基本信息
- 項目名稱：
- 新型直流電子負載的研制
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 新型直流電子負載由硬件系統(tǒng)(包括AVR控制器、驅(qū)動器、信號檢測器等)、智能軟件系統(tǒng)(包括控制算法、數(shù)據(jù)檢查、控制輸出、故障自診斷等)和上位監(jiān)控系統(tǒng)(采用VB設(shè)計的數(shù)據(jù)采集、曲線顯示等)等組成，采用了“AVR微機處理器+智能軟件+上位監(jiān)控+總線通訊”的技術(shù)方案；提出了“控制、檢測、監(jiān)控、通訊”等功能于一體的研究方法；涵蓋了微機控制、智能控制、自動檢測、上位監(jiān)控、總線通訊、故障診斷等多種先進技術(shù)，重點研究直流電子負載的微機化、智能化、通訊化和多功能化等技術(shù)問題；實現(xiàn)了定電流、定電壓、定電阻、定功率和動態(tài)負載等功能。 作品與傳統(tǒng)的電阻性負載比：具有技術(shù)先進，功能創(chuàng)新，性能可靠，節(jié)省能源，工作效率高等優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用在電源、通訊、汽車、電機等國民生產(chǎn)領(lǐng)域的系統(tǒng)測試，是具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高端產(chǎn)品。 作品獲得了區(qū)和學(xué)校聯(lián)合舉辦的“科園杯”一等獎；獲得國家知識版權(quán)局“新型直流電子負載控制軟件”著作權(quán)，獲得了第五屆“挑戰(zhàn)杯”首都大學(xué)生課外科技學(xué)術(shù)作品競賽一等獎，并入圍了特等獎的現(xiàn)場答辯環(huán)節(jié)；獲得推廣應(yīng)用經(jīng)費10萬元和與上海電阻器廠簽訂長期供銷合作協(xié)議。 作品進一步研究與開發(fā)的內(nèi)容有： 1. 大功率新型直流電子負載的研制； 2. 能量回饋型直流電子負載的研制； 3. 新型交流電子負載的研制； 4. 能量回饋型交流電子負載的研制； 5. 現(xiàn)場總線PROFIBUS通訊研究等。 本作品無論在理論上、技術(shù)上、推廣應(yīng)用上，還是在節(jié)能環(huán)保與創(chuàng)造民族品牌產(chǎn)品等方面都具有巨大的研究與應(yīng)用價值。
- 詳細介紹：
- 一、作品的設(shè)計與研制 新型直流電子負載由硬件系統(tǒng)、智能軟件系統(tǒng)和上位監(jiān)控系統(tǒng)等組成，采用了自主創(chuàng)新的研制戰(zhàn)略；提出了“控制、檢測、監(jiān)控、通訊”等功能于一體的研究方法；涵蓋了微機控制、智能控制、自動檢測、上位監(jiān)控、總線通訊、故障診斷等多種先進技術(shù)，重點研究直流電子負載的微機化、智能化、通訊化和多功能化等技術(shù)問題；實現(xiàn)了定電流、定電壓、定電阻、定功率和動態(tài)負載等多種功能。 1. 硬件系統(tǒng)設(shè)計 硬件系統(tǒng)采用“AVR單片微機處理器+電力電子功率器件+參數(shù)檢測+保護與通訊”的技術(shù)方案，設(shè)計出了控制電路(包括AVR單片機及外圍芯片的原理圖、PI控制算法電路、PCB制板圖等)；鍵盤與顯示電路(包括鍵盤電路、顯示電路的原理圖和制板圖等)；驅(qū)動電路(包括運放電路、驅(qū)動電路的原理圖和PCB制板圖等)；電源電路(包括±12VDC、5VDC的整流、濾波等電路的原理圖和制板圖等)；保護與通訊電路(包括過電流保護、過電壓保護、過溫度保護、通訊電路等)。 2. 智能軟件系統(tǒng)設(shè)計 智能軟件系統(tǒng)采用“模糊比較推理算法+模塊化程序結(jié)構(gòu)”的技術(shù)方案，在ICCAVR7.13軟件開發(fā)平臺上，采用C語言設(shè)計出了“模糊控制算法程序(包括推理規(guī)則，建立數(shù)組在線計算，實時調(diào)節(jié)PWM占空比)，A/D采樣程序，鍵盤操作程序，LED顯示程序，通訊程序，各種保護程序”等，并把系統(tǒng)設(shè)計和自動調(diào)節(jié)分為兩個獨立的子程序分別完成。 3. 