控制系統(tǒng)在當(dāng)今的嵌入式和工業(yè)應(yīng)用中非常重要，從小型手持設(shè)備到笨重的機(jī)械設(shè)備。大多數(shù)自動(dòng)控制系統(tǒng)使用負(fù)反饋來控制物理參數(shù)，例如位置、速度、扭矩、電壓、電流、強(qiáng)度等。
要控制的參數(shù)由傳感器感測(cè)并反饋到輸入以與參考值進(jìn)行比較。從參考輸入信號(hào)中減去采樣輸出信號(hào)稱為負(fù)反饋。差異信號(hào)（稱為“誤差”）然后被放大以驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（稱為“驅(qū)動(dòng)”），使輸出接近參考值。
換句話說，該系統(tǒng)旨在化誤差信號(hào)，因此是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。機(jī)電系統(tǒng)構(gòu)成了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中廣泛的領(lǐng)域，其中電機(jī)控制是一種常用的應(yīng)用。
通常，電機(jī)控制系統(tǒng)分為速度、位置或方向控制等子系統(tǒng)。讓我們從一個(gè)簡(jiǎn)單的速度控制系統(tǒng)開始，我們?cè)谄渲邢螂姍C(jī)施加恒定電壓 (V)。默認(rèn)情況下，任何電機(jī)在特定電源電壓 (V) 下都以特定速度 (x) 旋轉(zhuǎn)。如果以相同的電壓 (V) 向電機(jī)施加負(fù)載，則電機(jī)可能會(huì)減速至速度 (y)。因此，我們無法控制電機(jī)的速度或使電機(jī)在不受任何外部因素影響的情況下以恒定速度旋轉(zhuǎn)。這是一個(gè)開環(huán)系統(tǒng)。因此，我們需要一種反饋機(jī)制來感應(yīng)電機(jī)的速度并補(bǔ)償這些因素。
圖 1：控制電機(jī)速度的閉環(huán)系統(tǒng)
圖 1 顯示了一個(gè)閉環(huán)電機(jī)控制系統(tǒng)。在這里，運(yùn)動(dòng)控制器將從反饋系統(tǒng)獲得的信號(hào)與給定的實(shí)際輸入進(jìn)行比較，以獲得誤差信號(hào)，然后將其放大并應(yīng)用于電機(jī)。在這個(gè)系統(tǒng)中，運(yùn)動(dòng)控制器和放大器塊將校正因子饋送到電機(jī)可以通過混合信號(hào)控制器實(shí)現(xiàn)，光學(xué)旋轉(zhuǎn)編碼器可以用作傳感器，因?yàn)閬碜栽摻M件的輸出信號(hào)可以通過控制器輕松解碼. 下面提供了對(duì)這些系統(tǒng)塊中的每一個(gè)的進(jìn)一步解釋。
直流和步進(jìn)電機(jī)
電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。用于各個(gè)行業(yè)的一些常見電機(jī)包括：
直流電機(jī)： 簡(jiǎn)單的直流電機(jī)在軸上使用線圈繞組，帶有固定的永磁體（圖 2）。當(dāng)電壓 (V) 施加到線圈時(shí)，電流 (i) 流過它。由于存在磁場(chǎng) (B)，力 (F) 作用在線圈上（根據(jù)弗萊明斯右手定則），使其旋轉(zhuǎn)。一旦線圈到達(dá)永磁體的一個(gè)磁極，它就會(huì)受到排斥力并向另一個(gè)磁極移動(dòng)。這涉及連續(xù)旋轉(zhuǎn)，其速度由施加的直流電壓決定。
圖 2：直流電機(jī)的工作
步進(jìn)電機(jī)： 永磁步進(jìn)電機(jī)由永磁轉(zhuǎn)子、線圈繞組和導(dǎo)磁定子組成。
給線圈繞組通電會(huì)產(chǎn)生一個(gè)具有北極和南極的電磁場(chǎng)。定子攜帶磁場(chǎng)。可以通過順序激勵(lì)或“步進(jìn)”定子線圈來改變磁場(chǎng)，這會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
