控制系統在當今的嵌入式和工業(yè)應用中非常重要，從小型手持設備到笨重的機械設備。大多數自動(dòng)控制系統使用負反饋來(lái)控制物理參數，例如位置、速度、扭矩、電壓、電流、強度等。
要控制的參數由傳感器感測并反饋到輸入以與參考值進(jìn)行比較。從參考輸入信號中減去采樣輸出信號稱(chēng)為負反饋。差異信號（稱(chēng)為“誤差”）然后被放大以驅動(dòng)系統（稱(chēng)為“驅動(dòng)”），使輸出接近參考值。
換句話(huà)說(shuō)，該系統旨在化誤差信號，因此是一個(gè)閉環(huán)控制系統。機電系統構成了傳統控制系統中廣泛的領(lǐng)域，其中電機控制是一種常用的應用。
通常，電機控制系統分為速度、位置或方向控制等子系統。讓我們從一個(gè)簡(jiǎn)單的速度控制系統開(kāi)始，我們在其中向電機施加恒定電壓 (V)。默認情況下，任何電機在特定電源電壓 (V) 下都以特定速度 (x) 旋轉。如果以相同的電壓 (V) 向電機施加負載，則電機可能會(huì )減速至速度 (y)。因此，我們無(wú)法控制電機的速度或使電機在不受任何外部因素影響的情況下以恒定速度旋轉。這是一個(gè)開(kāi)環(huán)系統。因此，我們需要一種反饋機制來(lái)感應電機的速度并補償這些因素。
圖 1：控制電機速度的閉環(huán)系統
圖 1 顯示了一個(gè)閉環(huán)電機控制系統。在這里，運動(dòng)控制器將從反饋系統獲得的信號與給定的實(shí)際輸入進(jìn)行比較，以獲得誤差信號，然后將其放大并應用于電機。在這個(gè)系統中，運動(dòng)控制器和放大器塊將校正因子饋送到電機可以通過(guò)混合信號控制器實(shí)現，光學(xué)旋轉編碼器可以用作傳感器，因為來(lái)自該組件的輸出信號可以通過(guò)控制器輕松解碼. 下面提供了對這些系統塊中的每一個(gè)的進(jìn)一步解釋。
直流和步進(jìn)電機
電動(dòng)機將電能轉換為機械能。用于各個(gè)行業(yè)的一些常見(jiàn)電機包括：
直流電機： 簡(jiǎn)單的直流電機在軸上使用線(xiàn)圈繞組，帶有固定的永磁體（圖 2）。當電壓 (V) 施加到線(xiàn)圈時(shí)，電流 (i) 流過(guò)它。由于存在磁場(chǎng) (B)，力 (F) 作用在線(xiàn)圈上（根據弗萊明斯右手定則），使其旋轉。一旦線(xiàn)圈到達永磁體的一個(gè)磁極，它就會(huì )受到排斥力并向另一個(gè)磁極移動(dòng)。這涉及連續旋轉，其速度由施加的直流電壓決定。
圖 2：直流電機的工作
步進(jìn)電機： 永磁步進(jìn)電機由永磁轉子、線(xiàn)圈繞組和導磁定子組成。
給線(xiàn)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)�？梢酝ㄟ^(guò)順序激勵或“步進(jìn)”定子線(xiàn)圈來(lái)改變磁場(chǎng)，這會(huì )產(chǎn)生旋轉運動(dòng)。
兩相電機的工作如圖 2所示。在步驟 1 中，兩相定子的 A 相通電。這會(huì )將轉子磁力鎖定在所示位置，因為異極相吸。在步驟2中，A相關(guān)閉，B相開(kāi)啟，使轉子順時(shí)針旋轉90°。在第 3 步中，B 相開(kāi)啟，但極性與第 1 步相反，導致另一個(gè) 90° 旋轉。在步驟4中，A相關(guān)閉，B相打開(kāi)，極性與步驟2相反。重復此順序會(huì )使轉子以 90° 的步長(cháng)順時(shí)針旋轉。
在步進(jìn)電機中，電機旋轉的速度由執行步驟 1 至 4 的速度決定。
圖 3：步進(jìn)電機的工作
旋轉編碼器
電機控制系統的下一部分是反饋傳感器，它可以檢測電機的狀態(tài)并將其反饋給控制器。旋轉編碼器是一種簡(jiǎn)單的機電設備，可以為其軸上的每一步旋轉產(chǎn)生合適的脈沖。它可以分為兩種類(lèi)型：編碼器和增量編碼器。
