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Q&A|“技术问诊”第四期

2023-08-16


自电机电驱行业问题征集以来,我们收到了不少读者的留言,现将其中的几个问题整理,作为第四期的内容。一起来看看吧~

 

Q1:

如何保证高速ADC信号的完整性?(硬件方向)

A1:

确保高速模数转换器(ADC)信号的完整性对于获取准确可靠性测量结果至关重要,高速 ADC 容易受到各种噪声源、失真和干扰的影响,从而降低信号质量。以下是一些有助于确保高速 ADC 信号完整性的策略:

1. 信号调理:
  • 抗混叠滤波器:使用抗混叠滤波器在 ADC 之前去除超过奈奎斯特限制的高频成分,这样可以防止混叠,提高信号精度。
  • 放大:如果输入信号电平较低,可在信号到达 ADC 之前使用放大器来增强信号,适当匹配的低噪声放大器可提高信噪比。
2. 布局和接地:
  • PCB 布局:设计合理优化的印刷电路板(PCB)布局,并进行适当的信号和接地布线。高速信号应采用受控阻抗迹线,并尽量缩短信号路径长度,以减少信号反射和串扰。
  • 接地:实施稳固的接地方案,包括独立的模拟和数字接地层。使用正确的接地方法,尽量减少接地环路和干扰。
3. 时钟和时序:
  • 时钟源:为 ADC 使用高质量、低抖动的时钟源,以确保准确采样。时钟抖动会引入噪声并使信号失真。
  • 时钟分配:确保为所有相关组件分配一致、稳定的时钟,以保持同步。
4. EMI/EMC 注意事项:
  • 屏蔽:使用屏蔽技术保护敏感元件免受外部电磁干扰(EMI)的影响,并减少电路的辐射。
  • 去耦:在 ADC 的电源引脚附近放置去耦电容器,以抑制高频噪声和瞬态干扰。
5. 电源:
  • 干净的电源:为 ADC 提供干净稳定的电源,尽量减少可能影响信号质量的电压波动和噪声。
6. 热管理:
  • 散热:高速 ADC 会产生热量,从而导致热噪声并影响性能。确保适当的散热和温度控制,以实现精确测量。

7. 地隔离:

  • 隔离技术:使用差分信号等隔离技术,最大限度地减少共模噪声,提高抗干扰能力。
8. 校准和测试:
  • 校准:定期进行校准和补偿,以纠正 ADC 中的任何非线性、偏移或增益误差。
  • 测试:在各种条件下深入测试 ADC 系统,需明确并解决影响信号完整性的任何问题。
9. 元器件的选型:
  • 高质量元器件:选择高质量的无源器件、连接器和电缆,以尽量减少损耗和干扰。
10. 仿真与建模:
  • 仿真工具:使用仿真工具对信号性能、寄生效应和潜在干扰源进行建模。这有助于在硬件实施前优化设计。

重要的是要记住,确保信号完整性的具体策略取决于应用、ADC 特性和周围环境。正确的设计实践、精心布局、元件选择和测试相结合,将帮助您在保持高速 ADC 信号完整性方面取得最佳效果。 

 

Q2:

在实际使用中,如何确定双极结型晶体管 (BJT)的状态?(硬件方向)

A2:

双极结型晶体管 (BJT) 的状态可根据其工作区域来确定,而工作区域则取决于施加到其终端的电压和电流。双极结型晶体管有三个主要工作区:放大、截止和饱和。下面介绍如何确定 BJT 在每个工作区的状态:

1. 放大区: 
在放大区,发射结为正向偏压,而集电极为反向偏压,BJT 在此区域用作放大器;判断 BJT 是否处于放大区的方法如下:
  • VC>VB>VE(NPN )
  • VE>VB>VC(PNP)
  • 集电极电流 I_C 与基极电流 I_B 成比例,Ic = β * Ib

2. 截止区: 

在截止区,两个结都反向偏压,BJT 实际上已关闭;判断 BJT 是否处于截止区的方法如下:
  • VB<VE<VC (NPN)
  • VB>VE>VC (PNP)
  • 集电极电流 I_C 几乎为零。

3. 饱和区: 

在饱和区,两个结均为正向偏压,BJT 起到闭合开关的作用;判断 BJT 是否处于饱和区的方法如下:
  • VB>VC>VE(NPN)
  • VE>VC>VB (PNP)
  • 集电极电流 I_C 相对较高,晶体管允许电流从集电极自由流向发射极。

要确定 BJT 的实际状态,可以测量其两端(基极-发射极和基极-集电极)的电压和集电极电流。将这些测量值与每个工作区的条件进行比较,以确定晶体管当前的工作状态。

 

Q3:

PID算法在工业控制的应用有哪些?

