基于MCU的闭环控制系统的设计与相关技术介绍.doc
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1、基于MCU的闭环控制系统的设计与相关技术介绍控制回路是许多基于MCU的设计执行的最基本任务之一。这些设计通常无法充分利用现代MCU中可用的关键特性和外围设备来最有效地实现闭环控制系统。定时器和中断控制器通常用于这些系统,但在实现控制系统时,其他一些功能,如DMA,高级模数转换器和专用数学函数,往往被忽略了很多次。本文将快速回顾有效的基于MCU的闭环控制系统的一些关键要求。将使用一些示例MCU来说明用于提高效率的常用技术。一旦您了解了一些提高效率的常用技术,您就可以更好地寻找能够最佳地关闭下一个控制回路设计的实现。控制回路基础知识控制回路是用于控制动态系统的关键元素。动态系统可以是在输入和输出之
2、间具有关系(通常建模为线性关系)的任何机械或电气系统。通常需要控制输出以使其保持在期望的操作“频带”内。例如,汽车中的自动巡航控制是这样一种系统,其中汽车的速度被设定在期望的水平,并且即使汽车遇到山坡,控制器也保持速度恒定。控制速度的算法利用控制回路,该控制回路应用输入(加速器上的压力),测量结果(速度)并根据需要调整输入以将速度保持在期望的水平。带有控制回路的简单单输入和单输出控制系统的框图如下图1所示。图1:块一个简单的动态控制系统控制回路图。在上面的框图中,动态系统的输入产生一个输出。输出由反馈传感器测量,测量的输出与参考(所需)输入进行比较。如果存在差异,系统控制器将使用结果错误修改系
3、统输入,以使系统输出更接近参考输入。系统控制器需要足够智能,以避免因错误管理的控制系统而导致的振荡和其他问题。假设动态系统是线性的(输出与输入成比例)并不像您想象的那样具有限制性,因为许多机械和电气系统确实以线性方式运行,或者可以很容易地“偏向”以在更复杂的传递函数的线性区域。使用MCU实现控制回路很容易理解为什么MCU是实现控制系统的主力。由于能够以非常高的性能速率(特别是相对于电机等机械系统的高性能速率)感测,计算和控制各种输入和输出,因此MCU是一种自然的控制元件。除了CPU的功能外,MCU中的许多智能外设还可以简化和高效地关闭控制回路。控制回路通常在动态系统的每次调整之间具有时序关系。
4、这个“循环时间”决定了调整的速度。如果循环时间与系统动力学(受控系统的时变性质)相关太长,则有效控制系统输出即使不是不可能也是困难的。振荡和“失控”错误可能会累积,使系统面临失败的危险,可能是非常戏剧性的。通常,MCU关闭环路的速度越快(处理输出传感器,确定任何参考误差,并调整系统输入),效果越好。因此,高效的定时和计数是最佳关闭控制回路所需的关键功能,具有高级定时外设的MCU可以最佳地实现控制回路。例如,Silicon Labs EFM32LG360F64G-E-CSP81 MCU具有定时器/计数器外设,具有在控制环实现中有用的几个功能。除了闭环控制器的主循环定时器之外,通常还需要定时和计数
5、功能。让我们更详细地看一下EFM32LG计数器/定时器外设的框图(图2),看看它如何帮助实现图1所示的控制回路系统中的其他常用功能。图2:Silicon Labs EFM32LG MCU定时器/计数器框图(由Silicon Labs提供)。Timer/的一个有用功能计数器是通过图左侧的TIMn_CCn引脚计算来自外部源的转换的能力。当观察基于动态系统的测量输出产生转变的传感器时,这些输入可能是有用的。例如,基于位置测量的旋转测量通常在每次旋转时产生过渡。另请注意,图中上部有一个正交解码器模块,可用于类似的测量。当记录到达存储在Timern_TOP中的终端值时,记录的计数可用于触发中断以立即采取
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