Modellierung und Regelung eines Sperrwandlers

Abstract

Die vorliegende Diplomarbeit beschäftigt sich mit der mathematischen Modellierung und Regelung eines Sperrwandlers. Im Laufe der Diplomarbeit wurde ein solcher Wandler entworfen und angefertigt. Der Messaufbau dient zur Validierung des Modells und des entworfenen modellbasierten Regelungskonzeptes. Ein primäres Ziel ist der modulare Aufbau des mathematischen Modells und des Reglers. Dadurch soll eine einfache Adaption auf ähnliche Schaltwandler-Topologien ermöglicht werden. Ein weiterer Aspekt soll die technischen Möglichkeiten aufzeigen, Ansteuerungen eines Schaltwandlers mit speziellen Microcontrollern zu realisieren. Diese Vorgangsweise zeichnet sich gegenüber analogen Lösungen besonders durch das hardwarespezifische Regelungskonzept und der Einsparung von Bauelementen im Leistungskreis aus. Die komplexe mathematische Beschreibung erlaubt die Beschreibung aller dominanten Effekte. Insbesondere ist eine detaillierte Berechnung der Gesamtverluste des Sperrwandlers möglich. Diese Verluste sind neben dem eingestellten Arbeitspunkt auch von der wählbaren Ansteuerung des Leistungs-MOSFETs abhängig. Dieser Freiheitsgrad des Steuersignals wird genutzt, um die Verluste während des Betriebs zu minimieren. Abhängig vom gewählten Arbeitspunkt erfolgt anhand des mathematischen Modells die Berechnung der geringsten Verluste und des dafür notwendigen MOSFET Ansteuersignals. Das umfangreiche mathematische Modell erlaubt im Weiteren auch das Ableiten eines kompakten, vereinfachten Modells. Dieses dient als Grundlage für den modellbasierten Regler- und Beobachterentwurf. Die verwendete Regelstruktur ist dabei in drei Stufen aufgeteilt. Die erste dient der Stabilisierung des Arbeitspunktes. Die zweite berechnet die Ansteuersignale zur Minimierung der Verluste. Die letzte Stufe kompensiert die unerwünschten Eigenschaften des Stellgliedes. Die Validierung des Modells und der Regelung erfolgt durch Simulationen und Messungen am Testaufbau. Die Ergebnisse bestätigen die Vorteile der entwickelten Verfahren.

The topic of this diploma thesis is the mathematical modelling and control of a flyback converter, which was also designed and manufactured. The converter is used for the validation of the model as well as for the design of model-based control concepts. A primary goal is the modular structure of the mathematical model and the controller, which allows a simple adaptation to similar converter topologies. Another objective is the demonstration of technical possibilities for the control of switched power converters, when special designed microcontroller are used. The advantages of this method, compared with analogous implementations, is a hardware-specific control concept and a reduced number of necessary components in the power circuit. The complex mathematical model covers all dominant effects. In particular, the total losses of the flyback converter can be calculated in detail. Apart from the operating point, these losses also depend on the control of the power MOS-FET. This degree of freedom of the control signal is used to minimize the losses during operation. Depending on the selected operating point, the lowest possible losses and the required MOS-FET control signals are calculated by using the mathematical model. In addition, the complex mathematical model allows the derivation of a simplified model, which serves as the basis for the model-based controller and observer design. The control structure is divided into three levels. The first level stabilizes the operating point. The second stage calculates the control signals to minimize the losses. The last one compensates far the unwanted properties of the actuator. Both the model and the control concepts are validated by simulations and measurements on a test bench. The results clearly demonstrate the advantages of the developed methods.