Análisis de pequeñas señales

El análisis de pequeñas señales consiste en aproximar el comportamiento de un sistema de electrónica de potencia no lineal, como una fuente de alimentación conmutada, con un modelo lineal invariante en el tiempo (LTI) que es válido en torno a un punto de operación de interés. El análisis de pequeñas señales es un procedimiento que permite aplicar teoría de control clásica a sistemas de electrónica de potencia, lo que requiere una representación LTI, como una función de transferencia o un modelo en espacio de estados del sistema.  

En topologías conocidas y sencillas, como un convertidor Boost o Buck, puede derivar analíticamente los sistemas LTI equivalentes. Sin embargo, en topologías de convertidor no estándar y convertidores integrados en sistemas de electrónica de potencia complejos, la derivación analítica requiere mucho tiempo y es propensa a errores.

Un enfoque aceptado en la industria para realizar análisis de pequeñas señales consiste en crear un modelo de simulación de un sistema de electrónica de potencia y luego utilizar estimación de la respuesta en frecuencia. La estimación de la respuesta en frecuencia se inicia inyectando una señal de perturbación de pequeña amplitud y contenido de frecuencia definidos a la entrada del sistema de electrónica de potencia en torno al punto de operación y midiendo la respuesta del sistema a esta perturbación.

Luego, puede utilizar la señal de perturbación y la señal de salida medida para calcular la respuesta en frecuencia o una función de transferencia que represente la dinámica del sistema en las proximidades del punto de operación. En sistemas con discontinuidades resultantes de excitación periódica o autooscilación, puede calcular los puntos de operación periódicos en estado estacionario del modelo sin necesidad de simular todos los transitorios.

Puede inyectar distintos tipos de señales de entrada en un modelo para calcular la respuesta en frecuencia:

• Sinestream, una serie de perturbaciones sinusoidales que se aplican de forma sucesiva
• Chirp, una señal de barrido de frecuencia que excita el sistema en un rango de frecuencias en el que la frecuencia de entrada cambia continuamente
• PRBS, una secuencia binaria seudoaleatoria determinística que alterna entre dos valores y tiene propiedades similares a las del ruido blanco
• Señales de entrada aleatorias
• Señal de entrada en escalón

Una vez calculada la respuesta en frecuencia o una función de transferencia del sistema, puede diseñar un compensador y evaluarlo con el modelo lineal. Si repite el análisis de pequeñas señales con distintas condiciones de funcionamiento, como distintos niveles de tensión de salida deseados o diferentes ciclos de trabajo, puede desarrollar un controlador con planificación de ganancia para controlar el sistema de electrónica de potencia en el rango de funcionamiento deseado.

Con Simulink, puede:

• Crear modelos de simulación precisos de fuentes de alimentación conmutadas, motores de CA y otras cargas en sistemas de distribución.
• Determinar mediante programación los puntos de operación periódicos en estado estacionario de modelos de electrónica de potencia conmutada sin necesidad de esperar a que finalicen los transitorios de conmutación, lo que agiliza la configuración del análisis de pequeñas señales. 
• Realizar análisis de pequeñas señales de un modelo de electrónica de potencia con diversas opciones de señales de entrada de perturbación.
• Diseñar y ajustar un compensador para el modelo lineal obtenido empleando técnicas como ajuste automático de PID o loop shaping interactivo con diagramas del lugar de las raíces y de Bode.
• Diseñar un compensador con planificación de ganancia para controlar un sistema de electrónica de potencia en todo el rango de condiciones de funcionamiento.
• Verificar y probar el diseño del controlador simulándolo con un modelo no lineal de un sistema de electrónica de potencia.
• Generar automáticamente código C conforme a ANSI o ISO, u optimizado para el procesador, y HDL para prototipado rápido e implementación en producción del controlador.