实时控制系统的设计挑战

说起实时控制系统，大家也许无法给出严谨的定义，但是一定不会陌生。比如一踩油门或刹车，汽车马上就能无延迟地加速和减速；或者是在智能工厂中，机械臂及时精准地走位和工作——这些操作的背后都是实时控制系统在发挥作用。

对于实时控制系统，一种比较简单的理解就是：在规定的时间窗口内，完成一个闭环控制系统信号链的处理流程。如果超出或者错过了这个时间窗口，就会对系统的稳定性、精度、效率和可靠性带来不利的影响。

实时控制系统的设计挑战

典型的实时控制系统包括感知、处理、驱动和通信四个部分。

感知

通过准确而精密的测量，获取电压、电流、电机转速或温度等关键技术参数，以便在特定时间点为系统提供可靠的数据。

处理

将感知获取的数据输入主控单元进行计算和处理，进而及时得出决策的指令。优化的算力（包括硬件和软件资源）有助于确保系统能够满足数毫秒甚至数微秒超短时间窗口的实时性要求。

驱动

将经由计算得出的指令传输反馈给系统，作为控制输出驱动下一级电路或执行机构做出正确而快速的反应。通过调整脉宽调制器（PWM）单元的占空比去驱动电力电子器件，就是一个典型的驱动应用示例。

通信

通过高速通信接口（例如快速串行接口或以太网）实现系统内部组件之间或与外部设备之间的互联通信，尽管通信组件不直接参与系统控制，但在确保确定性和实时性方面也尤为关键。

图1：实时控制环路的主要功能块

（图源：TI）

电力电子系统是实时控制系统的一个典型的应用场景。在工业控制、新能源汽车、再生能源等应用的电源管理和电机控制系统中，实时控制是实现系统高效、可靠运行的基础。如果将实时控制与SiC和GaN等新型功率半导体技术相结合，对于提高功率密度和效率，尽可能地降低系统功损，实现节能减碳的目标将大有帮助。

而实现上述实时控制应用的目标，进一步提高控制系统的响应速度，就需要不断缩短执行动作的时间窗口。以现代电机驱动系统为例，今天高精度、高速度的数控机械可在转速超过20，000RPM的情况下实现低于5μm的精度，这就要求将信号测量和系统调整之间的延时控制在1μs以内，这样的设计要求对于实时控制系统是不小的挑战。

图2：一个机械臂实时控制系统快速电流环路示意

（图源：TI）

理想的实时控制器平台

想要在感知、处理、驱动和通信构成的整个实时系统中，实现更低的延迟，保证更高的性能、效率和可靠性，就需要有一个理想的技术平台作为支撑。Texas Instruments（以下简称TI）的C2000 实时微控制器就是一个理想的选择，其定位就是“可在工业和汽车应用中实现数字电源和电机控制的实时MCU”。

如上文所述，实时控制的关键就是尽可能缩短感知、处理和驱动控制所需的时间——也就是实时信号链的延迟。这一整个过程中，每一个环节的表现对于整体系统性能都至关重要。也就是说，实时MCU平台的设计不仅是简单地“压缩”主处理单元完成控制算法所需的时间，更是要对整个实时信号系统都进行优化。

C2000实时MCU在产品设计时，就充分考虑到了实时信号链中的各种要素。

图3：C2000实时MCU的主要特性

（图源：TI）

在感知方面，C2000的采样子系统集成了可将受控外部系统（模拟域）的状态转换为实时控制器所使用数据（数字域）所需的一系列模拟模块，包括：多个12或16位ADC、比较器、Σ-Δ解调器、正交编码器脉冲测量器（eQEP）和时间捕获（eCAP）等，它们能够确保C2000精准地采集到电压、电流等关键信号，即使在无需CPU干预的情况下，也能够迅速将这些信号交由主控MCU做处理。

图4：C2000集成的模拟功能支持精准高速感测

（图源：TI）

在处理方面，C2000实时MCU采用C28xDSP（数字信号处理器）内核作为主处理单元，支持32位浮点（部分器件支持64位浮点）或定点运算，具有专门为实时控制应用定制的指令；而且C2000优化的三角数学单元（TMU）扩展指令集可支持在变换和扭矩环路计算中常见的三角数学函数，以实现更高的处理效率。

