基于MCU的閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與相關(guān)技術(shù)介紹

控制回路是許多基于MCU的設(shè)計(jì)執(zhí)行的最基本任務(wù)之一。這些設(shè)計(jì)通常無法充分利用現(xiàn)代MCU中可用的關(guān)鍵特性和外圍設(shè)備來最有效地實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制系統(tǒng)。定時(shí)器和中斷控制器通常用于這些系統(tǒng)，但在實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)時(shí)，其他一些功能，如DMA，高級(jí)模數(shù)轉(zhuǎn)換器和專用數(shù)學(xué)函數(shù)，往往被忽略了很多次。

本文將快速回顧有效的基于MCU的閉環(huán)控制系統(tǒng)的一些關(guān)鍵要求。將使用一些示例MCU來說明用于提高效率的常用技術(shù)。一旦您了解了一些提高效率的常用技術(shù)，您就可以更好地尋找能夠最佳地關(guān)閉下一個(gè)控制回路設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)。

控制回路基礎(chǔ)知識(shí)

控制回路是用于控制動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵元素。動(dòng)態(tài)系統(tǒng)可以是在輸入和輸出之間具有關(guān)系（通常建模為線性關(guān)系）的任何機(jī)械或電氣系統(tǒng)。通常需要控制輸出以使其保持在期望的操作“頻帶”內(nèi)。例如，汽車中的自動(dòng)巡航控制是這樣一種系統(tǒng)，其中汽車的速度被設(shè)定在期望的水平，并且即使汽車遇到山坡，控制器也保持速度恒定?？刂扑俣鹊?a href="http://srfitnesspt.com/v/tag/2562/" target="_blank">算法利用控制回路，該控制回路應(yīng)用輸入（加速器上的壓力），測(cè)量結(jié)果（速度）并根據(jù)需要調(diào)整輸入以將速度保持在期望的水平。帶有控制回路的簡(jiǎn)單單輸入和單輸出控制系統(tǒng)的框圖如下圖1所示。

圖1：塊一個(gè)簡(jiǎn)單的動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)控制回路圖。

在上面的框圖中，動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的輸入產(chǎn)生一個(gè)輸出。輸出由反饋傳感器測(cè)量，測(cè)量的輸出與參考（所需）輸入進(jìn)行比較。如果存在差異，系統(tǒng)控制器將使用結(jié)果錯(cuò)誤修改系統(tǒng)輸入，以使系統(tǒng)輸出更接近參考輸入。系統(tǒng)控制器需要足夠智能，以避免因錯(cuò)誤管理的控制系統(tǒng)而導(dǎo)致的振蕩和其他問題。假設(shè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)是線性的（輸出與輸入成比例）并不像您想象的那樣具有限制性，因?yàn)樵S多機(jī)械和電氣系統(tǒng)確實(shí)以線性方式運(yùn)行，或者可以很容易地“偏向”以在更復(fù)雜的傳遞函數(shù)的線性區(qū)域。

使用MCU實(shí)現(xiàn)控制回路

很容易理解為什么MCU是實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的主力。由于能夠以非常高的性能速率（特別是相對(duì)于電機(jī)等機(jī)械系統(tǒng)的高性能速率）感測(cè)，計(jì)算和控制各種輸入和輸出，因此MCU是一種自然的控制元件。除了CPU的功能外，MCU中的許多智能外設(shè)還可以簡(jiǎn)化和高效地關(guān)閉控制回路。

控制回路通常在動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的每次調(diào)整之間具有時(shí)序關(guān)系。這個(gè)“循環(huán)時(shí)間”決定了調(diào)整的速度。如果循環(huán)時(shí)間與系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)（受控系統(tǒng)的時(shí)變性質(zhì)）相關(guān)太長(zhǎng)，則有效控制系統(tǒng)輸出即使不是不可能也是困難的。振蕩和“失控”錯(cuò)誤可能會(huì)累積，使系統(tǒng)面臨失敗的危險(xiǎn)，可能是非常戲劇性的。通常，MCU關(guān)閉環(huán)路的速度越快（處理輸出傳感器，確定任何參考誤差，并調(diào)整系統(tǒng)輸入），效果越好。

