu)成除法運(yùn)算電路，第3運(yùn)算放大器(N4)的輸出端通過電阻連接到第4運(yùn)算放大器(N6)負(fù)端，第4運(yùn)算放大器(N6)接成反相放大電路，第4運(yùn)算放大器(N6)輸出端經(jīng)過二極管(Dl)負(fù)極到正極， 再經(jīng)過開關(guān)或繼電器無源觸點(diǎn)(Kl)、電阻連接到第2運(yùn)算放大器(N3)的輸出端；第2運(yùn)算放大器(N3)的輸出端通過電阻與第3運(yùn)算放大器(N4)正端連接，第2運(yùn)算放大器(N3)接成反相放大電路，第6運(yùn)算放大器(N8)輸出端經(jīng)過二極管(D2)負(fù)極到正極，再依次經(jīng)過開關(guān)或繼電器無源觸點(diǎn)(K2)和電阻連接到第3運(yùn)算放大器(N4)的輸出端。
本發(fā)明采用全硬件化模擬電路，對輸出電壓、電流、內(nèi)阻、功率設(shè)定信號和/或反饋信號進(jìn)行“加、減、乘、除、反向、比例”合成運(yùn)算，用于蓄電池模擬電源的恒內(nèi)阻、恒功率、 恒壓、恒流輸出特性的控制，將電壓/電流/功率/內(nèi)阻信號給定、運(yùn)算與控制完全硬件化， 同時(shí)將恒內(nèi)阻、恒功率、恒壓、恒流輸出控制一體化。本發(fā)明信號設(shè)定方便，電路響應(yīng)快、抗干擾性強(qiáng)、運(yùn)算精度高。下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

圖1是本發(fā)明模擬運(yùn)算控制電路實(shí)施例的電路原理圖。圖2是本發(fā)明模擬運(yùn)算控制電路實(shí)施例的蓄電池模擬電源原理圖。圖3是本發(fā)明模擬運(yùn)算控制電路實(shí)施例的模擬電源輸出特性圖。圖2是0-120V/1000A汽車電機(jī)測試用蓄電池模擬電源的方框原理圖，主要用于汽車起動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電控、電磁開關(guān)、電池管理系統(tǒng)BMS等汽車電器零部件測試。在圖2中，U/I/R/P模擬運(yùn)算控制電路輸出的控制信號Vk，連接到AC-DC整流電源，AC-DC整流電源的直流輸出電壓、電流信號再反饋到模擬運(yùn)算控制電路。其中信號設(shè)定可通過電位器手動(dòng)、可編程控制器PLC、或上位計(jì)算機(jī)通信方式實(shí)現(xiàn)。AC-DC整流電源可為晶體管線性整流電源、SCR可控硅工頻相控整流電源、IGBT(絕緣柵雙極性晶體管)或 MOSFET (場效應(yīng)管)高頻逆變開關(guān)整流電源。模擬運(yùn)算控制電路的輸入信號為Rg (內(nèi)阻設(shè)定值)、Ug (輸出電壓初始設(shè)定值)、 Vf (輸出電壓反饋信號)、Pg (輸出功率設(shè)定信號)、Ig (輸出電流設(shè)定值)、If (輸出電流反饋信號)。輸出信號為Vk (整流器控制信號)。模擬運(yùn)算控制電路的設(shè)定信號為輸出電壓設(shè)定信號Ug(0_5V對應(yīng)輸出電壓 0-120V)、輸出電流設(shè)定信號Ig(0-5V對應(yīng)輸出電流0-1000A)、輸出電流反饋信號If(0_5V 對應(yīng)輸出電流0-1000A)、模擬內(nèi)阻設(shè)定信號Rg (0-5V對應(yīng)輸出內(nèi)阻0-150毫歐、恒壓輸出時(shí)內(nèi)阻為零毫歐)、輸出功率設(shè)定信號Pg(0_5V對應(yīng)輸出功率0-50KW)。信號設(shè)定可通過電位器手動(dòng)、可編程控制器PLC、或上位計(jì)算機(jī)通信方式。如圖1所示，模擬運(yùn)算控制電路的工作機(jī)理如下模擬運(yùn)算控制電路主要由模擬乘法器Ni、N6、集成運(yùn)算放大器N2、N3、N4、N5、N7、 N8等組成。用于對輸出電壓、電流、內(nèi)阻、功率設(shè)定信號和/或反饋信號進(jìn)行“加、減、乘、除、 反向、比例”合成運(yùn)算。