Was ist Kleinsignalanalyse?

Die Analyse des Kleinsignalverhaltens bietet eine Näherung für das Verhalten eines nichtlinearen Leistungselektroniksystems, wie z. B. eines Schaltnetzteils, mit einem linearen zeitinvarianten Modell (LTI-Modell), das im Bereich eines relevanten Arbeitspunkts gültig ist. Die Analyse des Kleinsignalverhaltens ist ein wichtiger Schritt zur Anwendung der klassischen Regelungstheorie auf Leistungselektroniksysteme. Hierfür ist eine LTI-Darstellung wie etwa eine Transferfunktion oder ein Zustandsraummodell des Systems erforderlich.

Für bekannte, einfache Topologien, wie z. B. einen Aufwärts- oder Abwärtswandler, können Sie die entsprechenden LTI-Systeme analytisch ableiten. Für unüblichere Wandlertopologien und für Wandler, die in komplexe leistungselektronische Systeme integriert sind, ist die analytische Ableitung jedoch sehr zeitaufwendig und fehleranfällig.

Ein in der Industrie anerkannter Ansatz für die Analyse des Kleinsignalverhaltens ist die Erstellung eines Simulationsmodells für ein Leistungselektroniksystem und die anschließende Schätzung des Frequenzgangs. Zur Schätzung des Frequenzgangs überlagern Sie zunächst ein kleines Störsignal mit definierter Amplitude und definiertem Frequenzspektrum über den Eingang des Leistungselektroniksystems im Bereich des Arbeitspunkts und messen dann die Systemantwort auf diese Störung. Aus Störsignal und gemessenem Ausgangssignal berechnen Sie dann den Frequenzgang oder eine Transferfunktion, die die Systemdynamik in der Nähe des Betriebspunkts darstellt.

Sie können verschiedene Arten von Eingangssignalen in ein Modell einspeisen, um den Frequenzgang zu berechnen:

• Sinusstrom, eine Reihe von sinusförmigen Störungen, die nacheinander aufgeschaltet werden.
• Chirp, ein Signal mit veränderlichen Frequenzen, welches das System bei verschiedenen Frequenzen anregt, wobei sich die Eingangsfrequenz fortwährend ändert. 
• Rauschsignale.
• Schrittweise Eingangssignale.

Nachdem Sie den Frequenzgang oder eine Transferfunktion des Systems berechnet haben, können Sie einen Regler entwerfen und ihn anhand des linearen Modells bewerten. Indem Sie die Analyse des Kleinsignalverhaltens für unterschiedliche Betriebsbedingungen wiederholen (z. B. unterschiedliche gewünschte Ausgangsspannungspegel oder unterschiedliche Tastverhältnisse), können Sie einen Regler mit Gainscheduling entwickeln, um das Leistungselektroniksystem im gewünschten Betriebsbereich zu betreiben.

Mit Simulink haben Sie folgende Möglichkeiten:

• Erstellung genauer Simulationsmodelle von Schaltnetzteilen, Wechselstrommotoren und anderen Lasten in einem Stromnetz
• Durchführung einer Analyse des Kleinsignalverhaltens eines Leistungselektronikmodells mit einer Auswahl von mehreren Störeingangssignalen
• Entwurf und Optimierung eines Reglers für das erhaltene lineare Modell mithilfe von Techniken wie automatisierter PID-Optimierung oder interaktivem Loop-Shaping mit Wurzelortskurven und Bode-Diagrammen
• Entwurf eines Reglers mit Gainscheduling zur Regelung des Leistungselektroniksystems im gesamten Betriebsbereich
• Verifikation und Test des Reglerentwurfs durch Simulation anhand eines nichtlinearen Modells eines Leistungselektroniksystems
• Automatische Generierung von ANSI-, ISO- oder prozessoroptimiertem C-Code und HDL-Code für das Rapid Prototyping des Reglers und für die Serienimplementierung Optimierung der PID-Reglerparameter für einen Abwärtswandler (6:31)