在實時控制系統中使用傳感器優(yōu)化數據可靠性的 3 個技巧

實時控制是閉環(huán)系統在定義的時間窗口內收集數據、處理數據和更新系統的能力。作為文章的續(xù)篇，“什么是'實時控制'，為什么需要它？，“我將仔細研究實時控制系統的第一個功能塊 - 傳感（收集）數據 - 并提供有關如何通過關注某些傳感器參數來優(yōu)化實時控制系統的數據采集的三個技巧。

您可能正在監(jiān)控電機的位置和速度，調節(jié)電動汽車 （EV） 充電站的輸出功率，甚至測量車輛與前方停車之間的關閉距離。無論何種應用，閉環(huán)系統安全性和性能的重要變量包括傳感器速度、精度和可靠性。

提示 1：選擇在定義的時間范圍內收集和傳輸數據的傳感器。

傳感器響應、轉換和通信速度對于環(huán)境瞬息萬變的實時控制系統極為重要。系統收集和處理數據的速度越快，更新其輸出以保持穩(wěn)定性和效率的速度就越快。

讓我們看一下電動汽車電池組的例子，其中有 40 多個傳感器測量電池溫度。來自這些傳感器的數據有助于保持這些電池的安全運行并優(yōu)化充電效率。設計人員經常面臨的挑戰(zhàn)是，固定傳統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。

為了解決這一挑戰(zhàn)，如圖 1 所示，您可以采用 TI TMP1826 溫度傳感器中的單線協議來減少所需的電纜數量，從而減輕整體重量，從而提高車輛效率。
圖 1：減少 EV 電池溫度傳感器布線

但是，當一條總線上有多個傳感器時，重要的是要確保通信速度足夠快，以便控制器在定義的時間窗口內查詢每個溫度傳感器的新溫度讀數。值得慶幸的是，TMP1826 等器件既支持傳統應用的標準速度，也支持低延遲通信的 90 kbps 數據速率的過驅模式，使實時控制系統能夠正確更新每個電池模塊的電池溫度。

提示2：選擇準確的傳感器并遵循最佳實踐，以最大程度地減少外部錯誤。

實時控制系統需要精確的反饋，而實現這一目標的最簡單方法是使用精確的傳感器。考慮一個電機控制系統，如六軸機械臂或協作機器人，如圖2所示。這些機器人需要精確的電機位置傳感和控制，以確保裝配過程的精確性和在人機交互的情況下的安全性。

如果您更準確地知道電機的位置，則可以降低機械公差。換句話說，位置傳感器越精確，設計余量就越大。TMAG5170 等精密霍爾效應位置傳感器使您能夠準確監(jiān)控電機位置，同時快速響應任何角度變化，以便實時控制處理單元可以相應地重新定位電機。

為了 實現 準確 的 測量， 您 還 必須 遵循 最佳 設計 實踐， 并 考慮 所有 可能 的 誤差 源， 例如 系統 的 機械 缺陷 或 與 信號 鏈 相關 的 誤差。對于在磁感測應用中需要精確角度反饋的實時控制系統，請遵循應用筆記“實現最高的系統角度檢測精度”中的指南。

提示3：根據產品的任務配置文件選擇可靠的傳感器。

傳感器的速度和精度是成功進行實時控制的兩個關鍵，但您還必須考慮系統的使用壽命和環(huán)境操作條件，以確保傳感器隨著時間的推移正常運行。例如，圖3所示的衛(wèi)星不僅需要承受強烈的物理振動和太空中的大量輻射，還需要承受極端的溫度變化。

在衛(wèi)星上的發(fā)電和配電系統中發(fā)現了空間實時控制的一個例子，這些系統使用電流檢測放大器（CSA）來監(jiān)控其主電源軌輸入電流，以檢測單事件瞬變。檢測到過流事件后，處理器可以實時做出反應，關閉電子子系統并防止損壞。

TI 利用 CSA 產品（如 INA901-SP 和 INA240-SEP）中的空間增強塑料和抗輻射封裝等技術進步，保持高精度測量并實現空間實時控制。要了解更多信息，請查看技術文章“電流檢測放大器如何監(jiān)測衛(wèi)星健康狀況”。

結論

傳感通常是指測量外部變量，例如電壓、電流、電機速度、位置、濕度和溫度。傳感器的響應時間、通信速度、準確性和可靠性是將數據更改實時發(fā)送到控制系統的重要參數。

審核編輯 黃宇