在实时控制系统中使用传感器优化数据可靠性的 3 个技巧

实时控制是闭环系统在定义的时间窗口内收集数据、处理数据和更新系统的能力。作为文章的续篇，“什么是'实时控制'，为什么需要它？，“我将仔细研究实时控制系统的第一个功能块 - 传感（收集）数据 - 并提供有关如何通过关注某些传感器参数来优化实时控制系统的数据采集的三个技巧。

您可能正在监控电机的位置和速度，调节电动汽车 （EV） 充电站的输出功率，甚至测量车辆与前方停车之间的关闭距离。无论何种应用，闭环系统安全性和性能的重要变量包括传感器速度、精度和可靠性。

提示 1：选择在定义的时间范围内收集和传输数据的传感器。

传感器响应、转换和通信速度对于环境瞬息万变的实时控制系统极为重要。系统收集和处理数据的速度越快，更新其输出以保持稳定性和效率的速度就越快。

让我们看一下电动汽车电池组的例子，其中有 40 多个传感器测量电池温度。来自这些传感器的数据有助于保持这些电池的安全运行并优化充电效率。设计人员经常面临的挑战是，固定传统负温度系数热敏电阻的点对点电缆会增加电动汽车的重量和成本。

为了解决这一挑战，如图 1 所示，您可以采用 TI TMP1826 温度传感器中的单线协议来减少所需的电缆数量，从而减轻整体重量，从而提高车辆效率。
图 1：减少 EV 电池温度传感器布线

但是，当一条总线上有多个传感器时，重要的是要确保通信速度足够快，以便控制器在定义的时间窗口内查询每个温度传感器的新温度读数。值得庆幸的是，TMP1826 等器件既支持传统应用的标准速度，也支持低延迟通信的 90 kbps 数据速率的过驱模式，使实时控制系统能够正确更新每个电池模块的电池温度。

提示2：选择准确的传感器并遵循最佳实践，以最大程度地减少外部错误。

实时控制系统需要精确的反馈，而实现这一目标的最简单方法是使用精确的传感器。考虑一个电机控制系统，如六轴机械臂或协作机器人，如图2所示。这些机器人需要精确的电机位置传感和控制，以确保装配过程的精确性和在人机交互的情况下的安全性。

如果您更准确地知道电机的位置，则可以降低机械公差。换句话说，位置传感器越精确，设计余量就越大。TMAG5170 等精密霍尔效应位置传感器使您能够准确监控电机位置，同时快速响应任何角度变化，以便实时控制处理单元可以相应地重新定位电机。

为了 实现 准确 的 测量， 您 还 必须 遵循 最佳 设计 实践， 并 考虑 所有 可能 的 误差 源， 例如 系统 的 机械 缺陷 或 与 信号 链 相关 的 误差。对于在磁感测应用中需要精确角度反馈的实时控制系统，请遵循应用笔记“实现最高的系统角度检测精度”中的指南。

提示3：根据产品的任务配置文件选择可靠的传感器。

传感器的速度和精度是成功进行实时控制的两个关键，但您还必须考虑系统的使用寿命和环境操作条件，以确保传感器随着时间的推移正常运行。例如，图3所示的卫星不仅需要承受强烈的物理振动和太空中的大量辐射，还需要承受极端的温度变化。

在卫星上的发电和配电系统中发现了空间实时控制的一个例子，这些系统使用电流检测放大器（CSA）来监控其主电源轨输入电流，以检测单事件瞬变。检测到过流事件后，处理器可以实时做出反应，关闭电子子系统并防止损坏。

TI 利用 CSA 产品（如 INA901-SP 和 INA240-SEP）中的空间增强塑料和抗辐射封装等技术进步，保持高精度测量并实现空间实时控制。要了解更多信息，请查看技术文章“电流检测放大器如何监测卫星健康状况”。

结论

传感通常是指测量外部变量，例如电压、电流、电机速度、位置、湿度和温度。传感器的响应时间、通信速度、准确性和可靠性是将数据更改实时发送到控制系统的重要参数。

审核编辑 黄宇