Stromregelung über Mikrocontroller

Ich schlage vor, Sie verwenden einen OpAmp, um den Regulierungsteil für Sie zu erledigen. Dies erhöht nicht nur die Bandbreite (Geschwindigkeit) Ihres Regelkreises, sondern nimmt auch einige "dumme" Arbeit von der Todo-Liste Ihres Mikrocontrollers - möglicherweise wird ein schwächerer / billigerer / kleinerer Mikrocontroller zugelassen, wenn dies alles ist, was er tun muss. Natürlich erspart es Ihnen auch die Implementierung einer PID-Schleife in Software (es gibt ein Schlüsselwort für Sie, wenn Sie diesen Weg dennoch gehen möchten).

Hier ist die grundlegende spannungsgesteuerte Konstantstromquelle:

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

Sie können C1, R1 und R2 ignorieren, da es sich um praktische Verbesserungen handelt, die für das Verständnis des Schaltungskonzepts nicht erforderlich sind.

Der OpAmp wird im negativen Rückkopplungsmodus verwendet. Das bedeutet, dass einige Schaltungen, die vom Ausgang des Operationsverstärkers abhängen, eine positive Rückkopplung (Ausgang nach oben -> Rückkopplung nach oben) an den negativen Eingang (-) des Operationsverstärkers zurückgeben, was zu einer insgesamt negativen Rückkopplung führt. Dann gibt der OpAmp alles aus, was notwendig ist, um (+) und (-) gleich zu machen. Das Rückkopplungssignal ist in diesem Fall der Spannungsabfall über dem Referenzwiderstand Rref von 100 Ohm. Dies ergibt ein direktes Maß für den Strom via

$$I_{\text{Rref}} = \frac{U_{\text{Rref}}}{100\,\Omega}$$ Wenn Sie also 2 V bei (+) eingeben, steuert der OpAmp das Gate des MOSFET so an, dass die Drain-Source einen Strom durchlässt, der genau richtig ist, um Rref um 2 V abfallen zu lassen. Denn dann sind (+) und (-) beide 2V. Der Strom durch den Referenzwiderstand und damit durch die Last beträgt in dieser Situation 20 mA. In ähnlicher Weise ergibt ein 1-V-Eingang einen Strom von 10 mA und so weiter.

Natürlich können Sie den Referenzwiderstand durch etwas anderes ersetzen, das Ihnen abhängig vom Strom ein vorzugsweise lineares Spannungssignal liefert, z. B. Ihren Hallstromsensor. Die Übersetzung von Eingangsspannung zu Ausgangsstrom ist jedoch nicht so einfach wie bei einem Zehnerpotenzwiderstand und schwieriger bei einer nichtlinearen Beziehung. Wenn Ihr Hallsensor eine lineare Beziehung hat, sagt Ihnen das Datenblatt einen Strom-zu-Spannungsfaktor, wie 123 mV/A. Sie können damit gewünschte Ausgangsströme in die erforderliche Eingangsspannung übersetzen. Die Methode der Verwendung eines Referenzwiderstands ist einfach, billig und auch in professionellen Präzisionsgeräten üblich. Überlegen Sie sich also, ob Sie hier wirklich einen Hallsensor benötigen.

C1, R1 und R2 sollen den OpAmp vor der ziemlich großen Gate-Kapazität des (Leistungs-)MOSFET und der daraus resultierenden Instabilität/Oszillation schützen. Das ist eine Sache der Verstärkertheorie (Stichwort Phasenabstand, Open-Loop-Verstärkung). Im Wesentlichen ändert die Kapazität die Phase (denken Sie an "Verzögerung") des Rückkopplungssignals in Bezug auf den Ausgang. Wenn dieser Effekt stark genug ist, führt er zu einem insgesamt positiven Feedback (für einige Frequenzkomponenten), obwohl wir das Feedback an den negativen Eingang des OpAmp angeschlossen haben. Positive Rückkopplung in einem Schaltkreis, der etwas regeln soll, ist natürlich nicht gut, es führt zu heftigen Schwingungen bei der Eigenfrequenz des Systems.

Nun zum Eingangssignal. Sie sehen, dass ich eine analoge Quelle verwendet habe, und ich empfehle Ihnen, dies auch zu tun. Verwenden Sie beispielsweise einen 12-Bit-DAC-IC, in den Ihr µC die Spannungsbits über SPI verschiebt. Das ist einfacher umzusetzen, als es sich anhört, falls Sie keine Erfahrung mit externen DACs haben.

Wenn Sie bei PWM bleiben, müssen Sie das Signal mit einem Vorwiderstand und einem parallelen Kondensator stark tiefpassfiltern, um ein Fast-DC-Signal zu erhalten. Es wird immer eine gewisse Welligkeit übrig bleiben, die notwendigerweise in Ihre dann nicht so konstante Stromquelle eingespeist wird. Und je besser Sie die Welligkeit unterdrücken, indem Sie den Widerstand und die Kapazität Ihres Tiefpassfilters erhöhen, desto langsamer reagiert Ihre Stromquelle auf Änderungen der PWM-Arbeitszykluseinstellung im Programm.

Beachten Sie, dass ich OA1 und M1 fast zufällig ausgewählt habe. Diese Komponenten müssen Sie Ihren Anforderungen entsprechend anpassen. Sie möchten wahrscheinlich einen OpAmp, der bei 0 V auf die untere Schiene schwingen und auch 0 V an den Eingängen verarbeiten kann. Diese werden allgemein als "Single-Supply"-OpAmps bezeichnet. Der MOSFET sollte in der Lage sein, die in Ihrem Strompfad vorhandenen Spannungen und Ströme zu verarbeiten, sollte in der Lage sein, die maximal auftretende Leistung abzuleiten, und sollte eine Gate-Schwellenspannung haben, die gut innerhalb der OpAmps-Erzeugungsfähigkeiten liegt. Berücksichtigen Sie für letzteres die positive Versorgung des OpAmp abzüglich einer gewissen Spannungsmarge (siehe Ausgangsschwingung im Datenblatt). Nur "Rail-to-Rail"-OpAmps können tatsächlich Spannung sehr nahe an der positiven Versorgung liefern. Endlich,