上位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計 采用C語言設(shè)計出了通訊程序，包括通訊協(xié)議，接收與發(fā)送數(shù)據(jù)等；采用VB語言設(shè)計出了實時監(jiān)控界面，完成參數(shù)設(shè)定，數(shù)據(jù)顯示，動態(tài)與靜態(tài)性能特性測試，數(shù)據(jù)實時記錄等。 4. 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果 通過系統(tǒng)硬件、軟件、功能與保護等方面的反復(fù)調(diào)試，實現(xiàn)了負載輸入功率為150W和300W，負載輸入電壓0～360V，負載輸入電流0～30A的定電流、定電阻、定功率、定電壓和動態(tài)調(diào)節(jié)等多種工作模式，并可平滑切換與連續(xù)調(diào)節(jié)；獲得了較好的監(jiān)控效果與保護功能；電流和電壓控制精度在0.2%以下。 二、作品的關(guān)鍵技術(shù)與解決問題 1. 針對傳統(tǒng)電阻性負載耗能大、體積大、功能差等問題，采用微機處理器、智能控制、 現(xiàn)場總線等關(guān)鍵技術(shù)，進行新型直流電子負載的研制，重點解決電子負載的微機化、智能化和通訊化等技術(shù)問題，實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保效果。 2. 采用微機處理器、電力電子、自動控制、信號檢測、人機交互、信息處理、總線通 訊”等多種關(guān)鍵技術(shù)，研制出具有自主品牌的直流電子負載高端產(chǎn)品，實現(xiàn)定電流、定電阻、定功率、定電壓、動態(tài)負載、上位監(jiān)控等功能，重點解決直流電子負載的多功能化得問題。 3. 系統(tǒng)硬件和軟件采用模塊化設(shè)計技術(shù)，易于擴展與創(chuàng)新，重點解決設(shè)計科學(xué)、結(jié)構(gòu)新穎等問題。 4. 采用故障自診斷技術(shù)和多重保護技術(shù)，實現(xiàn)過電壓、過電流、過功率、過熱、極性反接保護；電壓、電流、功率、風扇轉(zhuǎn)速依據(jù)負載功率自動調(diào)整等智能自動診斷功能。重點解決電子負載的性能可靠，節(jié)省能源，工作效率高等問題。 三、創(chuàng)新點 1. 控制器采用高性能AVR單片微機處理器，速度快，接口資源豐富，低功耗，易于實現(xiàn)先進的控制策略與智能控制算法。 2. 控制算法采用硬件和軟件結(jié)合的新方法，硬件電路設(shè)計了PI調(diào)節(jié)器，軟件設(shè)計了模 糊推理規(guī)則算法，提高了運行速度與控制精度。 3. 硬件驅(qū)動電路和軟件設(shè)計確保功率驅(qū)動管工作在放大區(qū)，提高了調(diào)節(jié)穩(wěn)定性與性能。 4. 采用VB 設(shè)計了上位監(jiān)控系統(tǒng)，增加了動態(tài)性能測試功能，對分析被試電源的質(zhì)量 提供了新的分析手段。 四、技術(shù)特點 1. 具有定電流(CC)、定電阻(CR)、定功率(CP)、定電壓(CR)、動態(tài)負載、短路等多種工作模式。 2. 具有按鍵快速輸入、自動旋鈕輸入、ＰＣ編程計算機等多種輸入方法，人-機信息交互界面友好。 3. 帶有RS485和MODBUS計算機通訊接口，實現(xiàn)上、下位機本地/遠程控制功能。 4. 給定、反饋等參數(shù)實時顯示，易于現(xiàn)場測試、分析、研究。 5. 具有過電壓、過電流、過功率、過熱、極性反接保護；電壓、電流、功率等上下限低限/超限智能判別識別功能。 6. 風扇轉(zhuǎn)速依據(jù)負載功率自動調(diào)整，降低噪聲和功率損耗。 五、取得的成果 1. 作品獲得了區(qū)和學(xué)校聯(lián)合舉辦的“科園杯”一等獎； 2. 獲得國家知識版權(quán)局“新型直流電子負載控制軟件”著作權(quán)； 3. 獲得第五屆“挑戰(zhàn)杯”省級大學(xué)生課外科技作品競賽一等獎，并入圍了特等獎的現(xiàn)場答辯環(huán)節(jié)； 4. 獲得推廣應(yīng)用經(jīng)費10萬元，款已到賬；并與上海一家電阻器廠簽訂長期供銷合作協(xié)議。 