Vorsteuerung: Fortschrittliche Regelung und maximale Präzision für Laserdiodentreiber

In der Welt der Lasertechnologie ist Präzision entscheidend. Ob in der Medizintechnik, Forschung oder industriellen Anwendungen – die exakte und schnelle Regelung von Laserdioden ist unerlässlich, um stabile Leistung, Effizienz und Sicherheit zu gewährleisten. Die Laserdiodentreiber von Meerstetter Engineering setzen hier neue Massstäbe: Das innovative Feature der Vorsteuerung für PID-Regler führt zu einer deutlichen Verbesserung der Geschwindigkeit bei der Stromregelung - ohne teure Treiber, mit der Fähigkeit im Pikosekundenbereich zu regeln, kaufen zu müssen.

Die Vorsteuerung ermöglicht es, den Zielstrom bereits im Regelzyklus 1 anzufahren und nahezu verzögerungsfrei zu erreichen. Im Gegensatz zur herkömmlichen PID-Regelung, die auf iterativen Anpassungen basiert, arbeitet die Vorsteuerung mit einem vorausschauenden Ansatz und nutzt ein zuvor charakterisiertes Modell der Last. Diese Kombination aus Geschwindigkeit und Präzision macht den um die Vorsteuerung erweiterten PID-Regler besonders geeignet für anspruchsvolle Anwendungen mit hohen dynamischen Anforderungen – ein entscheidender Vorteil für die Kundinnen und Kunden von Meerstetter, die in der High-Tech-Industrie führend sind.

Mit der Vorsteuerung heben sich die Laserdiodentreiber von Meerstetter Engineering durch Effizienz, Zuverlässigkeit und Benutzerfreundlichkeit hervor und eröffnen neue Möglichkeiten für hochdynamische Anwendungen.

Grundlagen der Regelungstechnik: Vorsteuerung vs. PID-Regelung

Ein PID-Regler arbeitet rein reaktiv: Er misst kontinuierlich die Abweichung zwischen Ist- und Sollwert, berechnet auf Basis dieser Abweichung eine Korrektur und passt den Ausgang iterativ an. Dies führt zu Verzögerungen, insbesondere bei abrupten Änderungen des Sollwerts.
Die Vorsteuerung ergänzt diesen Ansatz durch vorausschauende Regelung:

Modellbasiert: Sie nutzt ein mathematisches Modell der Last (z. B. Strom-Spannungs-Kurve), um den benötigten Ausgangswert direkt zu berechnen und sofort einzustellen.
Geschwindigkeit: Da die Messung des Ausgangswerts nicht iterativ erfolgt, wird die Zielgrösse deutlich schneller erreicht.
Kombinierbarkeit: In vielen Anwendungen wird Vorsteuerung mit PID kombiniert. Die Vorsteuerung bringt das System schnell in die Nähe des Sollwerts, während die PID-Regelung kleine Abweichungen ausgleicht.

Mathematische Grundlagen

Die Vorsteuerung basiert auf der Lastkennlinie, die durch eine Funktion beschrieben und parametrisiert werden kann: V_out = ƒ (I_target)

Dabei ist V_out die Ausgangsspannung und I_target der Zielstrom. Die Funktion ƒ wird durch eine Lastcharakterisierung parametrisiert. Für unterschiedliche Lasttypen können folgende Modelle verwendet werden:

Lineares Modell

Lineare Lasten wie Widerstände

Nicht-lineares Modell

Shockley-Gleichung mit Längswiderstand; optimal für komplexere Lasten wie Laserdioden

Anstiegszeit und Abfallzeit bei der Vorsteuerung

Die Vorsteuerung kann die Anstiegszeit und Abfallzeit eines Laserdiodentreibers erheblich verkürzen. Ausserdem kann sie auch:

Die erforderliche Zeit für die Übertragung von Änderungen des Sollwerts auf die Ausgangsleistung verkürzen.
Überschwingungen und Unterschwingungen minimieren.

