消費(fèi)者每天都會(huì)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(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作,。以汽車為例，當(dāng)您踩下油門之后,，汽車幾乎瞬間加速,，也就是說(shuō),，踩完踏板即實(shí)現(xiàn)加速，這之間沒(méi)有明顯延遲,。
從汽車示例引出文章主題,，我們假設(shè)汽車是一個(gè)系統(tǒng)，外界條件（司機(jī)）踩下油門即增加車速,，則系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了所謂的“實(shí)時(shí)控制”,。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,。如果系統(tǒng)錯(cuò)過(guò)定義的時(shí)間窗口,，其穩(wěn)定性、精度和效率都會(huì)降低,?？刂颇芰ο陆悼赡軙?huì)影響系統(tǒng)性能；例如,，不能達(dá)到所需速度,，甚至過(guò)熱。本文將介紹實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的功能塊,，并以機(jī)器人應(yīng)用為例進(jìn)行說(shuō)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(yīng)與主控制環(huán)路共同發(fā)揮作用,。實(shí)時(shí)控制涉及的主要功能塊包括檢測(cè)（收集數(shù)據(jù)）,、控制（解釋并使用數(shù)據(jù)）和驅(qū)動(dòng)（更新系統(tǒng)）（見圖1）,。
圖 1：實(shí)時(shí)控制環(huán)路的主要功能塊
下面詳細(xì)介紹這些部分。
檢測(cè)是指測(cè)量電壓,、電流,、電機(jī)轉(zhuǎn)速或溫度等外部因素。這些關(guān)鍵參數(shù)需要準(zhǔn)確且精密的測(cè)量,，以便在特定時(shí)間點(diǎn)為系統(tǒng)提供可靠的數(shù)據(jù),。
中央處理單元將控制技術(shù)應(yīng)用于輸入數(shù)據(jù)，以便計(jì)算下一個(gè)輸出命令,。微控制器 （MCU）或控制器（比如 C2000?實(shí)時(shí)MCU,、基于Sitara? Arm?的MCU、集成式無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)和直流/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(shí)間窗口要求,。
驅(qū)動(dòng)將計(jì)算的輸出命令應(yīng)用于系統(tǒng)，從而控制輸出,。改變驅(qū)動(dòng)電力電子系統(tǒng)的脈寬調(diào)制器（PWM）單元的占空比就是一個(gè)驅(qū)動(dòng)示例,。有助于增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)性能的TI產(chǎn)品包括模擬驅(qū)動(dòng)器、隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器和具有集成柵極驅(qū)動(dòng)器的氮化鎵 （GaN） 場(chǎng)效應(yīng)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(wǎng)）實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與外部設(shè)備或內(nèi)部組件之間的及時(shí)通信。
以機(jī)器人為例,，實(shí)時(shí)控制可精確控制電機(jī)的位置和轉(zhuǎn)速,，機(jī)械臂定位精度在100?m以下。通過(guò)持續(xù)測(cè)量電機(jī)電流和電壓以及電機(jī)位置可實(shí)現(xiàn)這一精度級(jí),。處理單元將測(cè)量值與計(jì)算值進(jìn)行比較,，如圖2所示，然后根據(jù)比較結(jié)果,，調(diào)整發(fā)送至電機(jī)的PWM信號(hào),。此外，為滿足系統(tǒng)的精度和時(shí)間要求,，整個(gè)過(guò)程需在幾微秒內(nèi)完成,。
圖 2：快速電流環(huán)路圖
實(shí)時(shí)控制也是實(shí)現(xiàn)高效可靠電源系統(tǒng)的基礎(chǔ),。例如,，實(shí)時(shí)控制有助于使充電站保持穩(wěn)定的輸出功率，并調(diào)節(jié)流入汽車電池的電流,，從而保證電池壽命并避免過(guò)熱,。將實(shí)時(shí)控制與MCU和GaN等新技術(shù)相結(jié)合，可提高功率密度和效率,，有助于充分降低應(yīng)用的功率損耗,。
現(xiàn)代電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能持續(xù)提高,，因此對(duì)實(shí)時(shí)控制的要求也日益嚴(yán)格。例如,，高精度高速計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)械（控制磨床和車床等各種復(fù)雜機(jī)床的機(jī)械）可在轉(zhuǎn)速超過(guò) 20,000RPM的情況下實(shí)現(xiàn)低于5?m的精度,。只有非常快的控制環(huán)路才能實(shí)現(xiàn)上述功能,，這意味著信號(hào)測(cè)量和系統(tǒng)調(diào)整之間的延時(shí)時(shí)間通常不到1?s,。
鑒于高度時(shí)間敏感的計(jì)算需求，許多設(shè)計(jì)人員都采用了現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列,、外部快速模數(shù)轉(zhuǎn)換器和多個(gè)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 1?s 的時(shí)間內(nèi)執(zhí)行電流環(huán)路,，即快速電流環(huán)路,。通過(guò)在現(xiàn)代控制拓?fù)渲谐浞掷每焖匐娏鳝h(huán)路，設(shè)計(jì)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(jī)驅(qū)動(dòng)器,，還可進(jìn)一步降低成本,。 這類器件采用預(yù)編程、只需微調(diào)的無(wú)刷直流電機(jī)控制算法,，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段,，通過(guò)MCU的簡(jiǎn)單I2C接口配置集成的電擦除可編程只讀存儲(chǔ)器即可實(shí)現(xiàn)。它們還提供有硬件配置,，支持系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在沒(méi)有MCU的情況下調(diào)整電機(jī),。MCF8316集成了六個(gè)為電機(jī)提供電流的金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，實(shí)現(xiàn)了采用7mm x 5mm封裝的完整實(shí)時(shí)電機(jī)控制解決方案,。
實(shí)時(shí)控制是電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施,、電器、電動(dòng)和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車,、電力輸送,、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和機(jī)器人等應(yīng)用領(lǐng)域的重要組成部分。為進(jìn)一步提高響應(yīng)速度,，上述所有應(yīng)用需要不斷縮短執(zhí)行動(dòng)作的時(shí)間窗口,。TI全套的檢測(cè)、處理,、控制和通信技術(shù)可提供高電源效率和性能以及低延遲響應(yīng)時(shí)間,，有助于實(shí)現(xiàn)更小、更可靠的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng),。
