在實時控制系統中使用傳感器優化數據可靠性的3個技巧
2022-09-07 11:47:14 德州儀器實時控制是閉環系統在定義的時間窗口內收集數據、處理數據并更新系統的能力。作為文章“實時控制簡介及其重要性”的續篇，本文將詳細介紹實時控制系統的第一個功能塊“檢測（收集）數據”，并針對如何通過關注特定傳感器參數來優化實時控制系統的數據捕獲提供了三個技巧。
您可能需要監控電機的位置和轉速、調節電動汽車(EV)充電站的輸出功率，甚至需要測量車輛與其前方停車間的極近距離。無論什么應用，對于閉環系統的安全和性能而言，傳感器速度、精度和可靠性等參數都至關重要。
技巧1：選擇可在定義的時間窗口中收集數據并進行通信的傳感器。
在瞬息萬變的環境中，傳感器響應、轉換和通信速度對于實時控制系統至關重要。系統收集和處理數據的速度越快，更新輸出的速度就越快，從而可以保持穩定性和效率。
我們看一個電動汽車電池包的示例。在此示例中，40多個傳感器用于測量電芯溫度。這些傳感器提供的數據幫助維護電池的安全運行并優化充電效率。設計人員通常會面臨的難題是連接負溫度系數熱敏電阻的點對點電纜會增加電動汽車的重量和成本。
要解決這個難題，如圖1所示，您可以采用TI TMP1826溫度傳感器的單線協議，以便減少所需電纜數量、降低整體重量并提高車輛效率。
未來的電動汽車有望成為能源來源，即在用電高峰或停電期間將存儲的電能返回電網。管理這種潛在的能量交換是電網集成的一個方面，這使得通信成為電動汽車充電站的一項關鍵設計考量。無論是車輛充電點到電網，還是充電站到云端，前后端通信設計都必須滿足充電過程中的數據、功能安全與信息安全標準，如圖1所示。
圖1：減少電動汽車電池溫度傳感器布線
不過，在一根總線上具有多個傳感器的情況下，要讓控制器可在定義的時間窗口中從每個溫度傳感器查詢新的溫度讀數，必須確保通信速度足夠快。值得慶幸的是，TMP1826等器件不僅支持傳統應用所需的標準速度，還支持低延遲通信所需的具有90kbps數據速率的超速模式，使得實時控制系統能夠正確更新每個電池模塊的電芯溫度。
技巧2：選擇高精度傳感器并遵循最佳實踐，以便盡量減少外部誤差。
實時控制系統需要精確的反饋，而要實現這點的最簡單方法就是使用高精度傳感器。假設有一個通過電機控制的系統，如圖2中的六軸機械臂或協作機器人。這些機器人需要精確的電機位置檢測和控制，才能確保組裝過程中的精確度和人機交互情況下的安全性。
如果能獲取更加準確的電機位置，則可以減少機械容差。換句話說，位置傳感器越精確，設計裕度越大。借助TMAG5170等高精度霍爾效應位置傳感器，您可以準確監控電機的位置，同時可以對任何角度變化做出快速響應，以便實時控制處理單元可以對電機進行重新定位。
圖2：多軸協作機器人
為實現準確測量，必須遵循最佳設計實踐并考慮所有可能的誤差源（如系統的機械缺陷或與信號鏈相關的誤差）。如需了解在磁感應用中實現實時控制系統所需的精確角度反饋，請參閱實現超高系統角度感應精度應用手冊中的指南。
技巧3：基于產品任務剖面選擇可靠的傳感器。
傳感器的速度和精度是成功實現實時控制的兩個關鍵因素。此外，要讓傳感器可以隨著時間的推移正常運行，還必須考慮系統的壽命和運行環境條件。例如，圖3中所示的衛星不僅需要承受太空中強烈的物理振動和大量輻射，還需要承受極端的溫度變化。
圖3：對于電子元件來說，太空的環境特別惡劣
在太空中進行實時控制的一個示例是衛星上的發電和配電系統。其中，電流檢測放大器用于監測主電源軌輸入電流，從而檢測單粒子瞬變。一旦檢測到過流事件，處理器會進行實時反應，以便關閉電子子系統，防止造成損壞。
TI在INA901-SP和INA240-SEP等CSA產品中采用先進技術，如增強型航天塑料和耐輻射封裝，可以在太空中保持高精度測量并實現實時控制。如需了解更多信息，請參閱技術文章電流檢測放大器如何監測衛星的運行狀況。
結語
檢測通常是指測量電壓、電流、電機轉速、位置、濕度和溫度等外部變量。要實現向控制系統實時發送數據變化，傳感器的響應時間、通信速度、精度和可靠性是至關重要的參數。
