Wie sollten Abtastfrequenz, Schaltfrequenz, Aktualisierungsfrequenz des Regelkreises und Eckfrequenz des Anti-Aliasing-Filters zusammenhängen?

Angenommen, man entwirft eine prozessorgesteuerte Schaltversorgung. Wie wählt man im Allgemeinen die Schaltfrequenz im Vergleich zur Aktualisierungsfrequenz des Regelkreises im Vergleich zur Rückkopplungs-Abtastfrequenz im Vergleich zur Eckfrequenz des Rückkopplungs-Anti-Aliasing-Filters richtig aus? Ich denke, die Aktualisierungsfrequenz der Regelschleife sollte der Schaltfrequenz entsprechen und die Abtastfrequenz der Rückkopplung sollte mindestens der Schaltfrequenz entsprechen. Ich denke auch, dass der Anti-Aliasing-Filter ein Tiefpass sein sollte, der Frequenzen über der Hälfte der Abtastfrequenz abschneidet (obwohl dies natürlich unmöglich ist). Ist das genau? Wenn nicht, wo liege ich falsch? Sollte die Abtastfrequenz tatsächlich die Schaltfrequenz übersteigen? Sollte es auch eine digitale Filterung geben?

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Dies ist eine umfassende Frage mit ganzen Büchern, die zu diesem Thema geschrieben wurden, daher kann sie hier nur kurz behandelt werden.

Bei den meisten Prozessor-Controller-Netzteilen ist die Schaltfrequenz die Regelkreisfrequenz. Wenn Sie eine hohe Schaltfrequenz und eine komplizierte Regelschleife haben, können Sie die Schleife möglicherweise nur jeden zweiten Zyklus oder eine kleine Anzahl von Zyklen ausführen.

Das Abtasten des externen Zustands würde kurz vor jeder Iteration der Regelschleife erfolgen, zumindest für die wichtigen Signale, die sich "innerhalb" der Schleife befinden, wie der Wert, den sie zu steuern versucht.

Was das Filtern betrifft, so ist es im Allgemeinen eine schlechte Idee, jegliche Rückkopplungseingabe in einen Regelkreis zu filtern. Anders gesagt: Sie wollen nie zu spät von Leistungsänderungen erfahren. Es ist in Ordnung, andere Eingaben in den Regelkreis zu filtern, z. B. den Regeleingang, da sich dieser nicht wirklich innerhalb der "Schleife" befindet und eine langsame Änderung keine Instabilität verursacht. Es reduziert zwar die Gesamteingangs-Ausgangsbandbreite des gesamten Systems, aber manchmal ist es nützlich, den Steuereingang auf die Frequenzen zu begrenzen, die das System realisieren kann.

Das alles macht Sinn. Danke. Wenn Sie nun Ihre Rückkopplungssignale so wenig wie möglich filtern möchten, aber dennoch einen Anti-Aliasing-Filter vor Ihrem A/D-Wandler benötigen (richtig?), bedeutet dies, dass höhere Abtastraten weniger Filterung ermöglichen und dies auch sind besser? Oder müsste die höhere Abtastrate durch einen digitalen Filter ausgeglichen werden, was zu einer geringeren Verbesserung führt?
@Stephen: Nein, ich würde keinen absichtlichen Filter zwischen das Ausgangssignal und den A/D-Eingang schalten. Jede Verzögerung in diesem Pfad verringert den Stabilitätsspielraum. Sie können ein wenig filtern, um zufälliges Rauschen zu reduzieren, aber die Zeitkonstante muss im Vergleich zur Schleifenzeit klein sein. Im Allgemeinen filtert man nicht und lebt mit ein wenig zufälligem Rauschen. Je langsamer die Kontrollreaktion ist, desto mehr Filterung kann sie tolerieren. Grundsätzlich können Sie das Einschwingverhalten mit stationärem Rauschen etwas abwägen.
@OlinLathrop: Vieles, was ich über Steuerungstheorie gelernt habe, kam nach meiner letzten Arbeit, bei der es um die Positionierung großer Motoren ging. Würde ich richtig liegen, wenn ich vermute, dass das Filtern, um zu vermeiden, dass ein Motor hin und her bewegt wird, wenn es nicht viel zu tun gibt, besser am Backend als am Frontend platziert worden wäre, möglicherweise mit einem kleinen Feedback, damit das "erwartete "Die Motorbewegung entspricht dem tatsächlich gegebenen Steuersignal und nicht dem PID-Ausgang?
Also kein Anti-Aliasing-Filter, du lebst einfach mit dem Aliasing?
@Stephen: Welches Aliasing genau? Welches Signal erwarten Sie bei den Messwerten mit einer Frequenz von mehr als der Hälfte der Pulsfrequenz? Diese Messwerte sind synchron mit den Impulsen, sodass kein Aliasing verursacht wird. Es gibt immer ein gewisses Rauschen, aber es gehört zu einem guten Design, das Rauschen im Rückkopplungspfad zu minimieren.
@OlinLathrop Ahh. Rechts. Aliasing tritt nicht auf, wenn kein so hoher Frequenzgehalt vorhanden ist. Ich denke, ich bin davon ausgegangen, dass die Tatsache, dass die von mir gemessene Steuervariable keine perfekte Sinuswelle ist, dazu führen würde, dass es hochfrequente Inhalte gibt, die Sie loswerden müssten. Normalerweise nicht genug, um sich Sorgen zu machen?

