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消費者每天都會與評估周圍環境並採取相應行動的系統進行互動。對於車輛來說,踩下油門時,從踩下踏板到加速之間沒有明顯的延遲,車輛幾乎是瞬間加速。

將這個例子套用到本文的主題,如果車輛是系統,周圍環境踩下油門並輸出車速,表示系統正在執行所謂的「即時控制」。即時控制是閉合環路系統在定義出的時段內收集數據、處理數據並更新系統的能力。如果系統錯過所定義的時段,穩定性、精密度和效率都會下降。控制減弱可能會不利於系統性能;例如,並未達到必要的速度或甚至過熱。在本文中,我將解釋即時控制系統的功能區塊,並提供機器人應用的範例。

雖然不一定參與系統的控制,但與其他系統零組件的通訊也應該與主控制環路共存。即時控制中涉及的主要功能模組是感測 (收集數據)、控制 (解釋和使用數據) 和驅動 (更新系統) (圖 1)。

1:即時控制環路的主要功能區塊 

讓我們更深入瞭解這些零組件。

  • 感測是指對電壓、電流、馬達速度或溫度等外部因素進行的測量。這些關鍵參數需要準確和精確的測量,才能為系統提供在特定時間點發生的可靠數據。
  • 中央處理單元將控制技術運用於輸入數據,藉以計算下一個輸出命令。微控制器 (MCU) 或控制器 (例如 C2000Tm 即時 MCU採用 SitaraTm Arm® 的 MCU整合式無刷直流馬達驅動器和包含高處理能力的 DC/DC 控制器) 有助於確保系統滿足最小時段 — 通常在幾微秒到幾毫秒內。
  • 致動是將計算的輸出命令運用於系統以控制輸出。改變驅動電力電子系統的脈寬調變器 (PWM) 單元所達到的佔空比是驅動的範例。有助於增強驅動的 TI 產品包括類比驅動器、隔離式閘極驅動器具有整合式閘極驅動器的氮化鎵 (GaN) 場效應電晶體
  • 最後,確定性高速通訊介面,如快速串行介面或乙太網路,實現系統與外部裝置或內部零件之間的及時通訊

例如,在機器人技術中,即時控制可以精確控制馬達的位置和速度,以 <100 微米的準確度定位機器人手臂。透過持續測量馬達電流和電壓以及馬達位置,可以達到這種準確度。處理單元將測量值與計算值進行比較,如圖 2 所示。根據結果,處理單元調整到馬達的 PWM 訊號。整個過程需要在短短幾微秒內發生,才能滿足系統的準確度和時序需求。

2:快速電流環路圖

即時控制也是有效可靠供電系統的基礎。例如,即時控制有助於保持充電站的輸出功率穩定,並調節流入汽車電池的電流以維持壽命並避免過熱。將即時控制與 MCU 和 GaN 等新技術相結合,可以提高功率密度和效率,有助於盡可能減少應用中的功率損耗。

現代馬達驅動系統性能的持續提高,相對使即時控制的要求隨之增加。例如,高度快速和精確的計算機數控機器 (控制各種複雜機械的機器,例如磨床和車床) 可以在每分鐘旋轉超過 20,000 次的同時實現了小於 5 µm 的準確度。這種功能只有透過極快的控制環路才能實現,這表示訊號測量和系統調整之間的時間延遲通常在 <1 微秒內實現。

由於高度時間敏感的計算負擔,許多設計人員使用現場可程式編輯閘陣列、快速外部類比轉數位轉換器和多個 MCU 的組合。不過 TI 的 C2000 MCU 和 Sitara 處理器提供更高度的類比整合,因此能夠在 <1 微秒內執行電流環路,這就是所謂的快速電流環路在現代控制拓撲中利用快速電流環路,使設計人員能夠以更低的成本開發更小型、更高性能的系統。

也可以透過使用完全整合的解決方案 (例如 TI 的 MCF8316 馬達驅動器) 進一步降低成本。此類裝置具有預先程式編輯的無刷直流馬達控制演算法,只需要微調,即可透過來自 MCU 的簡單 I2C 介面在系統設計階段配置整合電子式可擦除可程式編輯唯讀記憶體來達成。此類裝置也有硬體配置,系統設計人員能夠在沒有 MCU 的情況下調整馬達。MCF8316 整合六個金屬氧化物半導體場效應電晶體,為馬達提供電流,藉此形成採用 7 mm x 5 mm封裝的完整即時馬達控制解決方案。

即時控制是電網基礎設施、電器、電動和混合動力汽車、電力輸送、馬達驅動和機器人等應用領域的重要組成部分。愈來愈需要滿足所有這些應用的較小執行時段,藉以實現更快的回應時間。TI 完整的感測、處理、控制和通訊技術產品組合可提供電源效率、性能和低延遲回應時間,因此實現更小、更可靠的即時控制系統。

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