Definition:

Die Anstiegszeit ist die Zeit, die ein System benötigt, um von einem niedrigen Ausgangswert (z.B. 10 % des Zielwerts) auf einen höheren Wert (z.B. 90 % des Zielwerts) anzusteigen.
Die Abfallzeit ist die Zeit, die benötigt wird, um von einem hohen Wert (z.B. 90 %) auf einen niedrigen Wert (z.B. 10 %) zu fallen.

Technische Implementierung

Die praktische Anwendung der Vorsteuerung erfordert eine sorgfältige Konfiguration:

Lastcharakterisierung:

Über ein automatisches Charakterisierungsverfahren wird die Last im gewünschten Betriebsstrom-Bereich vermessen. Die resultierenden Parameter können durch den Benutzer mit nur zwei Mausklicks in der Steuerung gespeichert werden.

Parameteroptimierung:

Gain: Skaliert den Ausgangswert; typischerweise auf 100 % eingestellt, kann aber bei hochinduktiven Lasten reduziert werden, um ein Überschwingen zu vermeiden.
Slope Limit: Begrenzt die Steilheit der Änderung des Ausgangssignals. Dies ist in der Regel erforderlich, um ein Überschwingen zu verhindern.
PID Option: Diese Option ermöglicht die Verwendung eines reinen I-Reglers, was in Kombination mit der Vorsteuerung nützlich sein kann.
PID Freeze: Der PID-Regler läuft bei aktiviertem Ausgang standardmässig, was bei Steilheit der Vorsteuerung zu Überschwingen führen kann. Um dies zu verhindern, kann der PID-Regler während der Vorsteuerung eingefroren oder zurückgesetzt werden. Verfügbare Optionen sind: Off (PID immer aktiv), On (PID während der Vorsteuerung deaktiviert) und Reset (PID während der Vorsteuerung eingefroren und danach zurückgesetzt).
PID Kp, Ti and Td: Vorsteuer-PID-Parameter funktionieren wie normale PID-Parameter, sollten aber nicht direkt kopiert werden. Sie sind in der Regel weniger aggressiv, beginnen in der Nähe der Durchlassspannung der Diode und gleichen nur dynamische Abweichungen (z.B. Temperatur) aus.

Integration mit PID

Während die Vorsteuerung wie oben erwähnt die Hauptregelung übernimmt, gleicht der PID-Regler verbleibende Abweichungen aus.

Praktische Herausforderungen

Die Einführung der Vorsteuerung bringt auch Herausforderungen mit sich:

Betriebsbedingungen: Änderungen in Temperatur, Eingangsspannung oder Lastcharakteristik können die Genauigkeit der Vorhersage beeinträchtigen. Eine erneute Charakterisierung ist in solchen Fällen erforderlich.
Wiring-Induktivität: Lange oder ungeeignete Kabel können die Reaktionszeit verschlechtern und zu Überschwingen führen. Eine optimierte Verdrahtung ist essenziell.

Einrichten der Vorsteuerung

Schauen Sie sich das kurze Video unten an, um zu sehen, wie einfach es ist, die Vorsteuerungsfunktion mit unserer kostenlosen PC-Software einzurichten:

Beispiele und Anwendungsfälle

Die Kombination von Vorsteuerung und PID ermöglicht eine bis zu 10-mal schnellere Erreichung des Sollwerts im Vergleich zur alleinigen PID-Regelung. Dies ist besonders bei gepulsten Laseranwendungen oder bei Anwendungsfällen, bei denen eine sehr schnelle Anstiegszeit (<100 µs) erforderlich ist, von Vorteil. Zum Beispiel in der Materialbearbeitung oder Spektroskopie.

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Fazit

Das Feature der Vorsteuerung von Meerstetter Engineering ergänzt die klassische Regelungstechnik, indem sie Geschwindigkeit und Präzision in einem Modell vereint. In Kombination mit PID-Reglern liefert die Vorsteuerung besonders in hochdynamischen Anwendungen herausragende Ergebnisse. Mit Blick auf zukünftige Entwicklungen wird sie eine Schlüsselrolle in vielen industriellen und technologischen Bereichen spielen.

Machen Sie den nächsten Schritt

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Weitere Informationen zur Vorsteuerung für PID-Regler finden Sie auch im News-Artikel auf unserer Website.