需要做恒內(nèi)阻模式(包括恒壓模式、內(nèi)阻為零)輸出時(shí)，開關(guān)或繼電器無源觸點(diǎn)Kl、K2斷開，乘法器m將內(nèi)阻設(shè)定值Rg、整流器輸出電流反饋值If進(jìn)行乘法運(yùn)算為 RgX If，經(jīng)過運(yùn)算放大器N2反向比例運(yùn)算為-RgX If，再送到運(yùn)算放大器N3，與輸出電壓初始設(shè)定值Ug，做信號合成加減運(yùn)算，合成給定信號Z = Ug-IfXRg輸出，作為整流器輸出電壓給定信號Vg，送至由運(yùn)算放大器N4構(gòu)成的輸出電壓閉環(huán)負(fù)反饋控制電路。整流器輸出電壓給定信號Vg，送至電壓閉環(huán)控制的運(yùn)算放大器N4正端，模擬測試電源實(shí)際輸出電壓Vf經(jīng)阻容網(wǎng)絡(luò)分壓送至運(yùn)算放大器N4負(fù)端，通過運(yùn)算放大器N4的PID參數(shù)校正輸出，作為整流器控制信號Vk，送達(dá)整流電源控制電路，通過動(dòng)態(tài)控制晶體管導(dǎo)通放大倍數(shù)、可控硅導(dǎo)通角大小、或IGBT (絕緣柵雙極性晶體管)或MOSFET (場效應(yīng)管)的 PWM脈寬調(diào)制的工作占空比大小，從而按照恒內(nèi)阻約束關(guān)系(U = U0-IXR, R = Δυ/ΔΙ)， 在對應(yīng)實(shí)際輸出電流所需的輸出電壓，滿足恒內(nèi)阻模擬輸出特性的測試需要。需要做恒功率模式輸出時(shí)，開關(guān)或繼電器無源觸點(diǎn)Kl接通、Κ2斷開，由乘法器Ν6、 運(yùn)算放大器Ν5等組成的除法運(yùn)算信號，將輸出功率設(shè)定信號Pg和輸出電流反饋信號If 運(yùn)算為對應(yīng)恒功率輸出所需的控制信號Y = -10XPg/If，再送到運(yùn)算放大器N7，做反向比例運(yùn)算為W = Pg/If，經(jīng)二極管D1、受控?zé)o源觸點(diǎn)K1，再次與運(yùn)算放大器N3輸出信號Z = Ug-IfXRg合成為整流器輸出電壓給定信號Vg。當(dāng)輸出功率(P = UXI)遠(yuǎn)小于設(shè)定值時(shí)，信號值W = Pg/If較大，輸出電壓控制信號Vg受控于恒內(nèi)阻(恒壓)運(yùn)算關(guān)系(U = U0-IXR^R= Δυ/ΔΙ)的輸出信號Z = Ug-IfXRg,模擬電源先運(yùn)行于恒內(nèi)阻(恒壓)模式；當(dāng)輸出功率(P = UX I)達(dá)到設(shè)定值時(shí)，輸出電壓控制信號Vg大小將按照W = Pg/If約束關(guān)系，隨著輸出電流增大，對應(yīng)降低控制信號Vg，送至輸出電壓閉環(huán)控制電路，蓄電池模擬電源運(yùn)行于恒功率模式，直至輸出電流達(dá)到最大限定值。需要做恒流模式輸出時(shí)，開關(guān)或繼電器無源觸點(diǎn)Kl斷開、K2接通，由運(yùn)算放大器 N8構(gòu)成輸出電流閉環(huán)負(fù)反饋控制電路0-5V輸出電流設(shè)定信號Ig，送至運(yùn)算放大器N8正端，模擬測試電源實(shí)際輸出電流If，經(jīng)信號采樣處理后，送至運(yùn)算放大器N8負(fù)端，通過運(yùn)算放大器N8的PID參數(shù)校正輸出，經(jīng)二極管D2、開關(guān)或繼電器無源觸點(diǎn)K2，連結(jié)至輸出電壓閉環(huán)控制運(yùn)算放大器N4的輸出，合成為整流器控制信號信號Vk，再送達(dá)整流電源控制電路。當(dāng)輸出電流遠(yuǎn)小于設(shè)定值時(shí)，輸出電流閉環(huán)運(yùn)算放大器N8輸出較大，整流器控制信號Vk受控于電壓閉環(huán)運(yùn)算放大器N4的輸出，蓄電池模擬電源輸出為恒內(nèi)阻(恒壓)模式。當(dāng)輸出電流達(dá)到設(shè)定值時(shí)，輸出電流閉環(huán)運(yùn)算放大器N8輸出較小，整流器控制信號Vk受控于電流閉環(huán)運(yùn)算放大器N8的輸出，通過動(dòng)態(tài)控制晶體管導(dǎo)通放大倍數(shù)、或可控硅導(dǎo)通角大小，或IGBT (絕緣柵雙極性晶體管)或MOSFET (場效應(yīng)管)的PWM脈寬調(diào)制的工作占空比大小，實(shí)現(xiàn)輸出電流恒定，滿足恒電流輸出模擬特性的測試需要。本實(shí)施例0-120V/1000A汽車電機(jī)測試用蓄電池模擬電源的4種輸出模式如下1)恒流輸出模式，即蓄電池模擬電源的輸出電流不隨輸出電壓大小而變化，直至輸出電壓達(dá)到上限保護(hù)值，輸出電流才下降，以保護(hù)蓄電池模擬電源和連接負(fù)載。