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        “實時控制”介紹及其重要性

        [ 熱門新聞 ] 實時控制 2022-07-15 13:15:41

        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)。

        ?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?C2000Tm實時MCU基于SitaraTm?Arm?MCU集成式無刷直流電機驅動直流/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產品包括模擬驅動器、隔離式柵極驅動器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)實現(xiàn)系統(tǒng)與外部設備或內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完成。

        ?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。只有非常快的控制環(huán)路才能實現(xiàn)上述功能,這意味著信號測量和系統(tǒng)調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)。

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