如何實現(xiàn)更小、更可靠的實時控制系統(tǒng)

消費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)外界條件進行相應動作。以汽車為例，當您踩下油門之后，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，我們假設汽車是一個系統(tǒng)，外界條件（司機）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?？刂颇芰ο陆悼赡軙绊懴到y(tǒng)性能；例如，不能達到所需速度，甚至過熱。本文將介紹實時控制系統(tǒng)的功能塊，并以機器人應用為例進行說明。

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

下面詳細介紹這些部分。

檢測是指測量電壓、電流、電機轉速或溫度等外部因素。這些關鍵參數(shù)需要準確且精密的測量，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應用于輸入數(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驅動和直流/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。

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

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)與外部設備或內(nèi)部組件之間的及時通信。

以機器人為例，實時控制可精確控制電機的位置和轉速，機械臂定位精度在100μm以下。通過持續(xù)測量電機電流和電壓以及電機位置可實現(xiàn)這一精度級。處理單元將測量值與計算值進行比較，如圖2所示，然后根據(jù)比較結果，調(diào)整發(fā)送至電機的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。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等新技術相結合，可提高功率密度和效率，有助于充分降低應用的功率損耗。

現(xiàn)代電機驅動系統(tǒng)的性能持續(xù)提高，因此對實時控制的要求也日益嚴格。例如，高精度高速計算機數(shù)控機械（控制磨床和車床等各種復雜機床的機械）可在轉速超過 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，許多設計人員都采用了現(xiàn)場可編程門陣列、外部快速模數(shù)轉換器和多個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)代控制拓撲中充分利用快速電流環(huán)路，設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電機驅動器，還可進一步降低成本。 這類器件采用預編程、只需微調(diào)的無刷直流電機控制算法，在系統(tǒng)設計階段，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)設計人員在沒有MCU的情況下調(diào)整電機。MCF8316集成了六個為電機提供電流的金屬氧化物半導體場效應晶體管，實現(xiàn)了采用7mm x 5mm封裝的完整實時電機控制解決方案。

實時控制是電網(wǎng)基礎設施、電器、電動和混合動力電動汽車、電力輸送、電機驅動和機器人等應用領域的重要組成部分。為進一步提高響應速度，上述所有應用需要不斷縮短執(zhí)行動作的時間窗口。TI全套的檢測、處理、控制和通信技術可提供高電源效率和性能以及低延遲響應時間，有助于實現(xiàn)更小、更可靠的實時控制系統(tǒng)。
責任編輯：彭菁