【導(dǎo)讀】實(shí)時(shí)控制是閉環(huán)系統(tǒng)在定義的時(shí)間窗口內(nèi)收集數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)并更新系統(tǒng)的能力。作為文章“實(shí)時(shí)控制簡(jiǎn)介及其重要性”的續(xù)篇，本文將詳細(xì)介紹實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的第一個(gè)功能塊“檢測(cè)（收集）數(shù)據(jù)”，并針對(duì)如何通過關(guān)注特定傳感器參數(shù)來優(yōu)化實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)捕獲提供了三個(gè)技巧。
您可能需要監(jiān)控電機(jī)的位置和轉(zhuǎn)速、調(diào)節(jié)電動(dòng)汽車(EV)充電站的輸出功率，甚至需要測(cè)量車輛與其前方停車間的極近距離。無論什么應(yīng)用，對(duì)于閉環(huán)系統(tǒng)的安全和性能而言，傳感器速度、精度和可靠性等參數(shù)都至關(guān)重要。
技巧1：選擇可在定義的時(shí)間窗口中收集數(shù)據(jù)并進(jìn)行通信的傳感器。
在瞬息萬變的環(huán)境中，傳感器響應(yīng)、轉(zhuǎn)換和通信速度對(duì)于實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)至關(guān)重要。系統(tǒng)收集和處理數(shù)據(jù)的速度越快，更新輸出的速度就越快，從而可以保持穩(wěn)定性和效率。
我們看一個(gè)電動(dòng)汽車電池包的示例。在此示例中，40多個(gè)傳感器用于測(cè)量電芯溫度。這些傳感器提供的數(shù)據(jù)幫助維護(hù)電池的安全運(yùn)行并優(yōu)化充電效率。設(shè)計(jì)人員通常會(huì)面臨的難題是連接負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電纜會(huì)增加電動(dòng)汽車的重量和成本。
要解決這個(gè)難題，如圖1所示，您可以采用TI TMP1826溫度傳感器的單線協(xié)議，以便減少所需電纜數(shù)量、降低整體重量并提高車輛效率。
未來的電動(dòng)汽車有望成為能源來源，即在用電高峰或停電期間將存儲(chǔ)的電能返回電網(wǎng)。管理這種潛在的能量交換是電網(wǎng)集成的一個(gè)方面，這使得通信成為電動(dòng)汽車充電站的一項(xiàng)關(guān)鍵設(shè)計(jì)考量。無論是車輛充電點(diǎn)到電網(wǎng)，還是充電站到云端，前后端通信設(shè)計(jì)都必須滿足充電過程中的數(shù)據(jù)、功能安全與信息安全標(biāo)準(zhǔn)，如圖1所示。
圖1：減少電動(dòng)汽車電池溫度傳感器布線
不過，在一根總線上具有多個(gè)傳感器的情況下，要讓控制器可在定義的時(shí)間窗口中從每個(gè)溫度傳感器查詢新的溫度讀數(shù)，必須確保通信速度足夠快。值得慶幸的是，TMP1826等器件不僅支持傳統(tǒng)應(yīng)用所需的標(biāo)準(zhǔn)速度，還支持低延遲通信所需的具有90kbps數(shù)據(jù)速率的超速模式，使得實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)能夠正確更新每個(gè)電池模塊的電芯溫度。
技巧2：選擇高精度傳感器并遵循最佳實(shí)踐，以便盡量減少外部誤差。
實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)需要精確的反饋，而要實(shí)現(xiàn)這點(diǎn)的最簡(jiǎn)單方法就是使用高精度傳感器。假設(shè)有一個(gè)通過電機(jī)控制的系統(tǒng)，如圖2中的六軸機(jī)械臂或協(xié)作機(jī)器人。這些機(jī)器人需要精確的電機(jī)位置檢測(cè)和控制，才能確保組裝過程中的精確度和人機(jī)交互情況下的安全性。
如果能獲取更加準(zhǔn)確的電機(jī)位置，則可以減少機(jī)械容差。換句話說，位置傳感器越精確，設(shè)計(jì)裕度越大。借助TMAG5170等高精度霍爾效應(yīng)位置傳感器，您可以準(zhǔn)確監(jiān)控電機(jī)的位置，同時(shí)可以對(duì)任何角度變化做出快速響應(yīng)，以便實(shí)時(shí)控制處理單元可以對(duì)電機(jī)進(jìn)行重新定位。
圖2：多軸協(xié)作機(jī)器人
為實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量，必須遵循最佳設(shè)計(jì)實(shí)踐并考慮所有可能的誤差源（如系統(tǒng)的機(jī)械缺陷或與信號(hào)鏈相關(guān)的誤差）。如需了解在磁感應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)所需的精確角度反饋，請(qǐng)參閱實(shí)現(xiàn)超高系統(tǒng)角度感應(yīng)精度應(yīng)用手冊(cè)中的指南。
技巧3：基于產(chǎn)品任務(wù)剖面選擇可靠的傳感器。
傳感器的速度和精度是成功實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制的兩個(gè)關(guān)鍵因素。此外，要讓傳感器可以隨著時(shí)間的推移正常運(yùn)行，還必須考慮系統(tǒng)的壽命和運(yùn)行環(huán)境條件。例如，圖3中所示的衛(wèi)星不僅需要承受太空中強(qiáng)烈的物理振動(dòng)和大量輻射，還需要承受極端的溫度變化。
圖3：對(duì)于電子元件來說，太空的環(huán)境特別惡劣
在太空中進(jìn)行實(shí)時(shí)控制的一個(gè)示例是衛(wèi)星上的發(fā)電和配電系統(tǒng)。其中，電流檢測(cè)放大器用于監(jiān)測(cè)主電源軌輸入電流，從而檢測(cè)單粒子瞬變。一旦檢測(cè)到過流事件，處理器會(huì)進(jìn)行實(shí)時(shí)反應(yīng)，以便關(guān)閉電子子系統(tǒng)，防止造成損壞。
TI在INA901-SP和INA240-SEP等CSA產(chǎn)品中采用先進(jìn)技術(shù)，如增強(qiáng)型航天塑料和耐輻射封裝，可以在太空中保持高精度測(cè)量并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。如需了解更多信息，請(qǐng)參閱技術(shù)文章電流檢測(cè)放大器如何監(jiān)測(cè)衛(wèi)星的運(yùn)行狀況。
結(jié)語(yǔ)
檢測(cè)通常是指測(cè)量電壓、電流、電機(jī)轉(zhuǎn)速、位置、濕度和溫度等外部變量。要實(shí)現(xiàn)向控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)變化，傳感器的響應(yīng)時(shí)間、通信速度、精度和可靠性是至關(guān)重要的參數(shù)。
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