Proyecto: Diseño optimizado de una etapa Step Up

[micro_pepe]

A ver que sale con estos valores:
R1 =   0   kOhm
R2 =   10   kOhm
R3 =   15   kOhm
C1 =   15   nF
C2 =   2,2   nF
C3 =   47   nF

He cambiado los nombres de los condensadores y las resistencias para que se adapten a este esquema:




En las simulaciones me sale que tendrás suficiente margen de fase y de ganancia. Espero que sea estable:

 - Tienes que ingresar para ver archivos adjuntos -


Un saludo.

Resultado con esos valores:

Con 20.7V de salida, carga fija de 36w, y conmutada a 50Hz de 30w:

20.7v-36w-30w.gif
(20.35 kB, 800x480 - visto 557 veces)

Con 16V de salida, carga fija de 32w, y conmutada a 50Hz de 18w:

16v-32w-18w.gif
(25.51 kB, 800x480 - visto 514 veces)

[Picuino]

El problema es que la respuesta de la fuente varía mucho con la tensión de salida y con la potencia de salida.

Esas respuestas no son demasiado buenas. Recuerdo otras gráficas que conseguían sobrepulsos de solo 200mV y ahora llegan a 400mV.
Además parece que a tensiones de salida mayores será inestable.

La parte buena es que parece que no hay oscilaciones de alta frecuencia.

¿Qué hacemos? ¿Intentamos optimizar para una tensión fija de salida o para el caso más inestable, que debe ser alta tensión de salida?

Un saludo.

[micro_pepe]

El problema es que la respuesta de la fuente varía mucho con la tensión de salida y con la potencia de salida.

Esas respuestas no son demasiado buenas. Recuerdo otras gráficas que conseguían sobrepulsos de solo 200mV y ahora llegan a 400mV.
Además parece que a tensiones de salida mayores será inestable.

La parte buena es que parece que no hay oscilaciones de alta frecuencia.

¿Qué hacemos? ¿Intentamos optimizar para una tensión fija de salida o para el caso más inestable, que debe ser alta tensión de salida?

Un saludo.

Efectivamente a tensiones más altas es inestable, no he puesto las gráficas, pero oscila mucho.

Pienso que es mejor optimizar para el caso más inestable (tension de salida alta), aunque para tensiones inferiores sea un poco peor, se hace más versatil.

Gracias, un saludo!!!

[Picuino]

Los modelos que he visto hasta ahora de la etapa no se ajustan a los valores medidos.
Creo que lo mejor sera ajustar a mano el controlador.

A partir de ahora me refiero a los nombres de componentes de mi esquema:


Comienza por una resistencia de 10k en R2 y aumenta poco a poco R3 hasta que comience a tener un poco de sobrepulso (con C3 cortocircuitado).
Entonces añades un condensador C3 grande y lo vas reduciendo hasta que el sobrepulso comience a crecer.

Luego hay que probar que la fuente también sea estable a bajas tensiones de salida.
En caso de que no sea estable, hay que volver a empezar con una ganancia menor (reduciendo R3 y aumentando C3)

Espero que por ahora con eso sea suficiente.

[micro_pepe]

Los modelos que he visto hasta ahora de la etapa no se ajustan a los valores medidos.
Creo que lo mejor sera ajustar a mano el controlador.

A partir de ahora me refiero a los nombres de componentes de mi esquema:


Comienza por una resistencia de 10k en R2 y aumenta poco a poco R3 hasta que comience a tener un poco de sobrepulso (con C3 cortocircuitado).
Entonces añades un condensador C3 grande y lo vas reduciendo hasta que el sobrepulso comience a crecer.

Luego hay que probar que la fuente también sea estable a bajas tensiones de salida.
En caso de que no sea estable, hay que volver a empezar con una ganancia menor (reduciendo R3 y aumentando C3)

Espero que por ahora con eso sea suficiente.

Algo estoy haciendo mal, he puesto una carga fija de 40w a 24v, y una de 10w conmutada a 50Hz. Luego mido la salida con R3 (un potenciohmetro multivuelta de 50K) ajustado a unos pocos ohmios, voy subiendo poco a poco, y veo siempre la señal del adjunto, que desaparece con un valor de 9.3Kohm. Si sigo aumentando veo una señal cuadrada, con las esquinas redondeadas.

40w-10w-9.3kohm.gif
(17.61 kB, 800x480 - visto 541 veces)

[Picuino]

Bien. Esa señal es normal.
Si aumentas más la ganancia, el pulso se hará más rápido y empezará a ser más inestable, hasta que comience a oscilar él solo.
Mantén la ganancia baja, antes de que sea inestable:





Ahora hay que añadir un condensador algo grande (por ejemplo 1uF) y cambiarlo poco a poco por otros más pequeños.
Cuanto más pequeño sea, menos tardará en eliminar el error que ves (linea amarilla lejos del centro) y más inestable hará la salida de la fuente.
Cuando comience a ser inestable y tarde varios ciclos en estabilizarse, es que el condensador es demasiado pequeño.

