¿Cómo deben relacionarse la frecuencia de muestreo, la frecuencia de conmutación, la frecuencia de actualización del bucle de control y la frecuencia de esquina del filtro antisolapamiento?

Supongamos que uno está diseñando un suministro de conmutación controlado por procesador. En general, ¿cómo se selecciona correctamente la frecuencia de conmutación frente a la frecuencia de actualización del bucle de control frente a la frecuencia de muestreo de retroalimentación frente a la frecuencia de esquina del filtro anti-aliasing de retroalimentación? Creo que la frecuencia de actualización del bucle de control debe coincidir con la frecuencia de conmutación y que la frecuencia de muestreo de retroalimentación debe ser al menos la frecuencia de conmutación. También creo que el filtro anti-aliasing debería ser un paso bajo que corte las frecuencias por encima de la mitad de la frecuencia de muestreo (aunque, por supuesto, hacerlo a la perfección es imposible). ¿Es eso exacto? Si no, ¿dónde me equivoco? ¿Debería la frecuencia de muestreo exceder de hecho la frecuencia de conmutación? ¿Debería haber algún filtrado digital involucrado también?

Respuestas (2)

Esta es una pregunta amplia con libros enteros escritos sobre este tema, por lo que solo puede tratarse brevemente aquí.

Para la mayoría de las fuentes de alimentación del controlador del procesador, la frecuencia de conmutación es la frecuencia del bucle de control. Si tiene una frecuencia de conmutación alta y un lazo de control complicado, es posible que solo ejecute el lazo cada segundo ciclo, o una pequeña cantidad de ciclos.

El muestreo del estado externo se realizaría justo antes de cada iteración del bucle de control, al menos para las señales importantes que están "dentro" del bucle, como el valor que intenta controlar.

En cuanto al filtrado, generalmente filtrar cualquier entrada de retroalimentación a un lazo de control es una mala idea. Dicho de otra manera, nunca querrá escuchar los cambios de salida tarde. Está bien filtrar otra entrada al lazo de control, como la entrada de control, porque eso no está realmente dentro del "lazo" y cambiarlo lentamente no causa inestabilidad. Reduce el ancho de banda general de entrada a salida de todo el sistema, pero a veces es útil limitar la entrada de control a las frecuencias que el sistema puede realizar.

Todo eso tiene sentido. Gracias. Ahora, si desea filtrar sus señales de retroalimentación lo menos posible, pero aún necesita un filtro anti-aliasing antes de su convertidor A/D (¿verdad?), ¿eso implica que las frecuencias de muestreo más altas permiten menos filtrado y, por lo tanto, son ¿mejor? ¿O sería necesario contrarrestar la frecuencia de muestreo más alta con un filtro digital, lo que daría como resultado una mejora menor?
@Stephen: No, no pondría ningún filtro deliberado entre la señal de salida y la entrada A/D. Cualquier retraso en este camino disminuye el margen de estabilidad. Puede aplicar un poco de filtrado para reducir el ruido aleatorio, pero la constante de tiempo debe ser pequeña en comparación con el tiempo de bucle. Generalmente no filtras y vives con un poco de ruido aleatorio. Cuanto más lenta sea la reacción de control, más filtrado puede tolerar. Básicamente, puede compensar un poco la respuesta transitoria con el ruido de estado estable.
@OlinLathrop: Gran parte de lo que aprendí sobre la teoría de control se produjo después del último trabajo que hice, que involucró el posicionamiento de motores grandes. ¿Estaría en lo cierto al suponer que el filtrado para evitar mover un motor de un lado a otro cuando no tiene mucho que hacer habría sido mejor ubicado en el back-end que en el front-end, posiblemente con un poco de retroalimentación para que el "esperado " el movimiento del motor corresponderá a la señal de control que realmente se le dio, en lugar de la salida PID?
Entonces, no hay filtro anti-aliasing, ¿solo vives con el aliasing?
@Stephen: ¿Qué alias exactamente? ¿Qué señal espera que haya en las lecturas que tenga una frecuencia superior a la mitad de la frecuencia del pulso? Estas lecturas son sincrónicas con los pulsos, por lo que no causan aliasing. Siempre hay algo de ruido, pero parte de un buen diseño es minimizar el ruido en la ruta de retroalimentación.
@OlinLathrop Ah. Bien. No obtienes alias si no hay un contenido de frecuencia tan alto. Supongo que estaba asumiendo que el hecho de que la variable de control que estoy midiendo no es una onda sinusoidal perfecta daría como resultado que hubiera contenido de alta frecuencia del que tendría que deshacerse. ¿No es suficiente de qué preocuparse, por lo general?

