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澳门太阳集团2007773官网:基于单片机的闭环控制系统的设计解决方案



节制回路是许多基于MCU的设计所履行的最基础的义务之一。平日这些设计中未充分使用的关键特性和外围设备在今世单片机最有效地实现闭环节制系统。准时器和中断节制器在这些系统中常常应用,但在实现节制系统时,许多其他功能,如DMA、高档模数转换器和专门的数学功能,经常被漠视。

本文将快速回首高效的基于单片机的闭环节制系统的一些关键要求。前进效率的常用技巧将应用一些例子阐明MCUs。一旦您懂得了一些前进效率的常用技巧,您就可以更好地探求实现最佳关闭下一个节制轮回设计的实现。

节制环根基

节制环是节制动态系统的关键元素。一个动态系统可所以任何机器或电气系统之间的关系(平日建模为输入和输出之间的线性关系)。输出平日必要以这样的要领节制,以维持在期望的操作“频带”内。例如,汽车的自动巡航节制便是这样一个系统,在这个系统中,汽车的速率设定在一个期望的水平上,纵然汽车碰着山坡,节制器也能维持车速不变。节制速率的算法应用一个节制环,它利用一个输入(油门上的压力),丈量结果(速率)并根据必要调剂输入以维持速率达到所需的水平。一个简单的单输入单输出节制系统的框图,带有节制回路,如图1所示。

图1:一个简单的动态节制系统节制回路框图。

在上面的方框图中,对动态系统的输入孕育发生一个输出。输出由反馈传感器丈量,并将丈量的输出与参考(期望)输入进行对照。假如存在差异,系统节制器会应用所孕育发生的差错来改动系统输入,使系统输出更靠近参考输入。系统节制器必要足够智能,以避免因为不精确治理的节制系统引起的振荡和其他问题。假设动态系统是线性的(输出与输入成比例)并不像你想的那样有限定,由于许多机器和电气系统因此线性要领运行的,或者很轻易“偏置”,在更繁杂的通报函数的线性区域内事情。

使用单片机实现节制回路

这是很轻易看到为什么MCU实现节制系统的主力。与意识、能力谋略、节制各类输入和输出,都在异常高的机能水平(分外是在高利率就像汽车机器系统)是一个自然的节制单元MCU。除了CPU的能力,在单片机的智能外设有许多让你闭环节制简单有效。

节制回路平日在动态系统的每次调剂之间有准时关系。这个“轮回光阴”抉择了调剂的速率。假如轮回光阴过长与系统动力学(受控系统的时变特点)相关,那么很难弗成能有效地节制系统输出。振荡和掉控的差错会累积,使系统处于掉败的危险中,大概是一个异常戏剧性的性子。一样平常来说,MCU可以更快地关闭轮回(处置惩罚输出传感器,确定任何参考差错,并调剂系统输入),更好。

有效的准时和计数是以关键功能所必要的最佳关闭节制回路和MCU的先辈外设可以实现节制回路的最佳机会。例如,Silicon Labs efm32lg360f64g-e-csp81单片机准时/计数器周围有用节制回路实现的几个特征。除了闭环节制器的主回路准时器外,还必要准时和计数功能。让我们更具体的EFM32LG计数器/准时器外设的框图(图2)看,看它若何能赞助节制回路系统如图1所示的实施等常用功能。

图2:Silicon Labs EFM32LG单片机的准时器/计数器框图。

的准时器/计数器,一个有用的功能是从外部滥觞,经由过程左边的图的timn_ccn引脚数转换的能力。当察看基于动态系统的丈量输出时孕育发生转换的传感器时,这些输入是有赞助的。例如,基于位置丈量的扭转丈量经常在每次扭转时孕育发生转换。还留意到在图的上中心有一个正交解码器块,可以用于类似的丈量。记录的数量的计数,当达到存储在TImern_top终端值可用于触发中断,急速行动或可存储供今后处置惩罚。

准时器/计数器的输出,图中右侧TImn_ccn引脚,可以应用脉冲宽度调制(PWM)节制动态系统输入常用规划。在这些系统中,旌旗灯号活动的光阴与节制所需的电压或电流电平有关。对旌旗灯号周期、旌旗灯号高光阴和边缘转换点的正确节制都是关键的,并且可以有效地节制在准时器/计数器的PWM特点中。有三个零丁的PWM输出也便于通俗电机节制利用,此中三个零丁的绕组用于改变与扭转电机相关的磁场。