同时，C2000中还集成了专精于实时代码处理的控制律加速器（CLA），可以实现基于状态机的32位浮点协处理器功能，能够独立于C28x内核运行C28x扩展指令，有利于为主CPU“减负”，使其有余力去完成其他系统任务；而Viterbi和CRC单元（VCU）也可以减少实时MCU复杂数学方程式运算的周期数，以加速整个实时处理的过程。

图5：C2000的实时处理功能

（图源：TI）

实时MCU中的驱动控制功能通常是通过脉宽调制（PWM）输出完成的，也可以通过片上数模转换器（DAC）的输出，或GPIO引脚来完成。C2000可支持多达32通道的高灵活性、高精度的PWM，最高控制精度（分辨率）可达150ps。而且C2000中的PWM与模拟外设是紧耦合的，比如比较器检测到过流保护就可以实现快速关断。开发者还可以利用C2000提供的可配置逻辑块（CLB）在硬件域的内部信号节点上运行的一组查找表和状态机逻辑，以实现更优的控制功能。

图6：C2000的PWM功能框图

（图源：TI）

在实时控制系统中，通信接口模块的集成和合理应用，可以提升数据的传输和利用的效率，尽可能地减少可能影响控制环路的资源开销。C2000支持各种业界主流的接口，包括以太网、CAN、CAN-FD、LIN、USB、FSI等，并在丰富的产品组合中提供不同的接口配置，方便开发者根据应用所需进行选择。

图7：C2000支持的通信接口

（图源：TI）

细心的小伙伴可能已经发现，上文在介绍四个主要功能时，提及了一个可配置逻辑块（CLB）的概念，这也是C2000在系统架构上值得称道的一大创新点。

CLB顾名思义，就是在C2000芯片的内部创建了一种灵活的自定义逻辑机制，用户可以利用其在MCU内部的硬件中添加个性化的定制逻辑电路。开发者利用CLB既可以增强现有子系统（如创建T-format绝对编码器接口或脉冲序列输出）；也可以创建新的子系统，为C2000增添全新的外设功能（如用CLB实现有源EMI滤波器，减少数字电源应用中的EMI）；还可以作为一些外围逻辑器件的替代，简化系统BOM（如自定义逻辑替换外部PWM保护电路）。这就使得C2000既保持了自身优势，又能够兼具FPGA等竞争性方案的特性，满足用户更多个性化的设计需求，在实时控制应用中凸显出竞争优势。

图8：C2000架构中的CLB集成

（图源：TI）

此外，作为MCU领域的资深“玩家”，TI深知一个完善的开发生态系统的重要性，因此在不断扩充芯片硬件产品线的同时，在开发工具、嵌入式软件、相关培训及专家支持等方面，一直与第三方合作伙伴联手深耕不辍，为开发者和用户输出丰富的资源。

图9：C2000丰富的设计生态资源

（图源：TI）

特别值得一提的是，很多实时系统都有功能安全设计与认证方面的要求。TI基于自身的经验和积累，在功能安全合规型产品、文档、软件以及咨询等方面可以为客户提供全面的支持，简化和加快ISO 26262、IEC 61508和IEC 60730认证流程，加速产品开发。这无疑也是一个很有吸引力的“增值”服务。

C2000中的明星产品

经过20多年的精心打磨，今天TI的C2000实时MCU已经发展成了一个庞大的产品家族，涵盖高中低不同性能等级和价位的产品，为客户的应用设计带来了极大的灵活性，也为开发者探索更多新兴的应用带来了极大的可扩展性。今天，我们就与大家分享几款C2000实时MCU中的明星产品。

图10：C2000实时MCU主要产品

（图源：TI）

TMS320F28002x 32位实时MCU

从图10中可以看到，TMS320F28002x是C2000实时MCU中的入门级产品，其基于32位C28x DSP内核，为通过片上闪存或SRAM运行的浮点或定点代码提供100MHz信号处理性能。三角函数数学单元（TMU）和VCRC（循环冗余校验）扩展指令集进一步增强了C28x CPU的性能，从而加快了实时控制系统关键常用算法的速度。

在模拟功能方面，该器件集成了与处理和PWM单元紧密耦合的高性能模拟模块，从而提供更佳的实时信号链性能。在驱动控制方面，14个PWM通道均支持与频率无关的分辨率模式，可控制从三相逆变器到高级多级电源拓扑的各种功率级。

TMS320F28002x集成了各种业界通用通信端口（如SPI、SCI、I2C、PMBus、LIN和CAN），不仅支持广泛的连接，还提供了多个引脚复用选项，可实现出色的信号布局。同时，快速串行接口（FSI）可跨隔离边界实现高达200Mbps的稳健通信。

