基本信息
- 项目名称：
- 新型直流电子负载的研制
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 新型直流电子负载由硬件系统(包括AVR控制器、驱动器、信号检测器等)、智能软件系统(包括控制算法、数据检查、控制输出、故障自诊断等)和上位监控系统(采用VB设计的数据采集、曲线显示等)等组成，采用了“AVR微机处理器+智能软件+上位监控+总线通讯”的技术方案；提出了“控制、检测、监控、通讯”等功能于一体的研究方法；涵盖了微机控制、智能控制、自动检测、上位监控、总线通讯、故障诊断等多种先进技术，重点研究直流电子负载的微机化、智能化、通讯化和多功能化等技术问题；实现了定电流、定电压、定电阻、定功率和动态负载等功能。 作品与传统的电阻性负载比：具有技术先进，功能创新，性能可靠，节省能源，工作效率高等优点，可广泛应用在电源、通讯、汽车、电机等国民生产领域的系统测试，是具有自主知识产权的高端产品。 作品获得了区和学校联合举办的“科园杯”一等奖；获得国家知识版权局“新型直流电子负载控制软件”著作权，获得了第五届“挑战杯”首都大学生课外科技学术作品竞赛一等奖，并入围了特等奖的现场答辩环节；获得推广应用经费10万元和与上海电阻器厂签订长期供销合作协议。 作品进一步研究与开发的内容有： 1. 大功率新型直流电子负载的研制； 2. 能量回馈型直流电子负载的研制； 3. 新型交流电子负载的研制； 4. 能量回馈型交流电子负载的研制； 5. 现场总线PROFIBUS通讯研究等。 本作品无论在理论上、技术上、推广应用上，还是在节能环保与创造民族品牌产品等方面都具有巨大的研究与应用价值。
- 详细介绍：
- 一、作品的设计与研制 新型直流电子负载由硬件系统、智能软件系统和上位监控系统等组成，采用了自主创新的研制战略；提出了“控制、检测、监控、通讯”等功能于一体的研究方法；涵盖了微机控制、智能控制、自动检测、上位监控、总线通讯、故障诊断等多种先进技术，重点研究直流电子负载的微机化、智能化、通讯化和多功能化等技术问题；实现了定电流、定电压、定电阻、定功率和动态负载等多种功能。 1. 硬件系统设计 硬件系统采用“AVR单片微机处理器+电力电子功率器件+参数检测+保护与通讯”的技术方案，设计出了控制电路(包括AVR单片机及外围芯片的原理图、PI控制算法电路、PCB制板图等)；键盘与显示电路(包括键盘电路、显示电路的原理图和制板图等)；驱动电路(包括运放电路、驱动电路的原理图和PCB制板图等)；电源电路(包括±12VDC、5VDC的整流、滤波等电路的原理图和制板图等)；保护与通讯电路(包括过电流保护、过电压保护、过温度保护、通讯电路等)。 2. 智能软件系统设计 智能软件系统采用“模糊比较推理算法+模块化程序结构”的技术方案，在ICCAVR7.13软件开发平台上，采用C语言设计出了“模糊控制算法程序(包括推理规则，建立数组在线计算，实时调节PWM占空比)，A/D采样程序，键盘操作程序，LED显示程序，通讯程序，各种保护程序”等，并把系统设计和自动调节分为两个独立的子程序分别完成。 3. 上位监控系统设计 采用C语言设计出了通讯程序，包括通讯协议，接收与发送数据等；采用VB语言设计出了实时监控界面，完成参数设定，数据显示，动态与静态性能特性测试，数据实时记录等。 4. 系统调试结果 通过系统硬件、软件、功能与保护等方面的反复调试，实现了负载输入功率为150W和300W，负载输入电压0～360V，负载输入电流0～30A的定电流、定电阻、定功率、定电压和动态调节等多种工作模式，并可平滑切换与连续调节；获得了较好的监控效果与保护功能；电流和电压控制精度在0.2%以下。 二、作品的关键技术与解决问题 1. 针对传统电阻性负载耗能大、体积大、功能差等问题，采用微机处理器、智能控制、 现场总线等关键技术，进行新型直流电子负载的研制，重点解决电子负载的微机化、智能化和通讯化等技术问题，实现节能环保效果。 2. 采用微机处理器、电力电子、自动控制、信号检测、人机交互、信息处理、总线通 讯”等多种关键技术，研制出具有自主品牌的直流电子负载高端产品，实现定电流、定电阻、定功率、定电压、动态负载、上位监控等功能，重点解决直流电子负载的多功能化得问题。 3. 系统硬件和软件采用模块化设计技术，易于扩展与创新，重点解决设计科学、结构新颖等问题。 4. 