智能外设节制

实现快速而有效的环路反馈光阴平日必要应用智能外设来从大年夜功率CPU和法度榜样内存块中卸载处置惩罚。假如外围设备可以自力于澳门太阳集团2007773官网CPU操作,这就容许CPU履行其他更繁杂的处置惩罚义务,以致可以在低功耗状态劣等待,直到必要进行处置惩罚。一些先辈的MCU具有特殊的外围节制系统,可以用来连接外围设备一路从CPU没有干预的必要设置设置设备摆设摆设自立操作。例如,瑞萨MCU的单片机r5f52108cdfm,rx210集团的一员,有一个事故链接节制器(ELC)连接和节制外设输出为自立操作的外设输入。在ELC的框图如图3所示。

图3:瑞萨单片机rx210组事故链接节制器框图。

图左边的内部外围总线用于连接外围设备,如图右澳门太阳集团2007773官网侧所示。所有外设,包括DMA节制器、数据传输节制器(DTC)和中断节制器(ICU)都可以与专用控件连接,自立地基于中断、计时器对照结果或PIN转换激活外设。多达59种类型的事故旌旗灯号可以连接到外围设备以启动转换、启动计时器,并开始DMA或DTC传输或任何其他所需的外围设备。当已设置为触发器的事故发生时,将启动所选模块的操作集。

可以启动多个操作的链,以便在没有CPU干预的环境下完成繁杂的操作。例如,计时器可以启动存储在内存中的模数转换和转换值。计数器可以跟踪转换的数量,并且在计数注解可以处置惩罚完备数据集时CPU可以被中断。在CPU处置惩罚历程中,时钟振荡器可以自动切换到更快的模式。采纳ELC发挥到了极致,很多的传感功能中常见的节制回路的要求可以异常迅速和有效地使它轻易实现快速轮回次数的同时维持功率最小。

高效的谋略

正如我们所看到的,应用智能和自立计数器/准时器和外围设备可以改良环路光阴和低落功耗——这是节制系统设计中的两个紧张方面。平日,每一个主要节制系统块都必要谋略来处置惩罚在检测、对照、节制和操作被节制系统时所需的数据。事实上,跟着节制系统的效率、精度澳门太阳集团2007773官网和长的应用寿命,谋略需求急剧增添,已成为紧张的系统需求。实现节制回路的高档算法现在应用比例积分微分算法,浮点运算平日必要前进精度。假如硬件中不支持高档谋略,则在所需频率下节制环路闭合变得异常艰苦。

MCU厂商懂得先辈的加工能力的必要,包括数值处置惩罚能力,纵然在低端MCU可以加快繁杂的闭环节制设计所需的谋略。高端机平日澳门太阳集团2007773官网包括专用硬件加速浮点谋略最正确的节制利用的要求。飞思卡尔KineTIs K60单片机mk61fn1m0vmd15 mk61fn1m0vm类应用32位ARM Cortex-M处置惩罚器与DSP指令和单精度浮点运算单元的速率为最繁杂的节制算法,必要先辈的谋略。DSP指令包括扩展单周期多累积(MAC)指令,用于高精度旌旗灯号的快速处置惩罚,以及单指令多半据(SIMD)指令,以便更快地处置惩罚低分辨率旌旗灯号。硬件瓜分块只运行2到12个周期,加快了通俗的缩放操作。

为了得到更高的机能,可以应用双核CPU,以便并行处置惩罚澳门太阳集团2007773官网义务。例如,一个德克萨斯乐器协奏曲的单片机,如f28m35h52,兼具ARM Cortex-M3 32位CPU和德克萨斯文书中的32位CPU浮点能力TMS320C28X处置惩罚器。下面的图4显示了这种双核MCU的框图。

图4:德克萨斯仪器f28m35x协奏曲MCU框图。

基于ARM的MCU,在图的上部,可用于治理外围设备,而协奏曲CPU可用于处置惩罚数据和治理受节制的系统。请留意,PWM准时器与协奏曲子系统慎密相连,是以很轻易孕育发生由节制系统输入所需的繁杂波形。当利用法度榜样有轻易分离的算法时,双核CPU之间的这种类型化是很紧张的。假如你必要更多的处置惩罚能力为一个单一的算法或必要双CPU步调同等的高靠得住性,平均的双CPU,具有相同的处置惩罚子系统,如德克萨斯仪器cortex-r4大年夜力神RM4 ARM MCU可能是更好的选择。高靠得住性利用的闭环节制系统可以应用异构双CPU实现的内置冗余来前进效率和壮实性。

结论

在基于MCU的设计中,有效地关闭节制回路不必充溢考试测验和差错的措施来探求最佳实现。更系统的措施,采纳今世先辈的功能精确,MCU可以赞助你创建更高效,更快,更低的功耗,更有效的节制系统办理规划。

责任编辑:gt

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