實時控制系統(tǒng)的功能塊介紹以及應(yīng)用說明

消費(fèi)者每天都會與各種各樣的系統(tǒng)打交道，這些系統(tǒng)根據(jù)外界條件進(jìn)行相應(yīng)動作。以汽車為例，當(dāng)您踩下油門之后，汽車幾乎瞬間加速，也就是說，踩完踏板即實現(xiàn)加速，這之間沒有明顯延遲。

從汽車示例引出文章主題，我們假設(shè)汽車是一個系統(tǒng)，外界條件（司機(jī)）踩下油門即增加車速，則系統(tǒng)實現(xiàn)了所謂的“實時控制”。實時控制是閉環(huán)系統(tǒng)在定義的時間窗口內(nèi)收集數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)并更新系統(tǒng)的能力。如果系統(tǒng)錯過定義的時間窗口，其穩(wěn)定性、精度和效率都會降低。控制能力下降可能會影響系統(tǒng)性能；例如，不能達(dá)到所需速度，甚至過熱。本文將介紹實時控制系統(tǒng)的功能塊，并以機(jī)器人應(yīng)用為例進(jìn)行說明。

系統(tǒng)組件之間的通信盡管不必參與系統(tǒng)控制，但也應(yīng)與主控制環(huán)路共同發(fā)揮作用。實時控制涉及的主要功能塊包括檢測（收集數(shù)據(jù)）、控制（解釋并使用數(shù)據(jù)）和驅(qū)動（更新系統(tǒng)）（見圖 1）。

圖 1：實時控制環(huán)路的主要功能塊

下面詳細(xì)介紹這些部分。

檢測是指測量電壓、電流、電機(jī)轉(zhuǎn)速或溫度等外部因素。這些關(guān)鍵參數(shù)需要準(zhǔn)確且精密的測量，以便在特定時間點為系統(tǒng)提供可靠的數(shù)據(jù)。

中央處理單元將控制技術(shù)應(yīng)用于輸入數(shù)據(jù)，以便計算下一個輸出命令。微控制器 (MCU) 或控制器（比如 C2000 實時 MCU、基于 Sitara Arm 的 MCU、集成式無刷直流電機(jī)驅(qū)動和直流/直流控制器）具有出色的處理能力，有助于確保系統(tǒng)滿足通常為數(shù)微秒到數(shù)毫秒的超短時間窗口要求。

驅(qū)動將計算的輸出命令應(yīng)用于系統(tǒng)，從而控制輸出。改變驅(qū)動電力電子系統(tǒng)的脈寬調(diào)制器 (PWM) 單元的占空比就是一個驅(qū)動示例。有助于增強(qiáng)驅(qū)動性能的 TI 產(chǎn)品包括模擬驅(qū)動器、隔離式柵極驅(qū)動器和具有集成柵極驅(qū)動器的氮化鎵 (GaN) 場效應(yīng)晶體管。

最后，確定性高速通信接口（例如快速串行接口或以太網(wǎng)）實現(xiàn)系統(tǒng)與外部設(shè)備或內(nèi)部組件之間的及時通信。

以機(jī)器人為例，實時控制可精確控制電機(jī)的位置和轉(zhuǎn)速，機(jī)械臂定位精度在100μm 以下。通過持續(xù)測量電機(jī)電流和電壓以及電機(jī)位置可實現(xiàn)這一精度級。處理單元將測量值與計算值進(jìn)行比較，如圖 2 所示，然后根據(jù)比較結(jié)果，調(diào)整發(fā)送至電機(jī)的 PWM 信號。此外，為滿足系統(tǒng)的精度和時間要求，整個過程需在幾微秒內(nèi)完成。

圖 2：快速電流環(huán)路圖

實時控制也是實現(xiàn)高效可靠電源系統(tǒng)的基礎(chǔ)。例如，實時控制有助于使充電站保持穩(wěn)定的輸出功率，并調(diào)節(jié)流入汽車電池的電流，從而保證電池壽命并避免過熱。將實時控制與 MCU 和 GaN 等新技術(shù)相結(jié)合，可提高功率密度和效率，有助于充分降低應(yīng)用的功率損耗。

現(xiàn)代電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的性能持續(xù)提高，因此對實時控制的要求也日益嚴(yán)格。例如，高精度高速計算機(jī)數(shù)控機(jī)械（控制磨床和車床等各種復(fù)雜機(jī)床的機(jī)械）可在轉(zhuǎn)速超過 20,000RPM 的情況下實現(xiàn)低于 5μm 的精度。只有非?？斓目刂骗h(huán)路才能實現(xiàn)上述功能，這意味著信號測量和系統(tǒng)調(diào)整之間的延時時間通常不到 1μs。

鑒于高度時間敏感的計算需求，許多設(shè)計人員都采用了現(xiàn)場可編程門陣列、外部快速模數(shù)轉(zhuǎn)換器和多個 MCU 的組合。但是 TI 的 C2000 MCU 和 Sitara 處理器可提高模擬集成度，從而在不到 1μs 的時間內(nèi)執(zhí)行電流環(huán)路，即快速電流環(huán)路。通過在現(xiàn)代控制拓?fù)渲谐浞掷每焖匐娏鳝h(huán)路，設(shè)計人員能夠以更低的成本開發(fā)尺寸更小、性能更高的系統(tǒng)。

使用完全集成式解決方案，比如 TI 的 MCF8316 電機(jī)驅(qū)動器，還可進(jìn)一步降低成本。這類器件采用預(yù)編程、只需微調(diào)的無刷直流電機(jī)控制算法，在系統(tǒng)設(shè)計階段，通過 MCU 的簡單 I2C 接口配置集成的電擦除可編程只讀存儲器即可實現(xiàn)。它們還提供有硬件配置，支持系統(tǒng)設(shè)計人員在沒有 MCU 的情況下調(diào)整電機(jī)。MCF8316 集成了六個為電機(jī)提供電流的金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，實現(xiàn)了采用 7mm x 5mm 封裝的完整實時電機(jī)控制解決方案。

實時控制是電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施、電器、電動和混合動力電動汽車、電力輸送、電機(jī)驅(qū)動和機(jī)器人等應(yīng)用領(lǐng)域的重要組成部分。為進(jìn)一步提高響應(yīng)速度，上述所有應(yīng)用需要不斷縮短執(zhí)行動作的時間窗口。TI 全套的檢測、處理、控制和通信技術(shù)可提供高電源效率和性能以及低延遲響應(yīng)時間，有助于實現(xiàn)更小、更可靠的實時控制系統(tǒng)。

審核編輯：湯梓紅