Estas son mis opiniones personales basadas en el tipo de fuente de alimentación conmutada sobre la que he visto que plantea preguntas.

Debe establecer (en su propia mente) que la frecuencia de conmutación se elige ÚNICAMENTE para adaptarse a los dispositivos de almacenamiento de energía de la aplicación, sus requisitos de carga y el rango de voltaje de suministro de entrada que se puede esperar. Esta es la parte crítica del diseño.

Una vez establecido, determina qué ciclo de trabajo necesita asignar a cualquier condición dada, como cambios de carga y cambios de voltaje de suministro.

  • Si su rango de voltaje de suministro no se mueve rápidamente (¿por qué debería hacerlo?), entonces su sistema de control no necesita ser rápido para hacer frente a esto.
  • Si sus requisitos de carga no cambian rápidamente, se aplica lo mismo.
  • Puede suponer que los componentes que ha elegido no alteran sus valores excepto a un ritmo lento debido al envejecimiento o al autocalentamiento.

También debe considerar cuánto puede tolerar como error si el ciclo de trabajo se corrige y el nivel de voltaje de entrada de energía cambia (digamos) en un 5%. Lo mismo ocurre con la corriente de carga debido a los cambios de resistencia de carga.

A partir de esto, podría implementar técnicas de corrección de errores hacia adelante para ajustar el ciclo de trabajo en función de su procesador, midiendo cuánto se mueve el voltaje de suministro de entrada y cuánto está cambiando su corriente de carga. Esto no requiere mediciones rápidas y no son en absoluto comparables con la velocidad de conmutación. Esto es similar a mapear un motor.

Hasta ahora no se necesitaba ninguna relación conectando el muestreo ADC, el anti-aliasing y la velocidad de conmutación.

En resumen, tiene un núcleo decente de componentes de conmutación que producen el voltaje de salida requerido para un ciclo de trabajo determinado. La mayoría de los elementos que pueden afectar el voltaje de salida se pueden corregir mediante el ajuste del ciclo de trabajo. No produce un regulador fantástico, pero funcionaría razonablemente bien, pero puede variar con el tiempo. Sin comentarios todavía y sin posibilidad de inestabilidad.

Pero el ciclo debe cerrarse porque los componentes se calientan y envejecen y el mapeo de los componentes eléctricos centrales no será una ciencia exacta, así que hágase la pregunta: ¿qué tan rápido se desviará la salida del valor nominal dado que puede reenviar el error? corregir a los culpables obvios?

Para su tipo de fuente de alimentación, diría que no se desvía rápidamente, pero solo usted puede responder eso. La retroalimentación que implementa no es de gran alcance, no está tratando de acomodar variaciones de voltaje de suministro o cambios radicales de carga, deje que la corrección de errores hacia adelante lo haga, deje que el sistema de retroalimentación real solo se ocupe de la deriva.

Por lo tanto, el "clavo" final debe ser una retroalimentación basada en lo que está haciendo su voltaje de salida promedio y siempre que haya diseñado los elementos de conmutación correctamente, esta parte "real" del bucle de control no necesita tener un ancho de banda alto.

¿Cómo deben relacionarse la frecuencia de muestreo, la frecuencia de conmutación, la frecuencia de actualización del bucle de control y la frecuencia de esquina del filtro antisolapamiento?
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