该实时MCU还提供符合AEC-Q100认证的TMS320F28002x-Q1车规级产品，可以很好地满足汽车实时控制的设计要求。

图11：TMS320F28002x功能框图

（图源：TI）

TMS320F2838x 32位实时MCU

TMS320F2838x是C2000家族中的中高阶产品，其采用了双核C28x架构，提供200MHz的主频，具有三角函数加速器（TMU）和VCRC（循环冗余校验）扩展指令集。

TMS320F2838x中还集成了两个CLA实时控制协处理器，会对外设触发器作出响应，并与主C28x CPU同时执行代码。这种并行处理功能可大幅提升实时控制系统的计算性能，并减轻主C28x CPU的负荷，使其可以执行通信和诊断等其他任务。这种双“C28x + CLA”架构支持在各种系统任务之间进行智能分区，如一个C28x + CLA内核可以跟踪速度和位置，而另一个C28x + CLA内核可用于控制扭矩和电流环路，十分灵活和高效。

在通信接口方面，TMS320F2838x加入了EtherCAT从站控制器，以及其他业界通用协议（如CAN-FD和USB 2.0），同样支持200Mbps的FSI通信。该器件还包含一个基于ARM Cortex-M4的独立连接管理器（CM），以125MHz主频运行，借助其专用的闪存和SRAM，完全独立地控制TMS320F2838x的接口，从而让C28x DSP可以将更多的资源投入到实时控制处理中。

在高性能模拟和驱动控制外设方面，TMS320F2838x的主要功能包括：32个与频率无关的PWM通道，提供多功率级控制；四个独立16位ADC，可准确、高效地管理多个模拟信号，提高系统吞吐量；Σ-Δ滤波器模块（SDFM）与Σ-Δ调制器搭配使用，可实现隔离式电流分流测量；借助带窗口比较器的比较器子系统（CMPSS），可在超过或不符合电流限制条件时保护功率级；此外还包括DAC、eCAP、eQE等其他外设。

TMS320F2838x-Q1是该产品系列中的车规级器件，符合汽车应用类AEC-Q100认证。

图12：TMS320F28002x功能框图

（图源：TI）

TMS320C2834x Delfino 微控制器

TMS320C2834x Delfino 微控制器是较早推出的实时MCU产品，其能够提供高达300MHz的浮点运算性能，具有高达516KB的片上RAM，同样具有丰富的片上外设和低延迟的C28x内核，是需要高性能实时控制应用的理想解决方案。

与其他的C2000实时处理器不同，TMS320C2834x没有片上闪存和集成的ADC（提供外部ADC接口），可以为一些特定的应用设计提供更大的灵活性。

TMS320C2834x主要特性如下：

300MHz的C28x内核可提供快速中断响应、低时延、复杂控制算法执行，以及实时数据分析；

32位浮点单元可简化幅度计算的编程，消除扩展与饱和负载并提高诸如派克转换（Park transforms）与比例积分微分（PDI）等算法的性能；

516KB片上单周期存取RAM可实现高速程序执行以及数据存取等功能；

高度灵活的65ps高分辨率PWM模块可实现出色的精确度；

CAN、I2C、SPI以及标准串行接口（SCI）外设可针对系统通信管理提供便捷的连接；

外部ADC接口使开发人员能够灵活选择TI各种系列的高精度模数转换器；

与C2000平台产品代码兼容，有助于开发人员便捷地进行产品线扩展。

图13：TMS320C2834x Delfino 微控制器

（图源：TI）

本文小结

在当今的电力电子领域，人们对于实时控制的诉求越来越高，这也在推动技术供应商提供更优秀的平台化解决方案，对包括感知、处理、驱动控制，以及通信接口在内的完整的实时信号链及其相关要素进行优化，以减少延迟并提供足够的控制精度。这也是高效率、高性能、高可靠电源管理和电机驱动应用的技术基石。

TI的C2000实时MCU为此类精准的实时控制应用提供了一个理想的解决方案。高算力的CPU内核、为实时控制专门打造的协处理器和指令集、灵活可编程的CLB功能、高性能和高度集成的模拟和控制外设、丰富的通信接口……这些随着应用发展而不断迭代升级的功能，让你有十足的信心去应对各种严苛的实时信号链设计的挑战。