編碼器： 編碼器為電機軸的每個(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，只能確定電機的相對位置（即，只能確定相對于先前位置的旋轉方向和角度）。增量編碼器發(fā)出兩個(gè)信號，A 和 B，當沒(méi)有旋轉時(shí)，這兩個(gè)信號都有一個(gè)默認值，比如邏輯 0 或邏輯 1。當軸上有一個(gè)小角度旋轉時(shí)，信號 A 和 B 都轉換為其他邏輯持續時(shí)間很短，然后返回到默認值。對于每次這樣的旋轉，A 和 B 信號都會(huì )發(fā)生轉換。根據旋轉方向，A 中的過(guò)渡會(huì )導致 B 中的過(guò)渡，反之亦然。圖 4 顯示了順時(shí)針和逆時(shí)針旋轉的 A 和 B 信號。
圖 4：信號 A 和 B 的轉換
旋轉編碼器還可以根據所使用的工作原理進(jìn)一步分類(lèi)。他們是：
機械編碼器：信號 A 和 B 的轉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：轉子隨軸轉動(dòng)，并在其圓周周?chē)惶媲揖鶆蚍植嫉谋睒O和南極。傳感器根據磁力線(xiàn)的方向檢測位置和旋轉方向的這些微小變化。
光學(xué)編碼器：來(lái)自發(fā)光二極管的光線(xiàn)穿過(guò)一個(gè)圓盤(pán)，該圓盤(pán)的軸附有透明和不透明部分。射線(xiàn)由兩個(gè)光電探測器（傳感器 A 和 B）檢測，然后產(chǎn)生四相脈沖 A 和 B。
圖 5 顯示了一個(gè)示例機械編碼器。
圖 5：機械旋轉編碼器
速度測量設備： 轉速表廣泛用于測量電機的轉速。電機的軸連接到類(lèi)似于直流發(fā)電機的轉速表（即，它從機械能中產(chǎn)生電能），輸出與電機旋轉速度成比例的直流電壓（圖 6）。轉速計產(chǎn)生的電壓用于進(jìn)一步處理。
如今，許多設計人員正在轉向旋轉編碼器，因為它們會(huì )為每一圈旋轉生成數字輸出。它們也不會(huì )像轉速表那樣因磨損而退化。將旋轉編碼器的輸出饋送到微控制器提供了一種直接的方法來(lái)監視和控制以旋轉編碼器作為傳感器的電機的速度。
圖 6：連接旋轉編碼器與直流電機
運動(dòng)控制器塊： 需要運動(dòng)控制器將參考速度與實(shí)際速度進(jìn)行比較，并將誤差信號反饋給電機。由于上面討論的旋轉編碼器返回兩個(gè)正交相位信號 A 和 B，我們需要實(shí)現邏輯來(lái)解碼這些信號并感測電機的當前速度。通過(guò)計算感測速度與實(shí)際速度之間的差異，我們可以為電機提供一個(gè)校正因子，使其達到所需的速度。由于控制電機的電源可以控制其轉速，因此要提供的校正因子涉及對給定電源電壓進(jìn)行適當的電壓校正。
使用可編程 SoC 進(jìn)行電機控制
以下部分詳細描述了此速度控制應用，其中賽普拉斯 PSoC 3/5 用作運動(dòng)控制器。盡管可以使用許多控制器來(lái)執行此操作，但 PSoC 包含靈活的可視化嵌入式設計方法，其中包括預配置、用戶(hù)定義的外設和分層原理圖條目。它還包括高精度可編程模擬模塊，包括 12 至 20 位 delta-sigma ADC、數字邏輯庫、電源管理和對電機控制應用有用的連接資源。
如果我們打算解碼來(lái)自旋轉編碼器的信號并進(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)執行其他功能。
對于可編程 SoC 設備，微控制器具有單獨的數字塊/硬件塊，可以解碼這些四相信號（A 和 B）并存儲當前計數值（即自動(dòng)遞增和遞減）。
在反饋回路中，如果我們通過(guò)電機適配器將電機軸（其速度要測量）與旋轉編碼器的軸連接（這可能會(huì )給電機加載），編碼器的軸將以與電機相同的速度旋轉。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)現典型的電機控制系統。
電機控制應用示例
電機相關(guān)應用的常見(jiàn)要求之一是“速度測量”。如前所述，當前計數值可以存儲在解碼器模塊中。使用這個(gè)，我們可以通過(guò)測量每分鐘的計數值來(lái)測量電機的速度，因為電機的速度通常以每分鐘轉數來(lái)測量。
