有效地關(guān)閉您的控制回路中的MCU為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)

控制回路的許多基于MCU的設(shè)計(jì)進(jìn)行最根本的任務(wù)之一。通常，這些設(shè)計(jì)未能采取的主要特點(diǎn)和現(xiàn)代MCU的外設(shè)提供給最充分利用有效地實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制系統(tǒng)。定時(shí)器和中斷控制器通常用在這些系統(tǒng)中，但一些其他功能，如DMA，先進(jìn)的模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器，以及專用數(shù)學(xué)函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)時(shí)，多次忽視。

本文將很快回顧一些高效的基于MCU的閉環(huán)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵要求。為提高效率的常用技術(shù)將使用一些例子的MCU來(lái)說(shuō)明。一旦你了解了一些提高效率，你可以更好地尋找，這將優(yōu)化關(guān)閉你的下一個(gè)控制環(huán)路的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)共同的技術(shù)。

控制環(huán)路的基本知識(shí)

控制回路控制動(dòng)力系統(tǒng)使用的關(guān)鍵要素。動(dòng)態(tài)系統(tǒng)可以是任何機(jī)械或電氣系統(tǒng)，其具有輸入和輸出之間的關(guān)系(通常建模為線性關(guān)系)。輸出通常需要以這樣的方式，以留在期望的操作“帶”進(jìn)行控制。例如，在自動(dòng)巡航控制的車內(nèi)是這樣的系統(tǒng)，其中汽車的速度被設(shè)定在所需的水平和控制器保持速度恒定即使汽車遇到的小山?？刂圃撍俣鹊乃惴ɡ眠m用的輸入(在加速器中的壓力)的控制回路，測(cè)量的結(jié)果(速度)，并調(diào)整，以維持該速度在所需水平的輸入。一個(gè)簡(jiǎn)單的單輸入單輸出控制系統(tǒng)，具有一控制環(huán)的框圖，示出在下面的圖1。

一個(gè)簡(jiǎn)單的動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)控制回路框圖

圖1：一個(gè)簡(jiǎn)單的動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)的控制回路的框圖。

另外，在上述程序框圖中輸入到動(dòng)態(tài)系統(tǒng)得到的輸出。的輸出由反饋傳感器測(cè)量和測(cè)得的輸出與參考(期望)的輸入。如果是有區(qū)別的，所使用的系統(tǒng)控制器所產(chǎn)生的誤差來(lái)修改系統(tǒng)的輸入，使系統(tǒng)輸出更接近基準(zhǔn)輸入。系統(tǒng)控制器需要足夠的智能，以避免振動(dòng)和可能導(dǎo)致的不正確的管理控制系統(tǒng)中的其他問(wèn)題。假定動(dòng)態(tài)系統(tǒng)是線性的(其中輸出是正比于輸入)不為限制性，因?yàn)槟憧赡軙?huì)認(rèn)為因?yàn)樵S多機(jī)電系統(tǒng)并操作以線性方式，或者可以很容易地“偏向”內(nèi)的操作一個(gè)更復(fù)雜的傳遞函數(shù)的線性區(qū)域。

用微控制器實(shí)現(xiàn)控制環(huán)路

這是很容易明白為什么MCU是主力實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)。與感測(cè)，計(jì)算和控制各種輸入和輸出，所有在非常高的性能率的能力(特別是在高性能的速率相對(duì)于機(jī)械系統(tǒng)，如電機(jī))MCU是一種天然的控制元件。除了CPU的能力，許多微控制器提供智能外設(shè)使關(guān)閉您的控制回路簡(jiǎn)單，高效。

控制回路通常有動(dòng)力系統(tǒng)的每次調(diào)整之間的時(shí)間關(guān)系。這種“循環(huán)時(shí)間”決定了調(diào)整的速度有多快可以做。如果循環(huán)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)在關(guān)系到系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)(受控系統(tǒng)的時(shí)變性質(zhì))這將是困難的，如果不是不可能有效地控制該系統(tǒng)的輸出。振蕩與“失控”的錯(cuò)誤可以累積，使系統(tǒng)在失敗的危險(xiǎn)，也許在一個(gè)非常戲劇性的性質(zhì)。在一般情況下，更快的MCU可關(guān)閉循環(huán)(處理輸出傳感器，確定任何參考誤差，并調(diào)整系統(tǒng)輸入)，就更好了。