六、適應(yīng)范圍及推廣前景 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和節(jié)能環(huán)保的需要，傳統(tǒng)的電阻性載必然被淘汰，新型智能電子負載必將是主流產(chǎn)品，替代笨重且耗能的電阻負載，實現(xiàn)對電源穩(wěn)定性、負載穩(wěn)定性、輸出電壓調(diào)整和瞬態(tài)特性等參數(shù)的測試，適用于通訊、汽車、開關(guān)電源、蓄電池、電機、功率器件等國民生產(chǎn)領(lǐng)域的生產(chǎn)線快速測試，老化測試等，應(yīng)用前景十分廣闊。本作品無論在理論上、技術(shù)上、推廣應(yīng)用上，還是在節(jié)能環(huán)保與創(chuàng)造民族品牌產(chǎn)品等方面都具有巨大的研究與應(yīng)用價值。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標
- 1. 設(shè)計目的 研制出微機化、智能化、通訊化和多功能化的新型直流電子負載，解決傳統(tǒng)的電阻性負載耗能大、體積大等問題。 2. 基本思想 采用了AVR微機處理器、電力電子、智能控制、自動檢測、上位監(jiān)控等多種先進技術(shù)；設(shè)計了監(jiān)控層、控制層與現(xiàn)場層結(jié)構(gòu)方案；給出了智能控制策略；進行了硬件、軟件、上位監(jiān)控、保護和通訊等研制。 3. 創(chuàng)新點 (1) 控制器采用高性能AVR單片微機處理器，速度快，資源豐富，低功耗。 (2) 控制算法采用硬件和軟件結(jié)合的新方法，硬件電路設(shè)計了PI調(diào)節(jié)器，軟件設(shè)計了模糊推理規(guī)則算法，提高了運行速度和精度。 (3) 硬件驅(qū)動電路和軟件設(shè)計確保功率驅(qū)動管工作在放大區(qū)，提高了調(diào)節(jié)穩(wěn)定性與性能。 (4) 采用VB 設(shè)計了上位監(jiān)控系統(tǒng)，增加了動態(tài)性能測試功能，對分析被試電源質(zhì)量提供了新的分析手段。 4. 技術(shù)關(guān)鍵與解決的問題 采用微機處理器、智能控制、電力電子、信號檢測、現(xiàn)場總線、人機交互等關(guān)鍵技術(shù)，重點解決電子負載的微機化、智能化、通訊化和多功能化等技術(shù)問題。 5. 技術(shù)指標 (1) 供電電源：220VAC，50Hz (2) 負載輸入：功率0～150W和0～300W；電壓0～360V，電流0～30A (3) 電壓精度：±(0.2%設(shè)定值+0.1%量程) (4) 電流精度：±(0.2%設(shè)定值+0.1%量程) (5) 功率精度：±(0.3%設(shè)定值+0.1%量程) (6) 通訊接口： RS485或MODBUS (7) 環(huán)境溫度：0～50℃
科學(xué)性、先進性
- 本作品與艾諾公司AN31直流電子負載性能比較 輸入電壓各為0～360VDC，1～250VDC；輸入電流均為0～30ADC；控制器實現(xiàn)各采用AVR單片機、51單片機或DSP處理器；智能化功能分別為模糊智能控制算法+智能故障診斷、智能故障診斷；定電壓本作品范圍(CV)為0.000～35.99V精度為±(0.2%設(shè)定值+ 0.1%量程)，艾諾范圍為1.000～35.99V精度為±(0.22%設(shè)定值+ 0.1%量程)；定電流本作品范圍為0.000～2.999A精度為±(0.2%設(shè)定值+ 0.1%量程)，艾諾范圍為0.000～2.999A精度為±(0.21%設(shè)定值+ 0.1%量程)；定功率本作品范圍：0～150W，0～300W，精度：0.3%；艾諾范圍：0～150W，0～300W，精度：±0.5%；延遲時間各為1ms～500ms、1ms～5000ms；人機交互方式分別為LED液晶在線顯示和上位監(jiān)控等多方式信息交互、LED液晶在線顯示；通訊方式分別為RS485或MODBUS、RS485。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 1. 2008年12月作品獲得了區(qū)與學(xué)校聯(lián)合舉辦的第七屆“科園杯”大學(xué)生課外科技競賽一等獎。 2. 2009年1月作品“新型直流電子負載控制軟件”獲得了中華人民共和國國家版權(quán)局頒發(fā)的“計算機軟件著作權(quán)”證書，登記號為 2009SR00909 3. 2009年6月作品獲得了第五屆“挑戰(zhàn)杯”首都大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽一等獎，并入圍參加了特等獎的現(xiàn)場答辯環(huán)節(jié)。
