Höhere Leistungsfähigkeit durch digitale Regler und nichtlineare Regelung Digitale Power – Teil 2

Dem Einstieg in die digitale Regelung (Teil 1) folgt nun ein praktisches Beispiel. An einem digital geregelten Abwärtswandler wird demonstriert, wie eine nichtlineare digitale Regelung das dynamische Verhalten eines Gleichspannungswandlers verbessert.

Höhere Leistungsfähigkeit durch digitale Regler und nichtlineare Regelung

Dem Einstieg in die digitale Regelung (Teil 1) folgt nun ein praktisches Beispiel. An einem digital geregelten Abwärtswandler wird demonstriert, wie eine nichtlineare digitale Regelung das dynamische Verhalten eines Gleichspannungswandlers verbessert.

Obwohl auch der lineare PID-Regler durch Optimieren der drei einzelnen Regleranteile ein gutes dynamisches Verhalten bei gleichzeitiger Stabilität erreicht, unterliegen die Wichtung der einzelnen Anteile und daraus resultierend das dynamische Verhalten dennoch den in Teil 1 [3] erwähnten Beschränkungen. Als gangbarer Ausweg bietet sich hier ein nichtlinearer Ansatz an, bei dem eine Abhängigkeit der Koeffizienten und Beiwerte des P-, I- und D-Anteils vom Fehlerwert vorliegt. Der Regler passt sich mit seinem Verhalten sozusagen der Größe der Regelabweichung an.

Mit analogen Reglern lässt sich das nur in sehr eingeschränktem Umfang realisieren. So sind z.B. einige PFC-Controller (UCC28070, UCC2806x, UCC28050/51) mit einer so genannten Slew-Rate-Korrektur bzw. mit speziellen Fehlerverstärkern ausgestattet, deren Ausgangsstrom in Abhängigkeit vom Fehlerwert umgeschaltet wird. Auch bei einigen DC/DC-Controllern (TPS4002x) finden sich ähnliche, auf Komparatoren basierende, einfache Implementierungen eines nichtlinearen Verhaltens. Damit sind die Grenzen aber auch schon erreicht, was mit vernünftigem Aufwand in der „analogen Welt“ machbar ist.

In schwierigen Fällen: der nichtlineare digitale PID-Regler

Bei digital realisierten Reglern machen es Software-Algorithmen bzw. deren hardware-mäßige Implementierungen – z.B. in Form der Look-Up-Tabelle bei der UCD91xx-Familie – besonders einfach, das nichtlineare Verhalten sehr flexibel und mit einer bei analogen Regelungen nicht erreichbaren hohen Granularität zu realisieren. Beim UCD911x brauchen dazu nur für jeden Fehler-Bin unterschiedliche Koeffizienten b0, b1 und b2 bzw. Beiwerte KP, KI_d und KD_d verwendet zu werden. Um den PID-Regler mit nichtlinearen Eigenschaften auszustatten, geht man dabei meistens den Weg, den digitalen Regler zuerst mittels der in Teil 1 [3] beschriebenen Vorgehensweise als linearen Regler zu implementieren, um diesen dann in einem weiteren Schritt durch direkten Eingriff in die Look-Up-Tabelle nichtlinear zu modifizieren. Für grundlegende erste Modifikationen, nämlich das Verhalten des PAnteils nichtlinear zu machen, kann dabei eine spezielle im GUI vorhandene Funktion verwendet werden. Diese bedient sich des in [4] beschriebenen Algorithmus, nach der sich ein nichtlinearer Beiwert KP_nl ergibt nach der Gleichung

Das GUI selbst kann sowohl für den UCD911x als auch den UCD9240 verwendet werden. Die Auswirkung verschiedener Konfigurationen lässt sich sofort mit den vorhandenen Simulationsinstrumenten (Bild 15) überprüfen.

Digital Power ist heute eine ernstzunehmende Alternative zu herkömmlichen analogen DC/DC-Controlleroder Spannungswandlerschaltungen. Herausragend sind dabei nicht nur die größere Flexibilität und die komfortable digitale Kommunikation zwischen Gerät und Stromversorgung, sondern auch die vollkommen neuen Möglichkeiten zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit – nicht nur der Stromversorgung, sondern des gesamten Gerätes oder Systems. So erlaubt die neue Technik erstmals, nichtlineare Regelungen ohne zusätzlichen Aufwand und ohne zusätzliche Komplexität zu implementieren. Das Ausregelverhalten bei schnellen Lastschwankungen kann somit signifikant verbessert werden, die Ausgangskapazität der damit realisierten DC/DC-Wandler lässt sich bei Bedarf verringern. Neben der Implementierung allgemeiner Diagnose- und Kontrollfunktionalität ermöglicht Digital Power durch Auto-ID ebenfalls erstmals das Vermessen der Regelung des kompletten Spannungswandlers mit eigenen Bordmitteln – ohne die bisher erforderlichen teueren Messgeräte. Spezielle, herstellerseitig auf ausgewählte Anwendungen vorprogrammierte Bauteile wie TIs Fusion Digital Power Controller UCD911x und UCD9240 brauchen vom Entwickler nur noch konfiguriert zu werden. Software-Kenntnisse sind, dank des intuitiv zu bedienenden „Fusion Digital Power Designer“, dazu genauso wenig erforderlich wie detailliertes Wissen über digitale Regelungen. hs