采用故障自诊断技术和多重保护技术，实现过电压、过电流、过功率、过热、极性反接保护；电压、电流、功率、风扇转速依据负载功率自动调整等智能自动诊断功能。重点解决电子负载的性能可靠，节省能源，工作效率高等问题。 三、创新点 1. 控制器采用高性能AVR单片微机处理器，速度快，接口资源丰富，低功耗，易于实现先进的控制策略与智能控制算法。 2. 控制算法采用硬件和软件结合的新方法，硬件电路设计了PI调节器，软件设计了模 糊推理规则算法，提高了运行速度与控制精度。 3. 硬件驱动电路和软件设计确保功率驱动管工作在放大区，提高了调节稳定性与性能。 4. 采用VB 设计了上位监控系统，增加了动态性能测试功能，对分析被试电源的质量 提供了新的分析手段。 四、技术特点 1. 具有定电流(CC)、定电阻(CR)、定功率(CP)、定电压(CR)、动态负载、短路等多种工作模式。 2. 具有按键快速输入、自动旋钮输入、ＰＣ编程计算机等多种输入方法，人-机信息交互界面友好。 3. 带有RS485和MODBUS计算机通讯接口，实现上、下位机本地/远程控制功能。 4. 给定、反馈等参数实时显示，易于现场测试、分析、研究。 5. 具有过电压、过电流、过功率、过热、极性反接保护；电压、电流、功率等上下限低限/超限智能判别识别功能。 6. 风扇转速依据负载功率自动调整，降低噪声和功率损耗。 五、取得的成果 1. 作品获得了区和学校联合举办的“科园杯”一等奖； 2. 获得国家知识版权局“新型直流电子负载控制软件”著作权； 3. 获得第五届“挑战杯”省级大学生课外科技作品竞赛一等奖，并入围了特等奖的现场答辩环节； 4. 获得推广应用经费10万元，款已到账；并与上海一家电阻器厂签订长期供销合作协议。 六、适应范围及推广前景 随着科学技术的发展和节能环保的需要，传统的电阻性载必然被淘汰，新型智能电子负载必将是主流产品，替代笨重且耗能的电阻负载，实现对电源稳定性、负载稳定性、输出电压调整和瞬态特性等参数的测试，适用于通讯、汽车、开关电源、蓄电池、电机、功率器件等国民生产领域的生产线快速测试，老化测试等，应用前景十分广阔。本作品无论在理论上、技术上、推广应用上，还是在节能环保与创造民族品牌产品等方面都具有巨大的研究与应用价值。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 1. 设计目的 研制出微机化、智能化、通讯化和多功能化的新型直流电子负载，解决传统的电阻性负载耗能大、体积大等问题。 2. 基本思想 采用了AVR微机处理器、电力电子、智能控制、自动检测、上位监控等多种先进技术；设计了监控层、控制层与现场层结构方案；给出了智能控制策略；进行了硬件、软件、上位监控、保护和通讯等研制。 3. 创新点 (1) 控制器采用高性能AVR单片微机处理器，速度快，资源丰富，低功耗。 (2) 控制算法采用硬件和软件结合的新方法，硬件电路设计了PI调节器，软件设计了模糊推理规则算法，提高了运行速度和精度。 (3) 硬件驱动电路和软件设计确保功率驱动管工作在放大区，提高了调节稳定性与性能。 (4) 采用VB 设计了上位监控系统，增加了动态性能测试功能，对分析被试电源质量提供了新的分析手段。 4. 技术关键与解决的问题 采用微机处理器、智能控制、电力电子、信号检测、现场总线、人机交互等关键技术，重点解决电子负载的微机化、智能化、通讯化和多功能化等技术问题。 5. 技术指标 (1) 供电电源：220VAC，50Hz (2) 负载输入：功率0～150W和0～300W；电压0～360V，电流0～30A (3) 电压精度：±(0.2%设定值+0.1%量程) (4) 电流精度：±(0.2%设定值+0.1%量程) (5) 功率精度：±(0.3%设定值+0.1%量程) (6) 通讯接口： RS485或MODBUS (7) 环境温度：0～50℃
科学性、先进性
- 本作品与艾诺公司AN31直流电子负载性能比较 输入电压各为0～360VDC，1～250VDC；输入电流均为0～30ADC；控制器实现各采用AVR单片机、51单片机或DSP处理器；智能化功能分别为模糊智能控制算法+智能故障诊断、智能故障诊断；定电压本作品范围(CV)为0.000～35.99V精度为±(0.2%设定值+ 0.1%量程)，艾诺范围为1.000～35.99V精度为±(0.22%设定值+ 0.1%量程)；定电流本作品范围为0.000～2.999A精度为±(0.2%设定值+ 0.1%量程)，艾诺范围为0.000～2.999A精度为±(0.21%设定值+ 0.1%量程)；定功率本作品范围：0～150W，0～300W，精度：0.3%；艾诺范围：0～150W，0～300W，精度：±0.5%；延迟时间各为1ms～500ms、1ms～5000ms；人机交互方式分别为LED液晶在线显示和上位监控等多方式信息交互、LED液晶在线显示；通讯方式分别为RS485或MODBUS、RS485。