作品所處階段
- 作品調(diào)試、檢測等階段已經(jīng)結(jié)束，現(xiàn)處于小批量生產(chǎn)階段。
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 作品已形成了產(chǎn)品，可以以實物的方式進行展示。
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 一、技術(shù)特點優(yōu)勢 1. 微機化：采用高性能AVR微機處理器，高級C語言編程；指令運行速度快；接口資源豐富，節(jié)省外圍器件；低功耗和高可靠性等優(yōu)點，易于實現(xiàn)先進的控制策略與智能控制算法。 2．智能化：采用模糊比較推理規(guī)則智能控制算法，提高了運行速度與控制精度。 3．多功能化：具有定電流、定電阻、定電阻、定功率、動態(tài)負載、短路等多種工作模式功能。 4．可視化：具有按鍵快速輸入、自動旋鈕輸入、PC監(jiān)控輸入等多種方法，通過MODBUS通訊接口，實現(xiàn)上、下位機本地/遠程可視化功能。 5. 故障自診斷：具有過電壓、過電流、過功率、過熱、極性反接、低限/超限智能判別識別等保護功能；風扇轉(zhuǎn)速依據(jù)負載功率自動調(diào)節(jié)，降低了噪聲和功率損耗。 二、作品適應(yīng)范圍及推廣前景 作品廣泛應(yīng)用通訊、電源、電機、汽車、電器等國民生產(chǎn)領(lǐng)域，如通信直流電源、UPS電源、電力直流電源、電機出廠老化測試等。從節(jié)能環(huán)保角度出發(fā)，傳統(tǒng)的耗能電阻負載必然被淘汰，電子負載已成為主流產(chǎn)品，預(yù)計本作品每年有200萬元的銷售收入。
同類課題研究水平概述
- 負載測試在“通訊電源出廠試驗、各種整流柜出廠試驗、牽引動力試驗、大功率充電電源試驗、蓄電池放電試驗、電機出廠試驗、柴油機及汽油機出廠試驗、汽車動力性能試驗、電解電鍍電源出廠試驗”等場合廣泛應(yīng)用，如何科學(xué)而快速地檢測其性能和指標成了一大難題。傳統(tǒng)的試驗方法是采用電阻箱和水阻試驗臺等作為負載，這類電阻性負載的弊病是耗能大、體積大、有級調(diào)節(jié)、功能單一；不能通訊等。可見，傳統(tǒng)的電阻性負載已不能滿足現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)的需要，更不符合國家節(jié)能減排的政策。 隨著計算機與電力電子等技術(shù)的發(fā)展，90年代國外直流電子負載已實現(xiàn)了數(shù)字化、智能化和通訊化；國內(nèi)有的廠家也正在開發(fā)直流電子負載高端產(chǎn)品。隨著電力緊張、石油價格上漲，能源問題已成為大家越來越關(guān)心的問題，能源的緊缺使得各種各樣節(jié)能裝置的研制備受關(guān)注。因此電子負載的研究具有廣闊的市場和廣泛的應(yīng)用前景！ 國外的直流電子負載研究已趨于成熟階段，如日本生產(chǎn)的ELTO SL-300智能型直流電子負載，技術(shù)先進、功能創(chuàng)新，精度高(電壓精度0.15%，電流精度0.15%，功率精度0.5%)。但價格昂貴(是國產(chǎn)同類產(chǎn)品價格的2倍以上)，維護不太方便。 2000年后國內(nèi)的直流電子負載研究正在起步階段，如北京大華無線電廠研制直流電子負載采用的是電子器件構(gòu)成的，能實現(xiàn)定電流、定電阻、定功率等功能，但精度較低，速度慢，不能實現(xiàn)通訊、動態(tài)負載測試等功能，各種保護功能也不太完善。再如艾諾公司的直流電子負載AN31，采用的微機處理器和外圍芯片，實現(xiàn)了定電流、定電阻、定功率、定電壓、動態(tài)負載和通訊等功能，各種保護功能也比較完善。電壓精度0.22%，電流精度0.21%，功率精度0.5%，但智能性方面正進一步開發(fā)，在國內(nèi)可以說是開發(fā)比較好的。 為此，本作品重點研究產(chǎn)品的智能化(包括智能控制算法和智能控制策略)、微機化(微機處理器及外圍芯片)、通訊化(與上位機通訊、遠程控制、動態(tài)測試等)和多功能化(定電流、定電阻、定功率、定電壓、動態(tài)負載等)。作品對直流電子負載的科技進步，樹立自主品牌，提高電源測試水平，提高學(xué)生的創(chuàng)新等方面都有著重要的意義。