因此，高效的定時(shí)和計(jì)數(shù)是最佳關(guān)閉控制回路所需的關(guān)鍵功能，具有高級(jí)定時(shí)外設(shè)的MCU可以最佳地實(shí)現(xiàn)控制回路。例如，Silicon Labs EFM32LG360F64G-E-CSP81 MCU具有定時(shí)器/計(jì)數(shù)器外設(shè)，具有在控制環(huán)實(shí)現(xiàn)中有用的幾個(gè)功能。除了閉環(huán)控制器的主循環(huán)定時(shí)器之外，通常還需要定時(shí)和計(jì)數(shù)功能。讓我們更詳細(xì)地看一下EFM32LG計(jì)數(shù)器/定時(shí)器外設(shè)的框圖（圖2），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。

圖2：Silicon Labs EFM32LG MCU定時(shí)器/計(jì)數(shù)器框圖（由Silicon Labs提供）。

Timer/的一個(gè)有用功能計(jì)數(shù)器是通過圖左側(cè)的TIMn_CCn引腳計(jì)算來自外部源的轉(zhuǎn)換的能力。當(dāng)觀察基于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的測(cè)量輸出產(chǎn)生轉(zhuǎn)變的傳感器時(shí)，這些輸入可能是有用的。例如，基于位置測(cè)量的旋轉(zhuǎn)測(cè)量通常在每次旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生過渡。另請(qǐng)注意，圖中上部有一個(gè)正交解碼器模塊，可用于類似的測(cè)量。當(dāng)記錄到達(dá)存儲(chǔ)在Timern_TOP中的終端值時(shí)，記錄的計(jì)數(shù)可用于觸發(fā)中斷以立即采取行動(dòng)，或者可以存儲(chǔ)以供將來處理。

定時(shí)器/計(jì)數(shù)器輸出，圖中右側(cè)的TIMn_CCn引腳，可以使用通用的脈沖寬度調(diào)制（PWM）方案來控制動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的輸入。在這些系統(tǒng)中，信號(hào)有效的時(shí)間與用于控制的所需電壓或電流水平有關(guān)。精確控制信號(hào)周期，信號(hào)高電平時(shí)間和邊沿轉(zhuǎn)換點(diǎn)都很關(guān)鍵，可以在定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的PWM功能內(nèi)有效控制。具有三個(gè)獨(dú)立的PWM輸出也便于常見的電機(jī)控制應(yīng)用，其中三個(gè)獨(dú)立的繞組用于改變與旋轉(zhuǎn)電機(jī)相關(guān)的磁場(chǎng)。

智能外設(shè)控制

實(shí)現(xiàn)快速有效的環(huán)路反饋時(shí)間通常需要使用智能外設(shè)來卸載高功率CPU和程序存儲(chǔ)器模塊的處理。如果外設(shè)可以獨(dú)立于CPU運(yùn)行，則可以允許CPU執(zhí)行其他更復(fù)雜的處理任務(wù)，甚至可以在低功耗狀態(tài)下等待，直到需要處理為止。一些高級(jí)MCU具有特殊的外圍控制系統(tǒng)，可通過將外圍設(shè)備連接在一起來配置自主操作，因此無需CPU干預(yù)。例如，瑞薩R5F52108CDFM MCU是RX210 MCU組的成員，它具有一個(gè)事件鏈路控制器（ELC），用于連接和控制外圍輸出到外設(shè)輸入，以實(shí)現(xiàn)自主操作。 ELC的框圖如下圖3所示。

圖3：瑞薩RX210群MCU事件鏈路控制器框圖（由瑞薩提供）。

圖中左側(cè)的內(nèi)部外圍總線用于互連外圍設(shè)備，如圖所示。圖的右側(cè)。所有外設(shè)，包括DMA控制器，數(shù)據(jù)傳輸控制器（DTC）和中斷控制器單元（ICU）都可以與專用控制器連接，以根據(jù)中斷，定時(shí)器比較結(jié)果或引腳轉(zhuǎn)換自動(dòng)激活外設(shè)。多達(dá)59種類型的事件信號(hào)可以鏈接到外設(shè)，以啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，啟動(dòng)定時(shí)器，并開始DMA或DTC傳輸或任何其他所需的外設(shè)。當(dāng)發(fā)生已設(shè)置為觸發(fā)的事件時(shí)，將啟動(dòng)為所選模塊設(shè)置的操作。