有效的計(jì)時(shí)，計(jì)數(shù)因此需要優(yōu)化關(guān)閉控制環(huán)路和MCU具有先進(jìn)的定時(shí)外設(shè)可以最佳地實(shí)現(xiàn)控制回路的關(guān)鍵功能。例如，Silicon Labs的EFM32LG360F64G-E-CSP81 MCU有一個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器外圍有幾個(gè)特點(diǎn)在控制環(huán)路的實(shí)現(xiàn)是有用的。經(jīng)常定時(shí)和都需要在除了閉環(huán)控制器的主循環(huán)定時(shí)器功能計(jì)數(shù)。讓我們來(lái)看看EFM32LG計(jì)數(shù)器/定時(shí)器外設(shè)更詳細(xì)(圖2)的方框圖，看看它如何幫助實(shí)現(xiàn)圖1所示的控制回路系統(tǒng)中的其他常用功能。

Silicon Labs公司EFM32LG單片機(jī)的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器框圖

圖2：Silicon Labs公司EFM32LG單片機(jī)的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器框圖(Silicon Labs公司提供)。

在T / C中的一個(gè)有用的特點(diǎn)是，通過(guò)在TIMn_CCn銷上圖的左側(cè)計(jì)數(shù)從外部來(lái)源轉(zhuǎn)移的能力。觀察到產(chǎn)生基于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的測(cè)得的輸出躍遷傳感器時(shí)，這些輸入可以是有幫助的。例如，基于位置測(cè)量旋轉(zhuǎn)測(cè)量常常產(chǎn)生對(duì)每一圈的過(guò)渡。還要注意存在這樣可以用于類似測(cè)量的圖的上部中間的正交解碼器塊。計(jì)數(shù)的數(shù)目記錄的，當(dāng)他們到達(dá)存儲(chǔ)在Timern_TOP終端值可以用于觸發(fā)中斷立即采取行動(dòng)或者可以存儲(chǔ)以備將來(lái)處理。

定時(shí)器/計(jì)數(shù)器輸出，TIMn_CCn銷的右側(cè)圖中，可以使用脈沖寬度調(diào)制(PWM)方案共同用于控制輸入到動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。這些系統(tǒng)中的時(shí)間的信號(hào)是有效的涉及用于控制所希望的電壓或電流電平。精確地控制信號(hào)周期，信號(hào)為高電平時(shí)，邊緣過(guò)渡點(diǎn)都是至關(guān)重要的，并且可以在定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的PWM功能，有效地控制。具有三個(gè)獨(dú)立的PWM輸出也方便了通用電機(jī)控制應(yīng)用，其中三個(gè)分離繞組用于改變帶有紡絲電機(jī)相關(guān)聯(lián)的磁場(chǎng)。

智能外設(shè)控制

實(shí)現(xiàn)快速，高效的閉環(huán)反饋的時(shí)候經(jīng)常需要使用的智能外設(shè)，從高功耗CPU和程序存儲(chǔ)器塊卸載處理。如果外圍設(shè)備可以從CPU獨(dú)立地進(jìn)行操作，這可以讓CPU執(zhí)行其它更復(fù)雜的處理任務(wù)或甚至在低功率狀態(tài)，以等待，直到處理是必需的。一些先進(jìn)的微控制器具有可以使用的外圍設(shè)備連接在一起，使沒(méi)有來(lái)自CPU干預(yù)要求配置自主操作的特殊的外圍控制系統(tǒng)。例如，瑞薩MCU R5F52108CDFM的RX210 MCU組的成員，有一個(gè)事件鏈路控制器(ELC)，用于連接和控制外圍設(shè)備輸出到外設(shè)投入自主操作。在ELC的框圖顯示在下面的圖3。

瑞薩RX210群?jiǎn)纹瑱C(jī)事件鏈路控制器框圖

圖3：瑞薩RX210群?jiǎn)纹瑱C(jī)事件鏈路控制器框圖(瑞薩提供)。

內(nèi)部外圍總線，在圖的左側(cè)，用于互連的外圍設(shè)備，在右側(cè)的圖所示。所有的外設(shè)，包括DMA控制器，數(shù)據(jù)傳送控制器(DTC)，和中斷控制器單元(ICU)可以用專門的控制，以自主啟動(dòng)基于中斷的外設(shè)連接，定時(shí)器比較的結(jié)果，或電平變化。多達(dá)59種的事件信號(hào)，可以連接到外設(shè)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，啟動(dòng)計(jì)時(shí)器，并開(kāi)始DMA或DTC傳送或任何其他所需的外圍設(shè)備。當(dāng)已設(shè)定作為觸發(fā)事件發(fā)生時(shí)，啟動(dòng)所選擇的模塊的動(dòng)作集。

