“實(shí)時(shí)控制”介紹及其重要性

消費者每天都會(huì )與各種各樣的系統打交道，這些系統根據外界條件進(jìn)行相應動(dòng)作。以汽車(chē)為例，當您踩下油門(mén)之后，汽車(chē)幾乎瞬間加速，也就是說(shuō)，踩完踏板即實(shí)現加速，這之間沒(méi)有明顯延遲。

從汽車(chē)示例引出文章主題，我們假設汽車(chē)是一個(gè)系統，外界條件（司機）踩下油門(mén)即增加車(chē)速，則系統實(shí)現了所謂的“實(shí)時(shí)控制”。實(shí)時(shí)控制是閉環(huán)系統在定義的時(shí)間窗口內收集數據、處理數據并更新系統的能力。如果系統錯過(guò)定義的時(shí)間窗口，其穩定性、精度和效率都會(huì )降低?？刂颇芰ο陆悼赡軙?huì )影響系統性能；例如，不能達到所需速度，甚至過(guò)熱。本文將介紹實(shí)時(shí)控制系統的功能塊，并以機器人應用為例進(jìn)行說(shuō)明。

系統組件之間的通信盡管不必參與系統控制，但也應與主控制環(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（收集數據）、控制（解釋并使用數據）和驅動(dòng)（更新系統）（見(jiàn)圖1）。

圖 1：實(shí)時(shí)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(guān)鍵參數需要準確且精密的測量，以便在特定時(shí)間點(diǎn)為系統提供可靠的數據。

● 中央處理單元將控制技術(shù)應用于輸入數據，以便計算下一個(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(wú)刷直流電機驅動(dòng)和直流/直流控制器）具有出色的處理能力，有助于確保系統滿(mǎn)足通常為數微秒到數毫秒的超短時(shí)間窗口要求。

● 驅動(dòng)將計算的輸出命令應用于系統，從而控制輸出。改變驅動(dòng)電力電子系統的脈寬調制器(PWM)單元的占空比就是一個(gè)驅動(dòng)示例。有助于增強驅動(dòng)性能的TI產(chǎn)品包括模擬驅動(dòng)器、隔離式柵極驅動(dòng)器和具有集成柵極驅動(dòng)器的氮化鎵 (GaN) 場(chǎng)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(shí)現系統與外部設備或內部組件之間的及時(shí)通信。

以機器人為例，實(shí)時(shí)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(guò)持續測量電機電流和電壓以及電機位置可實(shí)現這一精度級。處理單元將測量值與計算值進(jìn)行比較，如圖2所示，然后根據比較結果，調整發(fā)送至電機的PWM信號。此外，為滿(mǎn)足系統的精度和時(shí)間要求，整個(gè)過(guò)程需在幾微秒內完成。

圖 2：快速電流環(huán)路圖

實(shí)時(shí)控制也是實(shí)現高效可靠電源系統的基礎。例如，實(shí)時(shí)控制有助于使充電站保持穩定的輸出功率，并調節流入汽車(chē)電池的電流，從而保證電池壽命并避免過(guò)熱。將實(shí)時(shí)控制與MCU和GaN等新技術(shù)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。

現代電機驅動(dòng)系統的性能持續提高，因此對實(shí)時(shí)控制的要求也日益嚴格。例如，高精度高速計算機數控機械（控制磨床和車(chē)床等各種復雜機床的機械）可在轉速超過(guò) 20,000RPM的情況下實(shí)現低于5μm的精度。只有非?？斓目刂骗h(huán)路才能實(shí)現上述功能，這意味著(zhù)信號測量和系統調整之間的延時(shí)時(shí)間通常不到1μs。

鑒于高度時(shí)間敏感的計算需求，許多設計人員都采用了現場(chǎng)可編程門(mén)陣列、外部快速模數轉換器和多個(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)間內執行電流環(huán)路，即快速電流環(huán)路。通過(guò)在現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(kāi)發(fā)尺寸更小、性能更高的系統。

使用完全集成式解決方案，比如TI的 MCF8316電機驅動(dòng)器，還可進(jìn)一步降低成本。 這類(lèi)器件采用預編程、只需微調的無(wú)刷直流電機控制算法，在系統設計階段，通過(guò)MCU的簡(jiǎn)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。它們還提供有硬件配置，支持系統設計人員在沒(méi)有MCU的情況下調整電機。MCF8316集成了六個(gè)為電機提供電流的金屬氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管，實(shí)現了采用7mm x 5mm封裝的完整實(shí)時(shí)電機控制解決方案。

實(shí)時(shí)控制是電網(wǎng)基礎設施、電器、電動(dòng)和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)、電力輸送、電機驅動(dòng)和機器人等應用領(lǐng)域的重要組成部分。為進(jìn)一步提高響應速度，上述所有應用需要不斷縮短執行動(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時(shí)間，有助于實(shí)現更小、更可靠的實(shí)時(shí)控制系統。