兩相電機(jī)的工作如圖 2所示。在步驟 1 中，兩相定子的 A 相通電。這會(huì)將轉(zhuǎn)子磁力鎖定在所示位置，因?yàn)楫悩O相吸。在步驟2中，A相關(guān)閉，B相開啟，使轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°。在第 3 步中，B 相開啟，但極性與第 1 步相反，導(dǎo)致另一個(gè) 90° 旋轉(zhuǎn)。在步驟4中，A相關(guān)閉，B相打開，極性與步驟2相反。重復(fù)此順序會(huì)使轉(zhuǎn)子以 90° 的步長(zhǎng)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。
在步進(jìn)電機(jī)中，電機(jī)旋轉(zhuǎn)的速度由執(zhí)行步驟 1 至 4 的速度決定。
圖 3：步進(jìn)電機(jī)的工作
旋轉(zhuǎn)編碼器
電機(jī)控制系統(tǒng)的下一部分是反饋傳感器，它可以檢測(cè)電機(jī)的狀態(tài)并將其反饋給控制器。旋轉(zhuǎn)編碼器是一種簡(jiǎn)單的機(jī)電設(shè)備，可以為其軸上的每一步旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生合適的脈沖。它可以分為兩種類型：編碼器和增量編碼器。
編碼器： 編碼器為電機(jī)軸的每個(gè)位置提供固定輸出。例如，如果編碼器可以在 0°（固定）、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°（總共 8 個(gè)位置 - 45° 分辨率）的角度檢測(cè)軸的位置，一個(gè) 3 位的值被分配給每個(gè)位置，比如從 000 到 111。
增量編碼器： 使用增量編碼器，只能確定電機(jī)的相對(duì)位置（即，只能確定相對(duì)于先前位置的旋轉(zhuǎn)方向和角度）。增量編碼器發(fā)出兩個(gè)信號(hào)，A 和 B，當(dāng)沒有旋轉(zhuǎn)時(shí)，這兩個(gè)信號(hào)都有一個(gè)默認(rèn)值，比如邏輯 0 或邏輯 1。當(dāng)軸上有一個(gè)小角度旋轉(zhuǎn)時(shí)，信號(hào) A 和 B 都轉(zhuǎn)換為其他邏輯持續(xù)時(shí)間很短，然后返回到默認(rèn)值。對(duì)于每次這樣的旋轉(zhuǎn)，A 和 B 信號(hào)都會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)換。根據(jù)旋轉(zhuǎn)方向，A 中的過渡會(huì)導(dǎo)致 B 中的過渡，反之亦然。圖 4 顯示了順時(shí)針和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的 A 和 B 信號(hào)。
圖 4：信號(hào) A 和 B 的轉(zhuǎn)換
旋轉(zhuǎn)編碼器還可以根據(jù)所使用的工作原理進(jìn)一步分類。他們是：
機(jī)械編碼器：信號(hào) A 和 B 的轉(zhuǎn)換在它們與金屬接地（邏輯 0）接觸時(shí)發(fā)生，一個(gè)接一個(gè)。
磁性編碼器：轉(zhuǎn)子隨軸轉(zhuǎn)動(dòng)，并在其圓周周圍包含交替且均勻分布的北極和南極。傳感器根據(jù)磁力線的方向檢測(cè)位置和旋轉(zhuǎn)方向的這些微小變化。
光學(xué)編碼器：來自發(fā)光二極管的光線穿過一個(gè)圓盤，該圓盤的軸附有透明和不透明部分。射線由兩個(gè)光電探測(cè)器（傳感器 A 和 B）檢測(cè)，然后產(chǎn)生四相脈沖 A 和 B。
圖 5 顯示了一個(gè)示例機(jī)械編碼器。
圖 5：機(jī)械旋轉(zhuǎn)編碼器
速度測(cè)量設(shè)備： 轉(zhuǎn)速表廣泛用于測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速。電機(jī)的軸連接到類似于直流發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速表（即，它從機(jī)械能中產(chǎn)生電能），輸出與電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度成比例的直流電壓（圖 6）。轉(zhuǎn)速計(jì)產(chǎn)生的電壓用于進(jìn)一步處理。
如今，許多設(shè)計(jì)人員正在轉(zhuǎn)向旋轉(zhuǎn)編碼器，因?yàn)樗鼈儠?huì)為每一圈旋轉(zhuǎn)生成數(shù)字輸出。它們也不會(huì)像轉(zhuǎn)速表那樣因磨損而退化。將旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出饋送到微控制器提供了一種直接的方法來監(jiān)視和控制以旋轉(zhuǎn)編碼器作為傳感器的電機(jī)的速度。
