Spannungsreglung digital mit PID & Co

[Jo D. (Firma: Jo) (discovery)]

hallo zusammen,

um eine einstellbare Spannungsreglung zu realisieren wird in der Regel 
auf eine analoge Implementierung des Regelkreises zurückgegriffen.

Je nach Last (lange Leitungen, kapazitiv, induktiv, gepulst) und Länge 
der Senseleitung kann es unter ungünstigen Bedingungen zu Schwingungen 
auf der Ausgangsspannung kommen (Power Supplys sind ja eine Wissenschaft 
für sich).

Da ein analoger Regler in seinem Regelverhalten recht "starr" auf 
bestimmte Parameter festgelegt ist, stellt sich mir die Frage, ob man so 
etwas nicht auch praktikabel in digitaler Form implementieren könnte 
(flexibler & mit intelligentem Regelverhalten).

Im Anhang habe ich notiert wie ich mir die Sache vorstellen würde (bitte 
nur als abstraktes Prinzipschaltbild verstehen!).

Mich würde sehr interessieren, was ihr von diesem Prinzip haltet. 
Vielleicht gibt es auch weiterführende Links zu dem Thema. Ich bin für 
Anregungen dankbar!

Viele Grüße!
Jo

[Uwe (Gast)]

Naja es gibt DSPs bzw. DSCs (Digitale Signal Controller) die speziell 
für Netzteil Anwendungen gedacht sind.
http://www.microchip.com/pagehandler/en-us/technology/intelligentpower/

[Topographisches Mysterium (Gast)]

geht sicher, aber ist vermutlich langsam. Gegen Schwingen hilft nur 
Langsamkeit. Analog wie Digital.

[Alex (Gast)]

Der µC (mit ADC-Wandlung) ist garantiert vieeel zu langsam.
Damit die Regelung nicht zum Schwingen anfängt müsste der Regler 
nochmals viel langsamer sein...
Bei einem plötzlichen Kurzschluss raucht dir der Sense-Widerstand ab!
Aßerdem hat der Mosfet eine stark nichlineare Ansteuerkennlinie, die 
auch noch stark Temperatur abhängig ist - da bräuchtest du ganz 
fundierte Kenntnisse in Regelungstechnik um das hinzukriegen.
Besser, weil schneller: Mit DAC Spannungs-/Stromwert vorgeben und mit 
OPAs den Mosfet ansteuern.
Eventuell mit den ADCs nachmessen und mit I-Regler den Vorgabewert 
korrigieren.

[Ulrich (Gast)]

Im Prinzip ist das schon möglich, nur muss der µC schon relativ schnell 
sein, um wenigstens mit einem normalen Netzteil vergleichbar zu werden.

Angeblich hat so etwas gewöhnliches wie ein LM317 etwa 5 MHz Bandbreite. 
Das heißt um damit vergleichbar zu werde, sollte der AD-wandler schon 
wenigstens 10 MHz Abtastrate haben. Dazu kommt das auch eine relativ 
gute Auflösung gefragt ist. Für 1 mV Stabilität bei 30 V Bereich braucht 
man dann schon etwa 15 Bit Auflösung für den AD Wandler, oder wenigstens 
ein paar Tricks um kleinere Störungen mit 10 MHz abtasten zu können und 
auf längere Zeit die 15 Bit (oder besser) Genauigkeit hin zu bekommen.
Dazu kommt dann auch noch, das der µC nur wenig Zeit (so im Bereich von 
0,2 µs, vielleicht 1 µs bei einem langsameren Netzteil) hat, um auf 
Änderungen zu Reagieren. Auch der µC muss dafür schon etwas schneller 
sein.

So schnelle Digitale Regler sind möglich, und werden auch für 
Anwendungen wie Atomkraftmikroskope benutzt.

Ob sich das für eine Netzteil wirklich lohnt ? Eine Möglichkeit gäbe es 
ggf. da eine Mischung zu machen: die schnelle Regelung analog, und den 
etwa langsameren Teil (so unter 10 kHz) dann digital unterstützen, um 
ggf. auf eine sehr große Lastkapazität reagieren zu können - alle 
anderen Fälle erledigt der analoge Teil schon relativ gut.

[Fralla (Gast)]

Digitale Regelungen sind heute ja ganz normal in Netzteilen, PFCs, 
Umrichtern, DC/DCs also Leistungselektronischem Zeug aller Art und es 
wird ständig mehr.
Man muss den Aufwand und den Nutzen abwiegen. Viele Dinge sind analog 
nicht Sinnvoll zu Regeln und umgekehrt.

Ein simpler OPV schlägt typische klein DSPs (mache sagen, mann muss DSC 
sagen;) wie den dsPIC, TI C2000, etc wenn es um die mögliche 
Regelgeschwindigkeit geht.
Totzeiten, ZOH-Glieder, Abtastthoerem, etc sind Dinge die man in der 
digitalen Welt berücksichtigen muss, sonst hat man schnell einen 
Leistungsoszillator.

Es auch heute noch Sinn, mache Dinge Analog zu Regeln. Auch an hybride 
Regelstrukturen denken.
Digitale Spannuns/Leistungsregler denen mehrer sehr schnelle analoge 
Stromregler unterlagert sind, sind eine typische Anordung.
Auch eine digitales (schnelles) Anpassen von Begrenzungen des 
Analgreglers ist sehr hilfreich um zb einen Windup zu verhindern.

Ein analoges Netzteil, welches einfach eine höhere Dynamik als jedes wie 
auch immer getaktete Netzteil hat, sollte man aber auf jeden Fall analog 
Regeln. Du kannst ja den Sollwert vorgeben. Mit DAC auf das Gate eines 
flotenden nFets ist jedenfalls Schrott.

Wenn du etwas digitales Regeln will zum üben, dann regel ein Buck. Wenn 
du mit fsw den Regler update machst und mit der Crossover nicht zu hoch 
willst kannst du die digitalen Nebeneffekte vernachlässigen und den PID 
des OP-Amps 1:1 in den DSP programmieren. 
Sampeln->Scalen->ReglerUpdate->(Werte Clampen)->PWM-Updaten->Sampeln....
Nimm einen dsPIC der hat schnelle PWM-Module und schnelle ADCs und ist 
vom Core her wie ein 28er PIC. Die paar DSP-Instructions die er mehr 
kann wirst du nicht brauchen.

MFG Fralla