Erhöhung der Bandbreite eines Stromregelkreises durch Hadamard-Modulation

Abstract:
In der industriellen Automatisierungstechnik kommt eine Vielzahl an elektrischen Stellantrieben zum Einsatz. Dabei entstehen hohe Anforderungen an die Positionsgenauigkeit sowie an die Dynamik der eingesetzten Servoantriebe. Die verwendete Antriebsregelung ist meist mit einem Stromregler ausgeführt. Für eine Strommessung lassen sich zwei Hauptanforderungen ableiten: einerseits eine ausreichende Auflösung nach der Digitalisierung mit einem Analog-Digital-Umsetzer (ADC) und zum anderen eine hohe Bandbreite für die Dynamik des Regelkreises. Die Wechselwirkung von effektiver Auflösung und resultierender Bandbreite erzwingt einen Kom-promiss für ein gegebenes Szenario. Im konkreten Anwendungsfall wird ein DeltaSigma ADC mit dem analogen DeltaSigma Modulator AMC1204 von Texas Instruments als Messeinrichtung des Stromregelkreises verwendet. Vorteil des DeltaSigma ADC ist ein geringer Hardware Aufwand in Form des analogen Modulators zur Erzeugung eines Bitstroms in Kombination mit einem digitalen Filter, der aus dem 1-Bit Signal ein hochaufgelöstes Datenwort mittels digitaler Signalverarbeitung erzeugt. Durch die Implementierung des Filters auf einem Zynq SoC (System-on-Chip), integriert auf dem ZedBoardTM der Firma AVNET, steht dieses Datenwort direkt für die Regelungsanwendung zur Verfügung. Im zweiten Abschnitt dieses Beitrags werden theoretische Grundlagen erörtert, auf deren Basis eine digitale Filterstufe in MATLAB/Simulink entworfen wird. Die zugehörige Simulationstechnik wird im dritten Abschnitt diskutiert. Der Entwurf wird nach der Implementierung im Zynq SoC durch Messungen verifiziert. Der Entwurfsraum wird durch eine Hadamard Modulation in Modellierung und Simulation im vierten Abschnitt erweitert, bevor eine Zusammenfassung und eine Diskussion der Ergebnisse im letzten Abschnitt erfolgt.