例如，每分鐘后我們可以重置計數值，或者我們可以使用計數的差異進(jìn)行計算。無(wú)需等待一分鐘，甚至可以每秒測量計數值，然后乘以 60，盡管這可能無(wú)法提供與每分鐘測量所獲得的值一樣的值。因此，電機的轉速可以計算為
公式 1
例如，假設我們需要將步進(jìn)電機的速度保持在 6000 rpm�？紤]到一個(gè)開(kāi)環(huán)系統，我們只需要一個(gè)控制器向步進(jìn)電機輸出方波信號，使其以 6000 rpm 的速度沿一個(gè)方向旋轉。然而，當我們給電機增加負載時(shí)，電機的速度會(huì )降低到它應該運行的實(shí)際值以下。因此，我們無(wú)法達到所需的速度，也無(wú)法調整它。
為了使速度保持在一個(gè)特定值而不考慮電機負載的變化，我們需要遵循閉環(huán)系統的原理。如前所述，我們使用旋轉編碼器來(lái)感測和反饋當前轉速。我們對編碼器的選擇取決于旋轉速度和所需的速度精度。來(lái)自旋轉編碼器的信號使用 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，具體取決于電機每分鐘的旋轉數。例如，如果轉速為 9000 rpm，則轉換為每秒 150 轉。如果編碼器每轉一圈給出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信號的10倍）。
由于我們需要每秒跟蹤計數值，我們可以每 1 秒產(chǎn)生一個(gè)中斷。在中斷服務(wù)例程中，我們可以捕獲計數寄存器值，然后將其清零（即，用于測量下一秒的速度），并使用等式 1 可以確定電機的速度。
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(guò)電流緩沖器驅動(dòng)直流電機。例如，如果直流電機的規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用直流電機通過(guò)一個(gè)電流驅動(dòng)電路，如圖7所示：
圖 7：通過(guò) PSoC 驅動(dòng)的直流電機
雖然給出了恒定的 5V 直流電源，但電機按照此處的示例以全速（即 9000 rpm）旋轉。光學(xué)旋轉編碼器與電機一起以相同的速度旋轉，并且使用 PSoC 3/5 中的解碼器測量編碼器的輸出�，F在微控制器檢測到速度為 9000 rpm，并將其與所需值（即 6000 rpm 或實(shí)際速度的 2/3 倍）進(jìn)行比較。校正響應為 -3000 rpm（即，-1/3 倍于當前提供給電機的電壓）。
這種電壓變化可以使用 PWM 來(lái)實(shí)現。通過(guò)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的電流驅動(dòng)電路。直流電機現在以所需的 6000rpm 速度旋轉。旋轉編碼器再次感應速度，檢測到 6000 rpm，并將其反饋給控制器�，F在誤差系數為 0。PWM 保持其先前的狀態(tài)，電機保持其速度。
假設向電機添加負載，雖然占空比保持在 2/3，但電機的速度下降到 5000 rpm�，F在旋轉編碼器檢測速度并將其饋送到 PSoC 3/5�，F在，誤差因子為 +1000 rpm（即）原始/自由運行速度的 1/9。因此，PWM 的占空比增加了 1/9 倍（當前占空比 = 2/3+1/ 9 = 7/9)。該因數通過(guò)固件寫(xiě)入 PWMDigital 塊。
2：直流電機通過(guò) MCU 供電。如果直流電機通過(guò)另一個(gè)控制器供電，則 PSoC 控制器可用于通過(guò) I2C 等接口將電機的當前狀態(tài)反饋給另一個(gè)控制器。如果直流電機通過(guò)外部電池供電，則可以通過(guò)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(kāi)關(guān)，該開(kāi)關(guān)將打開(kāi)并以特定占空比切換電機電源使其符合與以前相同的標準。 |