Un saludo.

[micro_pepe]

Bien. Esa señal es normal.
Si aumentas más la ganancia, el pulso se hará más rápido y empezará a ser más inestable, hasta que comience a oscilar él solo.
Mantén la ganancia baja, antes de que sea inestable:





Ahora hay que añadir un condensador algo grande (por ejemplo 1uF) y cambiarlo poco a poco por otros más pequeños.
Cuanto más pequeño sea, menos tardará en eliminar el error que ves (linea amarilla lejos del centro) y más inestable hará la salida de la fuente.
Cuando comience a ser inestable y tarde varios ciclos en estabilizarse, es que el condensador es demasiado pequeño.

Un saludo.

OK. Pensaba que el sobrepico tendría que aparecer al aumentar R3, pero lo importante es el punto antes de ser inestable.

Voy a estar ocupado hasta el Viernes, cuando pueda sigo con el ajuste del PID. Cuando llegue al valor crítico de C3 ¿Cual es el siguiente paso?

Gracias, un saludo!!!

[Picuino]

Ya está. Con eso has terminado.
Solo habría que probar a baja tensión de salida para comprobar que el control sigue funcionando.

Se podría añadir derivativo, pero este circuito responde muy mal a ese tipo de control y termina produciendo oscilaciones de alta frecuencia.
Todos los circuitos boost en modo corriente que he visto hasta ahora utilizan este tipo de control con dos resistencias y un condensador. No será tan malo.

Un saludo.

[micro_pepe]

Bueno, el límite para la resistencia R3 es de 9.25Kohm, he puesto una resistencia fija de 8k2 y un condensador en C3 de 1uF, y lo que hace la salida es oscilar, todo lo que baje C3 es empeorar, y si subo C3 a 2uF no noto diferencia.

Gracias, un saludo!!!

[Picuino]

No entiendo bien.
La gráfica de bode que hicimos indicaba que la fuente debería oscilar con una frecuencia de 2kHz al añadir una resistencia de 20k (R3) en el compensador.
La oscilación que se ve con una resistencia de 9.2k probablemente se debe a que la tensión de salida ha cambiado y al cambiar la tensión de salida ha cambiado también la gráfica de bode.
¿La frecuencia de oscilación es la esperada de 2kHz?

Si la salida oscila con 9.25k, lo mejor es poner una resistencia en torno a 5.6k que haga que la salida no tenga mucho sobrepulso.


En cuanto a que la salida oscile al añadir un condensador, tampoco lo esperaba.
Creí que con un condensador de 1uF tendría todavía margen para ser estable. Al menos eso parece con los valores que medimos.

Prueba con un condensador de 47nF y valores alrededor. Es más rápido y probablemente oscilará más, pero en la simulación me aparece que es estable. Por probar no se pierde nada.


El problema con esta etapa es que es bastante difícil hacer un modelo que represente con precisión cómo se comporta la etapa. Con otras etapas como la Buck (reductora) es mucho más sencillo.

Un saludo.

[micro_pepe]

No entiendo bien.
La gráfica de bode que hicimos indicaba que la fuente debería oscilar con una frecuencia de 2kHz al añadir una resistencia de 20k (R3) en el compensador.
La oscilación que se ve con una resistencia de 9.2k probablemente se debe a que la tensión de salida ha cambiado y al cambiar la tensión de salida ha cambiado también la gráfica de bode.
¿La frecuencia de oscilación es la esperada de 2kHz?

Si la salida oscila con 9.25k, lo mejor es poner una resistencia en torno a 5.6k que haga que la salida no tenga mucho sobrepulso.


En cuanto a que la salida oscile al añadir un condensador, tampoco lo esperaba.
Creí que con un condensador de 1uF tendría todavía margen para ser estable. Al menos eso parece con los valores que medimos.

Prueba con un condensador de 47nF y valores alrededor. Es más rápido y probablemente oscilará más, pero en la simulación me aparece que es estable. Por probar no se pierde nada.


El problema con esta etapa es que es bastante difícil hacer un modelo que represente con precisión cómo se comporta la etapa. Con otras etapas como la Buck (reductora) es mucho más sencillo.

Un saludo.

Estoy tonto, no es que oscile, lo que estaba viendo es la señal de 50Hz con la que conmuto la carga para hacer una respuesta al escalón.