获奖情况及鉴定结果
- 1. 2008年12月作品获得了区与学校联合举办的第七届“科园杯”大学生课外科技竞赛一等奖。 2. 2009年1月作品“新型直流电子负载控制软件”获得了中华人民共和国国家版权局颁发的“计算机软件著作权”证书，登记号为 2009SR00909 3. 2009年6月作品获得了第五届“挑战杯”首都大学生课外学术科技作品竞赛一等奖，并入围参加了特等奖的现场答辩环节。
作品所处阶段
- 作品调试、检测等阶段已经结束，现处于小批量生产阶段。
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 作品已形成了产品，可以以实物的方式进行展示。
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 一、技术特点优势 1. 微机化：采用高性能AVR微机处理器，高级C语言编程；指令运行速度快；接口资源丰富，节省外围器件；低功耗和高可靠性等优点，易于实现先进的控制策略与智能控制算法。 2．智能化：采用模糊比较推理规则智能控制算法，提高了运行速度与控制精度。 3．多功能化：具有定电流、定电阻、定电阻、定功率、动态负载、短路等多种工作模式功能。 4．可视化：具有按键快速输入、自动旋钮输入、PC监控输入等多种方法，通过MODBUS通讯接口，实现上、下位机本地/远程可视化功能。 5. 故障自诊断：具有过电压、过电流、过功率、过热、极性反接、低限/超限智能判别识别等保护功能；风扇转速依据负载功率自动调节，降低了噪声和功率损耗。 二、作品适应范围及推广前景 作品广泛应用通讯、电源、电机、汽车、电器等国民生产领域，如通信直流电源、UPS电源、电力直流电源、电机出厂老化测试等。从节能环保角度出发，传统的耗能电阻负载必然被淘汰，电子负载已成为主流产品，预计本作品每年有200万元的销售收入。
同类课题研究水平概述
- 负载测试在“通讯电源出厂试验、各种整流柜出厂试验、牵引动力试验、大功率充电电源试验、蓄电池放电试验、电机出厂试验、柴油机及汽油机出厂试验、汽车动力性能试验、电解电镀电源出厂试验”等场合广泛应用，如何科学而快速地检测其性能和指标成了一大难题。传统的试验方法是采用电阻箱和水阻试验台等作为负载，这类电阻性负载的弊病是耗能大、体积大、有级调节、功能单一；不能通讯等。可见，传统的电阻性负载已不能满足现代工业企业的需要，更不符合国家节能减排的政策。 随着计算机与电力电子等技术的发展，90年代国外直流电子负载已实现了数字化、智能化和通讯化；国内有的厂家也正在开发直流电子负载高端产品。随着电力紧张、石油价格上涨，能源问题已成为大家越来越关心的问题，能源的紧缺使得各种各样节能装置的研制备受关注。因此电子负载的研究具有广阔的市场和广泛的应用前景！ 国外的直流电子负载研究已趋于成熟阶段，如日本生产的ELTO SL-300智能型直流电子负载，技术先进、功能创新，精度高(电压精度0.15%，电流精度0.15%，功率精度0.5%)。但价格昂贵(是国产同类产品价格的2倍以上)，维护不太方便。 2000年后国内的直流电子负载研究正在起步阶段，如北京大华无线电厂研制直流电子负载采用的是电子器件构成的，能实现定电流、定电阻、定功率等功能，但精度较低，速度慢，不能实现通讯、动态负载测试等功能，各种保护功能也不太完善。再如艾诺公司的直流电子负载AN31，采用的微机处理器和外围芯片，实现了定电流、定电阻、定功率、定电压、动态负载和通讯等功能，各种保护功能也比较完善。电压精度0.22%，电流精度0.21%，功率精度0.5%，但智能性方面正进一步开发，在国内可以说是开发比较好的。 为此，本作品重点研究产品的智能化(包括智能控制算法和智能控制策略)、微机化(微机处理器及外围芯片)、通讯化(与上位机通讯、远程控制、动态测试等)和多功能化(定电流、定电阻、定功率、定电压、动态负载等)。作品对直流电子负载的科技进步，树立自主品牌，提高电源测试水平，提高学生的创新等方面都有着重要的意义。