可以啟動(dòng)多個(gè)操作鏈，這樣就可以在沒有CPU干預(yù)的情況下完成復(fù)雜的操作。例如，計(jì)時(shí)器可以啟動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后的值存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中。計(jì)數(shù)器可以跟蹤轉(zhuǎn)換次數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)表明可以處理完整數(shù)據(jù)集時(shí)，CPU可能會(huì)被中斷。在CPU處理期間，時(shí)鐘振蕩器也可以自動(dòng)切換到更快的模式。通過充分利用ELC，可以非?？焖儆行У赝瓿沙Ｒ娍刂苹芈分兴璧脑S多傳感功能，從而可以輕松實(shí)現(xiàn)快速回路時(shí)間，同時(shí)將功率降至最低。

高效計(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)可以縮短循環(huán)時(shí)間并降低功耗 - 這兩者都是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要方面。通常，在每個(gè)主控制系統(tǒng)塊中需要計(jì)算以處理在感測(cè)，比較，控制和操作受控系統(tǒng)時(shí)所需的數(shù)據(jù)。實(shí)際上，隨著控制系統(tǒng)效率，精度和長(zhǎng)使用壽命成為重要的系統(tǒng)要求，計(jì)算要求急劇增加。用于實(shí)現(xiàn)控制回路的高級(jí)算法現(xiàn)在使用比例積分微分算法，其中通常需要浮點(diǎn)計(jì)算以提高精度。如果硬件不支持高級(jí)計(jì)算，則很難實(shí)現(xiàn)所需頻率的控制環(huán)閉合。

MCU制造商了解對(duì)高級(jí)處理能力的需求，并且即使在低端MCU上也包含了數(shù)字處理功能，可以加速復(fù)雜閉環(huán)控制設(shè)計(jì)所需的計(jì)算速度。高端MCU通常包括專用硬件，以加速最精確控制應(yīng)用所需的浮點(diǎn)計(jì)算。飛思卡爾Kinetis K60 MK61FN1M0VMD15 MK61FN1M0VM類MCU使用帶有DSP指令的32位ARM Cortex-M CPU和單精度浮點(diǎn)單元來加速最復(fù)雜控制算法所需的高級(jí)計(jì)算。 DSP指令包括用于快速處理高精度信號(hào)的擴(kuò)展單周期多累加（MAC）指令，以及用于更快處理低分辨率信號(hào)的單指令多數(shù)據(jù)（SIMD）指令。硬件分頻塊僅在2到12個(gè)周期內(nèi)工作，從而加速了常見的縮放操作。

為了獲得更高的性能，可以使用雙核CPU，以便可以并行完成處理任務(wù)。例如，德州儀器協(xié)奏曲微控制器，如F28M35H52，具有ARM Cortex-M3 32位CPU和具有浮點(diǎn)功能的Texas Instruments TMS320C28x 32位CPU。該雙核MCU的框圖如下圖4所示。

圖4：德州儀器F28M35x協(xié)同MCU單片機(jī)框圖（由德州儀器提供） ）。

基于ARM的MCU位于圖的上半部分，可用于管理外設(shè)，而Concerto CPU可用于處理數(shù)據(jù)和管理受控系統(tǒng)。請(qǐng)注意，PWM定時(shí)器與Concerto子系統(tǒng)緊密相關(guān)，可以輕松生成受控系統(tǒng)輸入所需的復(fù)雜波形。當(dāng)您的應(yīng)用程序具有易于分離的算法時(shí)，雙核CPU之間的這種專業(yè)化非常重要。如果您只需要單個(gè)算法需要更多處理能力，或者需要雙CPU以鎖步方式運(yùn)行以獲得更高的可靠性，那么具有相同處理子系統(tǒng)的同類雙CPU（如德州儀器Hercules RM4 ARM Cortex-R4 MCU）可能更適合。用于高可靠性應(yīng)用的閉環(huán)控制系統(tǒng)可以使用異構(gòu)雙CPU實(shí)現(xiàn)的內(nèi)置冗余來實(shí)現(xiàn)更高效和穩(wěn)健的設(shè)計(jì)。

結(jié)論

關(guān)閉控制在基于MCU的設(shè)計(jì)中有效地循環(huán)不需要充分利用反復(fù)試驗(yàn)方法來尋找最佳實(shí)現(xiàn)。更加系統(tǒng)化的方法可以正確使用現(xiàn)代MCU的所有高級(jí)功能，可以幫助您創(chuàng)建更高效，更快速，更低功耗和更具成本效益的控制系統(tǒng)解決方案。