Efectivamente habia modificado el voltaje de salida, he repetido el proceso con una salida de 22v, la resistencia medida al límite es de 11.8Kohm, entonces he probado con R3 = 8k2 y valores para C3 en torno a 47nF, con 22nF se obtiene un buen resultado:

22v-8k2-22nF.gif
(21.46 kB, 800x480 - visto 495 veces)

Y con un voltaje de salida menor, de 16.5v:

16_5v-8k2-22nF.gif
(20.84 kB, 800x480 - visto 524 veces)

Con menor voltaje la respuesta es mejor, al revés de lo esperado, quizás sea porque la carga es la misma y al bajar el voltaje el escalón es menor.

Un saludo!!!

[Picuino]

Bien, la salida oscila demasiado a 22v y está poco amortiguada a 16v.

Si la ganancia crítica se alcanza con una resistencia de 11.8kOhm, vamos a seguir el método de Ziegler-Nichols:

Resistencia3 = 0.45*Rcritic = 5.31k
Redondeamos hacia abajo para conseguir más estabilidad = 4.7kOhm

En cuanto al condensador, no se cuál es el periodo de la oscilación crítica.
El condensador se calcula con la fórmula:
  C = 0.83*Tc / R
Siendo Tc el periodo de la oscilación crítica y R la resistencia anterior, de 4.7kOhm.

Por ejemplo, si la oscilación crítica tiene un periodo de 1ms, el condensador debería ser de 180nF

Un saludo.

[micro_pepe]

Hay algo que no entiendo, dijimos que para ajustar por Ziegler-Nichols se hace en lazo cerrado y sin respuesta al escalón, en estas ultimas pruebas estamos dando un escalón. Para esto:

Si la ganancia crítica se alcanza con una resistencia de 11.8kOhm, vamos a seguir el método de Ziegler-Nichols:

Resistencia3 = 0.45*Rcritic = 5.31k
Redondeamos hacia abajo para conseguir más estabilidad = 4.7kOhm

En cuanto al condensador, no se cuál es el periodo de la oscilación crítica.

¿Mido la oscilación con el escalón? En realidad sin escalón a esa ganancia no oscila.

Gracias, un saludo!!!

[Picuino]

Bien, vamos por partes.

Ganancia crítica:
Tienes razón, en teoría la ganancia crítica se mide sin escalón.
También hay que entender que la ganancia crítica no es importante medirla con total exactitud. Al final la ganancia que se va a poner en el regulador es aproximadamente la mitad de la ganancia crítica y un error del 10% no afecta mucho al resultado final.
La ganancia crítica hace que el sistema oscile todo el tiempo sin amortiguación, pero lo deseable es que el sistema se amortigue en uno o dos ciclos como mucho, por lo que la ganancia final estará muy lejos de la ganancia crítica. En concreto la ganancia crítica será el doble que la que pongamos. Esto se llama margen de ganancia y es el margen o cantidad de ganancia que tenemos que añadir al sistema para que se vuelva inestable. Cuanto mayor sea el margen de ganancia, más robusto será el regulador. Pero tampoco es conveniente dejar mucho margen porque entonces el sistema será demasiado lento.

Conclusión, con el ruido que genera la señal escalón es más difícil ver con exactitud la ganancia crítica, pero no imposible. En las últimas gráficas que has puesto, por ejemplo, se ve entre escalón y escalón como la señal senoidal va poco a poco amortiguándose. Todavía no tiene la ganancia crítica, pero está muy cerca.
Si quieres puedes eliminar el escalón para ver la ganancia crítica, pero lo mejor de todo es poner escalones de baja frecuencia (5Hz en este caso) para ir viendo si te acercas a la ganancia crítica (cuanto menos se amortigue el escalón más te acercas) y que el escalón no te estorbe para comprobar si se mantiene la oscilación.


Comprobar el funcionamiento del regulador
Una vez que has calculado la ganancia crítica y has ajustado el regulador, la salida no oscila como bien dices. Esto hace que no se pueda ver el desempeño del sistema y que no se pueda ajustar a mano.
Aquí es donde entra otra vez el escalón. Con el escalón puedes ver cómo responde el sistema. Si está suficientemente amortiguado o si el regulador amortigua demasiado. Lo ideal es que se produzca una oscilación y nada más, como aparece en la gráfica que puse antes (un pulso positivo, otro negativo y luego la salida ya entra dentro del rango de error admisible):

Esto significa que es rápido, pero no demasiado rápido. Está bien ajustado.

Un saludo.

[micro_pepe]

Bien, con un escalón de 5Hz veo esto:



entre tanto ruido no se ve la oscilación, eso es con una resistencia de 15kohm = R3, y C3 un corto. En todo el recorrido del ajustable de 50K que pongo como R3, veo una señal similar a la que muestro.