圖 6：連接旋轉(zhuǎn)編碼器與直流電機(jī)
運(yùn)動(dòng)控制器塊： 需要運(yùn)動(dòng)控制器將參考速度與實(shí)際速度進(jìn)行比較，并將誤差信號(hào)反饋給電機(jī)。由于上面討論的旋轉(zhuǎn)編碼器返回兩個(gè)正交相位信號(hào) A 和 B，我們需要實(shí)現(xiàn)邏輯來解碼這些信號(hào)并感測(cè)電機(jī)的當(dāng)前速度。通過計(jì)算感測(cè)速度與實(shí)際速度之間的差異，我們可以為電機(jī)提供一個(gè)校正因子，使其達(dá)到所需的速度。由于控制電機(jī)的電源可以控制其轉(zhuǎn)速，因此要提供的校正因子涉及對(duì)給定電源電壓進(jìn)行適當(dāng)?shù)碾妷盒Ｕ?br>
使用可編程 SoC 進(jìn)行電機(jī)控制
以下部分詳細(xì)描述了此速度控制應(yīng)用，其中賽普拉斯 PSoC 3/5 用作運(yùn)動(dòng)控制器。盡管可以使用許多控制器來執(zhí)行此操作，但 PSoC 包含靈活的可視化嵌入式設(shè)計(jì)方法，其中包括預(yù)配置、用戶定義的外設(shè)和分層原理圖條目。它還包括高精度可編程模擬模塊，包括 12 至 20 位 delta-sigma ADC、數(shù)字邏輯庫(kù)、電源管理和對(duì)電機(jī)控制應(yīng)用有用的連接資源。
如果我們打算解碼來自旋轉(zhuǎn)編碼器的信號(hào)并進(jìn)行進(jìn)一步處理，我們通常必須在普通微控制器中使用中斷例程，這會(huì)阻止在為該中斷例程提供服務(wù)時(shí)執(zhí)行其他功能。
對(duì)于可編程 SoC 設(shè)備，微控制器具有單獨(dú)的數(shù)字塊/硬件塊，可以解碼這些四相信號(hào)（A 和 B）并存儲(chǔ)當(dāng)前計(jì)數(shù)值（即自動(dòng)遞增和遞減）。
在反饋回路中，如果我們通過電機(jī)適配器將電機(jī)軸（其速度要測(cè)量）與旋轉(zhuǎn)編碼器的軸連接（這可能會(huì)給電機(jī)加載），編碼器的軸將以與電機(jī)相同的速度旋轉(zhuǎn)。這些編碼器的輸出可以饋送到 PSoC 3/5 中可用的正交解碼器模塊，以進(jìn)行進(jìn)一步處理以完整實(shí)現(xiàn)典型的電機(jī)控制系統(tǒng)。
電機(jī)控制應(yīng)用示例
電機(jī)相關(guān)應(yīng)用的常見要求之一是“速度測(cè)量”。如前所述，當(dāng)前計(jì)數(shù)值可以存儲(chǔ)在解碼器模塊中。使用這個(gè)，我們可以通過測(cè)量每分鐘的計(jì)數(shù)值來測(cè)量電機(jī)的速度，因?yàn)殡姍C(jī)的速度通常以每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)來測(cè)量。
例如，每分鐘后我們可以重置計(jì)數(shù)值，或者我們可以使用計(jì)數(shù)的差異進(jìn)行計(jì)算。無需等待一分鐘，甚至可以每秒測(cè)量計(jì)數(shù)值，然后乘以 60，盡管這可能無法提供與每分鐘測(cè)量所獲得的值一樣的值。因此，電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以計(jì)算為
公式 1
例如，假設(shè)我們需要將步進(jìn)電機(jī)的速度保持在 6000 rpm。考慮到一個(gè)開環(huán)系統(tǒng)，我們只需要一個(gè)控制器向步進(jìn)電機(jī)輸出方波信號(hào)，使其以 6000 rpm 的速度沿一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)。然而，當(dāng)我們給電機(jī)增加負(fù)載時(shí)，電機(jī)的速度會(huì)降低到它應(yīng)該運(yùn)行的實(shí)際值以下。因此，我們無法達(dá)到所需的速度，也無法調(diào)整它。
