Analogen PI Regler begrenzen - schwingt

[Reinhard (gotbread)]

Hallo Leute!

Ich versuche jetzt seit einiger Zeit ein Labornetzteil zu regeln. Die 
Regelung ist komplett analog mit opamps aufgebaut. Ich habe eine 
Kaskadenregelung bestehend aus einem inneren Stromregelkreis und einem 
äußeren Spannungsregelkreis. Der Spannungsregler liefert den Sollwert 
für den Stromregler.

Nun hat jedes gute Netzteil natürlich eine variable Strombegrenzung. Ich 
realisiere diese dadurch, dass ich den Ausgang des Spannungsreglers 
begrenze. Der Stromregler setzt diesen begrenzten Wert um und nach dem 
einschwingen habe ich meinen Maximalstrom.

Der Spannungsregler ist jetzt ein Analoger PI-Regler (rechter opamp im 
Bild). Die Spannungsquelle V5 steht für den Ausgang, V6 gibt den 
Sollwert der Spannung vor. Im geregeltem Zustand gilt Ausgangsspannung = 
6 * (10 - Sollwert), der offset ist nötig da ich mit single supply 
arbeite. Jetzt möchte ich die Spannung so begrenzen dass diese 3V nicht 
unterschreitet

(5V ist mein DC-Arbeitspunkt, 7V entspricht dem Maximalstrom, 3V dem 
Minimalstrom, welcher negativ ist da das Netzteil auch als Last 
fungieren kann. Diese Verrenkung kommt auch wieder durch single supply).

Wichtig Diese 3V sind nicht konstant sondern ändern sich natürlich mit 
dem eingestelltem Maximalstrom. Für das Problem ist das aber egal.

Um den PI-Regler jetzt zu begrenzen habe ich den linken opamp als 
integrator verschaltet, sollte die Spannung am PI-Ausgang unter den 
einstellten Wert fallen wird der opamp aktiv und zieht über die Diode 
(sobald der Kondensator C2 leerintegriert ist natürlich) Strom aus dem 
Eingangsknoten des PI-Reglers raus, was dem weiterem absinken 
entgegenwirkt.

Diese Schaltung habe ich einmal für die Begrenzung bei 3V und einmal bei 
7V gebaut (Da die Diode natürlich andersrum). Für das Problem ist aber 
nur der 3V-Teil wichtig.

Zum Problem: Das Ding schwingt. Mit 2.8Mhz, was so ziemlich die 
Transitfrequenz des verwendeten Opamps ist (TL084CN). Allerdings 
schwingt es nicht immer. Zum testen betreibe ich NUR den 
Spannungsregler ohne weitere Stufen danach. Die Spannung die er 
eigentlich messen würde gebe ich vor. Wenn ich den Sollwert so einstelle 
dass der Istwert zu gering ist, passiert was man von einem PI-Regler 
erwartet, der Ausgang steigt langsam an und geht bei 7V in die 
Begrenzung. Verringere ich den Sollwert wieder, sinkt die 
Ausgangsspannung wieder ab, bis sie bei 3V stehen bleibt.

Verringere ich aber den Sollwert weiter (dank der invertierenden Logik 
heißt das, ich erhöhe V6) fängt das ganze irgentwann an um die 3V herum 
zu schwingen. Die Amplitude der Schwingung kann ich mit dem Sollwert 
steuern. Ist der Sollwert nur leicht niedriger schwingt garnichts, 
verringere ich ihn weiter wird die Amplitude immer größer. im worstcase 
(V6 = 10V) habe ich 2.5Vpp bei 2.8Mhz.

In der angehängten Simulation schwingt interessanterweise garnichts. Es 
gibt zwar einen kurzen Einschwingvorgang jedoch keine Dauerschwingung.

Die Versorgungsspannung ist auch im Schwingungsfall konstant, der Chip 
ist auch direkt an den Versorgungspins abgeblockt.

Hat jemand eine Idee warum das Ding schwingt (mir ist klar dass 2 
Integratoren hintereinander nie gut sind) und wie man das beheben kann?

MfG
gotbread

[Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator)]

Reinhard Seibt schrieb:
> In der angehängten Simulation schwingt interessanterweise garnichts.
Dann wäre mal ein Bild vom Aufbau und der realisierten Gesamtschaltung 
interessant. Denn offenbar hast du da noch ein mehr und evtl. auch ein 
paar parasitäre Bautelie in der realen Schaltung als in der 
Simulation...

[Peter D. (peda)]

Die klassische Schaltung benutzt 2 OpAmps, die getrennt regeln. Und von 
den beiden Ausgängen gehts über Dioden auf den Leistungstransistor 
(analoges AND).

Mehrere Regelkreise hintereinander ist schwer stabil zu kriegen.

[Reinhard (gotbread)]

Habe das Problem mittlerweile gefunden :)

Lothar Miller schrieb:
> Reinhard Seibt schrieb:
>> In der angehängten Simulation schwingt interessanterweise garnichts.
> Dann wäre mal ein Bild vom Aufbau und der realisierten Gesamtschaltung
> interessant. Denn offenbar hast du da noch ein mehr und evtl. auch ein
> paar parasitäre Bautelie in der realen Schaltung als in der
> Simulation...

Siehe Anhang, die kleine Schaltung unten rechts ist der Spannungsregler 
(PI + die beiden Begrenzer)

Peter Dannegger schrieb:
> Die klassische Schaltung benutzt 2 OpAmps, die getrennt regeln. Und von
> den beiden Ausgängen gehts über Dioden auf den Leistungstransistor
> (analoges AND).
>
> Mehrere Regelkreise hintereinander ist schwer stabil zu kriegen.

Hätte vielleicht dazu schreiben sollen dass es sich um ein 
Schaltnetzteil handelt (0-30V, -5A-5A, Stromquelle und Stromsenke in 
einem) Beim linearen Netzteil hast du natürlich recht.

mehrere Regelkreise kaskadiert ist doch relativ Standard und wird 
überall eingesetzt? Solange der innere schnell genug ist geht das super.

Ich habe mal die beiden opamps im Frequenzbereich kaskadiert simuliert, 
(bode.png) wie man sieht ist mein Phasenrand sehr gering. Dazu kommt 
noch dass ich die hochfrequenten Pole des Opamps beim ersten mal 
simulieren nicht beachtet hab. Die Lösung war einfach durch anpassen des 
Spannungsteilers den Gain zu halbieren (-6dB), was ca 50° Phasenrand 
gibt.

Damit wäre das Problem gelöst, danke an euch dass ihr mitgedacht habt :)

Viele Grüße
Reinhard

[Jan R. (Gast)]

Reinhard Seibt schrieb:

> Hat jemand eine Idee warum das Ding schwingt (mir ist klar dass 2
> Integratoren hintereinander nie gut sind)
Schonmal etwas vom Stabilitätskriterium von Nyquist gehört?
stelle dir die Klassische Rückkopplung im Audiobereich vor. Wenn dort 
meine Gesammte schleife sprich AMP, Mikro und Lautsprecher eine 
Gesammtverstärkung von mindestens 1 hat, und mein phasenwinkel ein 
vielfaches von 360* ist, schwingt mein System.
Genauso ist es auch bei Regelkreisen.
Wenn du dich jetzt fragst, warum hier gilt 180* verschiebung ganz 
einfach, der istwert wird vom sollwert abgezogen das ist eine Zusätliche 
invertierung, als haben wir wieder die 360* --> schwingung.
>und wie man das beheben kann?
Die Parameter so ändern, das das Nyquistkriterium nicht erfüllt ist, und 
somit keine Ungedämpfte schwingung kommen kann..