Dies sind meine persönlichen Meinungen, basierend auf der Art des Schaltnetzteils, zu dem ich gesehen habe, dass Sie Fragen aufgeworfen haben.

Sie sollten sich (in Gedanken) vergewissern, dass die Schaltfrequenz NUR passend zu den Energiespeichern der Anwendung, ihren Lastanforderungen und dem zu erwartenden Bereich der Eingangsversorgungsspannung gewählt wird. Dies ist der kritische Teil des Designs.

Nach der Festlegung bestimmen Sie dann, welches Tastverhältnis Sie bestimmten Bedingungen wie Laständerungen und Änderungen der Versorgungsspannung zuordnen müssen.

  • Wenn sich Ihr Versorgungsspannungsbereich nicht schnell bewegt (warum sollte er?), muss Ihr Steuerungssystem nicht schnell sein, um damit fertig zu werden.
  • Wenn sich Ihre Lastanforderungen nicht schnell ändern, gilt dasselbe.
  • Sie können davon ausgehen, dass die von Ihnen gewählten Komponenten ihre Werte nur langsam durch Alterung und/oder Eigenerwärmung verändern.

Sie müssen auch berücksichtigen, wie viel Sie als Fehler tolerieren können, wenn das Tastverhältnis fest ist und sich die Eingangsspannung um (sagen wir) 5 % ändert. Dito der Laststrom aufgrund von Lastwiderstandsänderungen.

Daraus könnten Sie Techniken zur Vorwärtsfehlerkorrektur implementieren, um den Arbeitszyklus basierend auf Ihrem Prozessor zu optimieren, der misst, wie stark sich Ihre Eingangsversorgungsspannung bewegt und wie stark sich Ihr Laststrom ändert. Dies erfordert keine schnellen Messungen und sie sind überhaupt nicht mit Schaltgeschwindigkeit vergleichbar. Dies ähnelt dem Mapping eines Motors.

Bisher war keine Beziehung zwischen ADC-Sampling, Anti-Aliasing und Schaltgeschwindigkeit erforderlich.

Zusammenfassend haben Sie einen anständigen Kern von Schaltkomponenten, die die erforderliche Ausgangsspannung für einen bestimmten Arbeitszyklus erzeugen. Die meisten Elemente, die sich auf die Ausgangsspannung auswirken können, können durch Anpassung des Tastverhältnisses durch Vorwärtsfehler korrigiert werden. Es produziert keinen fantastischen Regler, aber es würde ziemlich gut funktionieren, kann aber mit der Zeit driften. Noch kein Feedback und keine Chance auf Instabilität.

Aber der Kreislauf muss geschlossen werden, da die Wärme und das Alter der Komponenten und die Zuordnung der elektrischen Kernkomponenten keine exakte Wissenschaft sind. Stellen Sie sich also die Frage – wie schnell wird die Ausgabe vom Nennwert abweichen, vorausgesetzt, Sie können Fehler weiterleiten Korrigieren Sie die offensichtlichen Schuldigen?

Für Ihre Art von Stromversorgung würde ich sagen, dass es nicht schnell driftet, aber das können nur Sie beantworten. Die von Ihnen implementierte Rückkopplung ist nicht weitreichend - sie versucht nicht, Schwankungen der Versorgungsspannung oder radikale Laständerungen auszugleichen - lassen Sie dies die Vorwärtsfehlerkorrektur tun - lassen Sie das eigentliche Rückkopplungssystem nur mit Drift umgehen.

Der letzte "Nagel" sollte also eine Rückmeldung sein, die darauf basiert, was Ihre durchschnittliche Ausgangsspannung tut, und vorausgesetzt, Sie haben die Schaltelemente korrekt entworfen, muss dieser "echte" Teil des Regelkreises keine hohe Bandbreite haben.

Wie sollten Abtastfrequenz, Schaltfrequenz, Aktualisierungsfrequenz des Regelkreises und Eckfrequenz des Anti-Aliasing-Filters zusammenhängen?
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