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“實(shí)時(shí)控制”介紹及其重要性

本文作者：德州儀器點(diǎn)擊： 2022-07-14 11:18

前言：

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(dòng)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(shí)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(gè)系統(tǒng)，外界條件（司機(jī)）踩下油門即增加車速，則系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了所謂的“實(shí)時(shí)控制”。實(shí)時(shí)控制是閉環(huán)系統(tǒng)在定義的時(shí)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(cuò)過定義的時(shí)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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(dòng)（更新系統(tǒng)）（見圖1）。

圖 1：實(shí)時(shí)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(shí)間點(diǎn)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(jì)算下一個(gè)輸出命令。微控制器 (MCU)或控制器（比如 C2000™實(shí)時(shí)MCU、基于Sitara™ Arm®的MCU、集成式無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(shí)間窗口要求。

• 驅(qū)動(dòng)將計(jì)算的輸出命令應(yīng)用于系統(tǒng)，從而控制輸出。改變驅(qū)動(dòng)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(gè)驅(qū)動(dòng)示例。有助于增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)性能的TI產(chǎn)品包括模擬驅(qū)動(dòng)器、隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器和具有集成柵極驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與外部設(shè)備或內(nèi)部組件之間的及時(shí)通信。

以機(jī)器人為例，實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)這一精度級。處理單元將測量值與計(jì)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(shí)間要求，整個(gè)過程需在幾微秒內(nèi)完成。

圖 2：快速電流環(huán)路圖

實(shí)時(shí)控制也是實(shí)現(xiàn)高效可靠電源系統(tǒng)的基礎(chǔ)。例如，實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(dòng)系統(tǒng)的性能持續(xù)提高，因此對實(shí)時(shí)控制的要求也日益嚴(yán)格。例如，高精度高速計(jì)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(shí)現(xiàn)低于5µm的精度。只有非常快的控制環(huán)路才能實(shí)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(shí)時(shí)間通常不到1µs。

鑒于高度時(shí)間敏感的計(jì)算需求，許多設(shè)計(jì)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(gè)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(shí)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(jì)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(dòng)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(jì)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(shí)現(xiàn)。它們還提供有硬件配置，支持系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在沒有MCU的情況下調(diào)整電機(jī)。MCF8316集成了六個(gè)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(shí)現(xiàn)了采用7mm x 5mm封裝的完整實(shí)時(shí)電機(jī)控制解決方案。

實(shí)時(shí)控制是電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施、電器、電動(dòng)和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車、電力輸送、電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)作的時(shí)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(shí)間，有助于實(shí)現(xiàn)更小、更可靠的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。

其他資源

• 參閱應(yīng)用手冊“使用 C2000 實(shí)時(shí)微控制器的基本開發(fā)指南”。

• 閱讀白皮書“面向工業(yè)自動(dòng)化的時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)”。

• 查看“實(shí)時(shí)控制參考指南”。

• 閱讀文章“MCU 如何發(fā)揮電氣化設(shè)計(jì)的全部潛能”。

• 查看在單個(gè) MCU 上使用快速電流環(huán)路 (FCL) 和 SFRA 的雙軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)參考設(shè)計(jì)。

關(guān)于德州儀器(TI)

德州儀器（TI）（納斯達(dá)克股票代碼：TXN）是一家全球性的半導(dǎo)體公司，致力于設(shè)計(jì)、制造、測試和銷售模擬和嵌入式處理芯片，用于工業(yè)、汽車、個(gè)人電子產(chǎn)品、通信設(shè)備和企業(yè)系統(tǒng)等市場。我們致力于通過半導(dǎo)體技術(shù)讓電子產(chǎn)品更經(jīng)濟(jì)實(shí)用，創(chuàng)造一個(gè)更美好的世界。如今，每一代創(chuàng)新都建立在上一代創(chuàng)新的基礎(chǔ)之上，使我們的技術(shù)變得更小巧、更快速、更可靠、更實(shí)惠，從而實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體在電子產(chǎn)品領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，這就是工程的進(jìn)步。這正是我們數(shù)十年來乃至現(xiàn)在一直在做的事。欲了解更多信息，請?jiān)L問公司網(wǎng)站www.ti.com.cn。

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