為了使速度保持在一個(gè)特定值而不考慮電機(jī)負(fù)載的變化，我們需要遵循閉環(huán)系統(tǒng)的原理。如前所述，我們使用旋轉(zhuǎn)編碼器來感測(cè)和反饋當(dāng)前轉(zhuǎn)速。我們對(duì)編碼器的選擇取決于旋轉(zhuǎn)速度和所需的速度精度。來自旋轉(zhuǎn)編碼器的信號(hào)使用 PSoC Creator 工具提供的四路解碼器模塊進(jìn)行解碼。
合適的時(shí)鐘頻率被路由到四路解碼器模塊，具體取決于電機(jī)每分鐘的旋轉(zhuǎn)數(shù)。例如，如果轉(zhuǎn)速為 9000 rpm，則轉(zhuǎn)換為每秒 150 轉(zhuǎn)。如果編碼器每轉(zhuǎn)一圈給出4個(gè)脈沖（編碼器特性），那么解碼模塊需要的時(shí)鐘頻率為150*4*10=6kHz（是A、B信號(hào)的10倍）。
由于我們需要每秒跟蹤計(jì)數(shù)值，我們可以每 1 秒產(chǎn)生一個(gè)中斷。在中斷服務(wù)例程中，我們可以捕獲計(jì)數(shù)寄存器值，然后將其清零（即，用于測(cè)量下一秒的速度），并使用等式 1 可以確定電機(jī)的速度。
兩個(gè)研究：PSoC 與 MCU 實(shí)施
以下兩個(gè)列出了直流電機(jī)的可能電源以及控制它的邏輯。
情況 1：使用相同的 PSoC 3/5 通過電流緩沖器驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。例如，如果直流電機(jī)的規(guī)格是在空載條件下使用 5 V 電源消耗 88 mA，我們可以連接 PSoC 的輸出3/5用直流電機(jī)通過一個(gè)電流驅(qū)動(dòng)電路，如圖7所示：
圖 7：通過 PSoC 驅(qū)動(dòng)的直流電機(jī)
雖然給出了恒定的 5V 直流電源，但電機(jī)按照此處的示例以全速（即 9000 rpm）旋轉(zhuǎn)。光學(xué)旋轉(zhuǎn)編碼器與電機(jī)一起以相同的速度旋轉(zhuǎn)，并且使用 PSoC 3/5 中的解碼器測(cè)量編碼器的輸出。現(xiàn)在微控制器檢測(cè)到速度為 9000 rpm，并將其與所需值（即 6000 rpm 或?qū)嶋H速度的 2/3 倍）進(jìn)行比較。校正響應(yīng)為 -3000 rpm（即，-1/3 倍于當(dāng)前提供給電機(jī)的電壓）。
這種電壓變化可以使用 PWM 來實(shí)現(xiàn)。通過改變 PWM 的占空比，可以改變平均電壓。PSoC Creator 中有一個(gè)拖放式 PWM 模塊。提供給 PWM 模塊的時(shí)鐘頻率取決于應(yīng)用所需的速度分辨率。
這里所需的占空比為 2/3。因此，PWM 模塊每個(gè)周期的平均輸出電壓為 5*2/3 = 3.33 V。PWM 模塊的輸出提供給連接到直流電機(jī)的電流驅(qū)動(dòng)電路。直流電機(jī)現(xiàn)在以所需的 6000rpm 速度旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)編碼器再次感應(yīng)速度，檢測(cè)到 6000 rpm，并將其反饋給控制器。現(xiàn)在誤差系數(shù)為 0。PWM 保持其先前的狀態(tài)，電機(jī)保持其速度。
假設(shè)向電機(jī)添加負(fù)載，雖然占空比保持在 2/3，但電機(jī)的速度下降到 5000 rpm。現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)編碼器檢測(cè)速度并將其饋送到 PSoC 3/5。現(xiàn)在，誤差因子為 +1000 rpm（即）原始/自由運(yùn)行速度的 1/9。因此，PWM 的占空比增加了 1/9 倍（當(dāng)前占空比 = 2/3+1/ 9 = 7/9)。該因數(shù)通過固件寫入 PWMDigital 塊。
2：直流電機(jī)通過 MCU 供電。如果直流電機(jī)通過另一個(gè)控制器供電，則 PSoC 控制器可用于通過 I2C 等接口將電機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)反饋給另一個(gè)控制器。如果直流電機(jī)通過外部電池供電，則可以通過圖 8 中所示的邏輯輕松控制其速度。PSoC 的 PWM 輸出可以饋送到開關(guān)，該開關(guān)將打開并以特定占空比切換電機(jī)電源使其符合與以前相同的標(biāo)準(zhǔn)。 |
