消費者每天都會與各種各樣的系統打交道，這些系統根據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，外界條件（司機）踩下油門即增加車速，則系統實現了所謂的“實時控制”。實時控制是閉環(huán)系統在定義的時間窗口內收集數據、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的功能塊，并以機器人應用為例進行說明。

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。實時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（更新系統）（見圖 1）。

圖 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。這些關鍵參數需要準確且精密的測量，以便在特定時間點為系統提供可靠的數據。

中央處理單元將控制技術應用于輸入數據，以便計算下一個輸出命令。微控制器 (MCU) 或控制器（比如 C2000 實時 MCU、基于 Sitara Arm 的 MCU、集成式無刷直流電機驅動和直流/直流控制器）具有出色的處理能力，有助于確保系統滿足通常為數微秒到數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，從而控制輸出。改變驅動電力電子系統的脈寬調制器 (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、隔離式柵極驅動器和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）實現系統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，然后根據比較結果，調整發(fā)送至電機的 PWM 信號。此外，為滿足系統的精度和時間要求，整個過程需在幾微秒內完成。

圖 2：快速電流環(huán)路圖

實時控制也是實現高效可靠電源系統的基礎。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。

現代電機驅動系統的性能持續(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 的情況下實現低于 5μm 的精度。只有非常快的控制環(huán)路才能實現上述功能，這意味著信號測量和系統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場可編程門陣列、外部快速模數轉換器和多個 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。

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。它們還提供有硬件配置，支持系統設計人員在沒有 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，有助于實現更小、更可靠的實時控制系統。

審核編輯：湯梓紅