作者 : 德州儀器 Bryan Padilla
即時控制是閉合環路系統在定義的時段內收集數據、處理數據，並更新系統的能力。做為文章《什麼是「即時控制」？為什麼需要它？》的續篇，我將仔細研究即時控制系統的第一個功能區塊：感測 (收集) 數據，並針對如何透過關注某些感測器參數來優化即時控制系統的數據擷取提供 3 項技巧。
您可能想要監測馬達的位置和速度、調節電動車 (EV) 充電站的輸出功率，或甚至測量車輛與停在前方的汽車之間的接近距離。無論是什麼應用，閉合迴路系統安全性和性能的重要變數包括感測器速度、準確度和可靠性。
提示 1：選擇在您定義的時段內收集和通訊數據的感測器。
對於環境快速變化的即時控制系統，感測器回應、轉換和通訊速度極為重要。系統收集和處理數據的速度愈快，更新輸出以保持穩定性和效率的速度就愈快。
以電動車電池組為例，其中有 40 多個感測器測量電池溫度。來自這些感測器的數據有助於維持這些電池的安全運作並優化充電效率。設計人員經常面臨的挑戰是，固定傳統負溫度係數熱敏電阻的點對點電纜會增加 EV 的重量和成本。
如圖 1 所示，為了解決這項挑戰，您可以採用 TI 的 TMP1826 溫度感測器中的單線通訊協定來減少所需的電纜數量，並減少整體重量，藉此提高車輛效率。
圖 1：減少 EV 電池溫度感測器接線
不過，當一個匯流排有多個感測器時，必須確保通訊速度夠快，控制器才能在界定的時段內向每個溫度感測器查詢新的溫度讀數。所幸，TMP1826 等裝置支援傳統應用的標準速度，並且支援達到 90-kbps 數據速率的超速模式，藉以實現低延遲通訊，即時控制系統即可正確更新每個電池模組的電池溫度。
提示 2：選擇準確的感測器並遵循最佳做法以盡可能減少外部錯誤。
即時控制系統需要精確的回饋，而達成這一點的最簡單方法是使用準確的感測器。考慮馬達控制系統，例如六軸機械臂或協作機器人，如圖 2 所示。這些機器人需要精確的馬達位置感測和控制，藉以確保組裝過程的準確度和人機互動時的安全性。
如果您更準確確定馬達的位置，則可以降低機械容差。換句話說，位置感測器愈準確，設計的容限愈多。TMAG5170 等精密霍爾效應位置感測器可供您準確監控馬達的位置，同時快速回應任何角度變化，以便即時控制處理單元可以隨之重新定位馬達。
圖 2：多軸協作機器人
為了達到準確的測量，您也必須遵循最佳設計做法並考量所有可能的誤差來源，例如系統的機械瑕疵或訊號鏈有關的誤差。對於在磁性感測應用中需要精確角度回饋的即時控制系統，請遵循應用附註「達到最高系統角度感測準確度」提供的準則。
提示 3：按照產品的任務概況選擇可靠的感測器。
感測器的速度和準確度是成功即時控制的兩個關鍵，不過您也必須考量系統的使用壽命和環境運作條件，藉以確保您的感測器隨著時間正常運作。例如，圖 3 所示的衛星不僅需要承受強烈的實體振動和太空中的大量輻射，也需要承受極端的溫度變化。
圖 3：太空對於電子元件來說是特別嚴苛的環境
太空即時控制的其中一例是在衛星的發電和配電系統，這套系統使用電流感測放大器 (CSA) 監控主輸電軌道輸入電流，藉以偵測單一事件瞬態。偵測到過電流事件時，處理器可以即時反應將電子子系統關閉並防止損壞。
TI 運用 INA901-SP 和 INA240-SEP 等 CSA 產品中的太空強化型塑膠封裝和輻射強化封裝等先進技術來保持高度準確的測量，並且在太空中進行即時控制。若要瞭解細節，請參閱技術文章「電流感測放大器如何監控衛星健全狀況」。
結論
感測通常是指對電壓、電流、馬達速度、位置、濕度和溫度等外部變數進行的測量。感測器的回應時間、通訊速度、準確度和可靠性是數據變化即時傳送到控制系統的重要參數。