2)恒壓輸出模式，即內(nèi)阻R為零的恒內(nèi)阻模式，蓄電池模擬電源的輸出電壓不隨輸出電流大小而變化，直至輸出電流達(dá)到上限保護(hù)值，輸出電壓才下降，以保護(hù)蓄電池模擬電源和連接負(fù)載。3)恒內(nèi)阻輸出模式，U = U0-IXR^R= Δ U/Δ I，即根據(jù)輸出電流大小，蓄電池模擬電源不斷實(shí)時(shí)調(diào)整輸出電壓大小，從而實(shí)現(xiàn)恒內(nèi)阻輸出，直至輸出電流達(dá)到上限保護(hù)值。4)恒功率輸出模式，P = UX I，即蓄電池模擬電源先運(yùn)行于恒壓或恒內(nèi)阻模式，隨著輸出電流的增大，輸出功率不斷增加，當(dāng)達(dá)到設(shè)定功率時(shí)，依據(jù)公式P = UXI約束關(guān)系， 根據(jù)輸出電流大小，不斷實(shí)時(shí)調(diào)整輸出電壓大小，從而實(shí)現(xiàn)恒功率輸出，直至輸出電流達(dá)到上限保護(hù)值。
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圖3為上述蓄電池模擬電源4種輸出模式的輸出特性圖，其中直線U3-A-B為恒壓模式，直線I2-D-C-B為恒流模式，直線U3-D為恒內(nèi)阻模式，曲線A-C為恒功率模式。
權(quán)利要求
1. 一種模擬運(yùn)算控制電路，用于蓄電池模擬電源輸出特性的控制，其特征在于，包括第 1模擬乘法器(Ni)、第2模擬乘法器(N6)、第1運(yùn)算放大器(N2)、第2運(yùn)算放大器(N3)、第3 運(yùn)算放大器(N4)、第4運(yùn)算放大器(N5)、第5運(yùn)算放大器(N7)和第6運(yùn)算放大器(N8)；第 1模擬乘法器(Ni)的輸出端與第1運(yùn)算放大器(N2)負(fù)端連接，第1運(yùn)算放大器(N2)接成反相放大電路，第1運(yùn)算放大器(N2)的輸出端通過電阻與第2運(yùn)算放大器(N3)正端連接， 第2運(yùn)算放大器(N3)接成同相放大電路，第3運(yùn)算放大器(N4)與第2模擬乘法器(N5)構(gòu)成除法運(yùn)算電路，第3運(yùn)算放大器(N4)的輸出端通過電阻連接到第4運(yùn)算放大器(N6)負(fù)端，第4運(yùn)算放大器(N6)接成反相放大電路，第4運(yùn)算放大器(N6)輸出端經(jīng)過二極管(Dl) 負(fù)極到正極，再經(jīng)過開關(guān)或繼電器無源觸點(diǎn)(Kl)、電阻連接到第2運(yùn)算放大器(N3)的輸出端；第2運(yùn)算放大器(N3)的輸出端通過電阻與第3運(yùn)算放大器(N4)正端連接，第2運(yùn)算放大器(N3)接成反相放大電路，第6運(yùn)算放大器(N8)輸出端經(jīng)過二極管(D2)負(fù)極到正極， 再依次經(jīng)過開關(guān)或繼電器無源觸點(diǎn)(K2)和電阻連接到第3運(yùn)算放大器(N4)的輸出端。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種模擬運(yùn)算控制電路，包括第1和第2模擬乘法器、第1、第2、第3、第4、第5和第6運(yùn)算放大器。其中第1和第2模擬乘法器、第1、第2、第4和第5運(yùn)算放大器組成信號合成運(yùn)算電路，用于對輸出電壓、電流、內(nèi)阻、功率設(shè)定信號和/或反饋信號進(jìn)行“加、減、乘、除、反向、比例”合成運(yùn)算。第3運(yùn)算放大器構(gòu)成輸出電壓閉環(huán)負(fù)反饋控制電路，第6運(yùn)算放大器構(gòu)成輸出電流閉環(huán)負(fù)反饋控制電路。本發(fā)明采用全硬件化模擬電路，用于蓄電池模擬電源的恒內(nèi)阻、恒功率、恒壓、恒流特性輸出的控制，信號設(shè)定方便，電路響應(yīng)快、抗干擾性強(qiáng)、運(yùn)算精度高。
文檔編號G05F1/565GK102520751SQ201110387669
公開日2012年6月27日 申請日期2011年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月29日
發(fā)明者傅志元, 周軍, 王傳新, 王昌峰, 蒲道杰, 郝隆 申請人:合肥東耀電子有限公司