多個(gè)操作的鏈可以啟動(dòng)，這樣復(fù)雜的操作，無(wú)需CPU干預(yù)來(lái)完成。例如，一個(gè)計(jì)時(shí)器可以發(fā)起一個(gè)模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換，并存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的轉(zhuǎn)換后的值。計(jì)數(shù)器可以保持的轉(zhuǎn)換次數(shù)的軌道，當(dāng)計(jì)數(shù)指示一個(gè)完整的數(shù)據(jù)集可進(jìn)行處理的CPU可能被中斷。時(shí)鐘振蕩器可以被CPU處理過(guò)程中，并自動(dòng)完成切換到更快的模式。通過(guò)使用ELC以最充分，許多在公共控制環(huán)路所需的感測(cè)功能可以非常迅速地完成，有效地使其易于實(shí)現(xiàn)快速循環(huán)時(shí)間，同時(shí)保持功率降至最低。

高效的計(jì)算

正如我們所看到的，使用智能和自主計(jì)數(shù)器/定時(shí)器和外設(shè)可以改善循環(huán)時(shí)間，降低功耗 - 無(wú)論是在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要方面。通常情況下，計(jì)算是需要在每個(gè)主控制系統(tǒng)塊來(lái)處理檢測(cè)時(shí)，比較，控制和操作被控制的系統(tǒng)所需要的數(shù)據(jù)。實(shí)際上，計(jì)算要求顯著地增加作為控制系統(tǒng)的效率，精度和長(zhǎng)的運(yùn)行壽命已成為重要的系統(tǒng)要求。先進(jìn)的算法用于實(shí)現(xiàn)控制回路現(xiàn)在使用的地方，往往需要增加精度浮點(diǎn)計(jì)算比例積分微分算法。如果高級(jí)計(jì)算中不支持的硬件，控制環(huán)路閉合，在所需的頻率變得非常難以實(shí)現(xiàn)。

MCU廠家理解需要先進(jìn)的處理能力，并已包括數(shù)字處理能力，即使在低端的MCU，可以加速所需復(fù)雜的計(jì)算閉環(huán)控制設(shè)計(jì)。高端微控制器通常包括專用硬件來(lái)加速所需的最精確控制應(yīng)用程序的浮點(diǎn)計(jì)算。飛思卡爾的Kinetis K60 MK61FN1M0VMD15 MK61FN1M0VM類的MCU采用32位ARM Cortex-M處理器與DSP指令和單精度浮點(diǎn)運(yùn)算單元，以加速所需的最復(fù)雜的控制算法，先進(jìn)的計(jì)算。 DSP的指令包括用于快速處理的較低分辨率的信號(hào)擴(kuò)展進(jìn)行快速處理的高精度信號(hào)，并且單指令多數(shù)據(jù)(SIMD)指令的單周期多累加(MAC)指令。硬件除法模塊，在短短2至12個(gè)周期運(yùn)行，加快普通縮放操作。

對(duì)于甚至更高的性能，一個(gè)雙核CPU可以使用，以便處理任務(wù)可以并行進(jìn)行。例如，德州儀器協(xié)奏曲微控制器，如F28M35H52，同時(shí)具有ARM Cortex-M3的32位CPU和德州儀器的TMS320C28x 32位CPU浮點(diǎn)性能。這款雙核微控制器的框圖如下圖4。

德州儀器的框圖F28M35x協(xié)奏曲MCU(點(diǎn)擊查看全尺寸)

圖4：德州儀器F28M35x協(xié)奏曲MCU框圖(德州儀器提供)。

基于ARM的MCU，在該圖的上部，可用于管理外設(shè)在協(xié)奏曲CPU可以被用于處理數(shù)據(jù)和控制管理系統(tǒng)。請(qǐng)注意，PWM定時(shí)器是緊密聯(lián)系在一起的協(xié)奏曲子系統(tǒng)因此很容易產(chǎn)生被輸入到控制系統(tǒng)所需的復(fù)雜波形。這種類型的雙核CPU之間的專業(yè)化可能是重要的尋找，當(dāng)你的應(yīng)用程序易于分離算法。如果你只是需要更多的處理能力為一個(gè)單一的算法或要求雙CPU步調(diào)一致運(yùn)行的可靠性更高，均勻的雙CPU，具有相同的處理子系統(tǒng)，如德州儀器大力神令吉的ARM Cortex-R4 MCU可能是更好的選擇。閉環(huán)控制系統(tǒng)用于高可靠性應(yīng)用程序可以使用的非均相雙CPU執(zhí)行的內(nèi)置冗余一種更有效和可靠的設(shè)計(jì)。

結(jié)論

有效地關(guān)閉您的控制環(huán)在基于MCU的設(shè)計(jì)不一定是充滿了審判和錯(cuò)誤的方法尋找最佳的實(shí)現(xiàn)。使用現(xiàn)代MCU的所有先進(jìn)功能正?？梢詭椭鷦?chuàng)建更高效​​，更快速更系統(tǒng)的方式，更低的功耗和更具成本效益的控制系統(tǒng)解決方案。