A3:

PID算法是一种闭环控制算法,它由比例(proportional)、积分(integral)、微分(derivative)三部分控制算法单元组成,是一种常见的用于保持目标参数或者目标对象稳定的控制算法。PID在工业自动化控制系统中被广泛应用。可以应用于各种工业过程,以实现所需的控制目标。PID算法在工业控制中的一些常见应用包括:

1. 温度控制:

PID控制器通常用于调节工业过程中的温度,如化学反应器,炉子,烤箱和热交换器。它们通过调节加热或冷却输入来帮助维持所需的温度设定值。

2. 压力控制:

PID控制用于蒸汽锅炉、液压系统和气动系统等系统的压力调节。它确保压力保持在规定的范围内,避免设备损坏并保持工艺效率。

3. 流量控制:

PID控制器用于调节管道,泵和阀门中的流体流量。这在水处理、石油和天然气以及化学加工等行业至关重要。

4. 液位控制:

在保持特定液位很重要的应用中,例如在储罐,筒仓和储罐中,PID控制器有助于防止溢流或底流。

5. 速度控制:

PID算法通常用于电机控制应用,例如控制传送带,风扇和泵中使用的电动机的速度。

6. 位置控制:

在机器人和自动化机械中,PID控制器用于控制执行器的位置,确保准确的定位和运动。

7. PH控制:

在水处理、食品饮料和制药等行业,PID控制器通过调节酸性或碱性物质的剂量来调节PH值。

8. 干燥过程:

在湿度控制很重要的应用中,例如食品生产或制造中的干燥过程,PID控制器有助于保持一致的干燥条件。

9. 批量处理:

在批量进行过程的工业中,如化学制造,PID控制器用于控制批量的各个方面,如温度、压力和组成。

10. 炉控制:

PID控制器调节工业炉的燃烧过程,优化燃料消耗并确保一致的加热。

11. 蒸馏和分离:

在蒸馏塔等过程中,PID控制器用于维持所需的成分和分离效率。

12. 发电:

PID控制器在发电系统中发挥作用,帮助控制蒸汽压力,涡轮转速和发电机输出等变量。

13. 金属和玻璃加工:

涉及金属冶炼,玻璃制造和其他高温过程的行业使用PID控制器进行精确的温度控制。

14. 质量控制:

PID控制器通过确保关键工艺参数保持在规定范围内,有助于保持产品质量。

15. 生物处理:

在制药和生物技术工业中,PID控制器用于控制生物反应器、发酵罐和其他涉及生物体的过程中的参数。

上述列举的是PID算法在工业控制中的不同应用的一些案例。PID控制器的通用性和有效性已经使其成为自动化和控制工程领域的基本工具。

 

Q4:

在电机控制算法中,有哪些算法可以用于控制电机的转速?

A4:

电机控制算法是用来调节电机的速度和性能的技术。它们大致分为开环控制和闭环控制。在闭环控制中,可以采用更先进的方法,如场定向控制(FOC),直接转矩控制(DTC)和模型预测控制(MPC)。此外,电机控制可以使用有传感器和无传感器的方法来实现。

1. 开环控制:
  • 恒压控制:给电机提供一个固定的电压,使其在稳定的条件下保持恒定的转速。然而,它不能适应负载的变化或干扰。
  • 可变电压/频率控制(V/f控制):调节电源的电压和频率以保持一定的比例,从而在有限的速度范围内进行控制。

2. 闭环控制:

  • 闭环控制包括反馈机制,以更精确地调节电机速度。这可以进一步分为有传感器和无传感器的方法。
3. 传感器控制:
  • 比例-积分-导数(PID)控制:一种经典的控制方法,根据误差(期望速度与实际速度之间的差异)及其积分和导数项来调整控制信号。
  • 场定向控制(FOC):也称为矢量控制,FOC是一种复杂的控制技术,它将定子电流在旋转参照系中分离为直接和正交分量。这样可以独立控制转矩和磁通,从而实现高效和精确的控制,特别是对于交流感应和永磁同步电机。
  • 直接转矩控制(Direct Torque Control, DTC): DTC的重点是根据实际转矩与期望转矩和磁链之间的偏差,选择逆变器电压矢量,直接控制转矩。它提供了快速的扭矩响应,可以减少开关损耗。
  • 模型预测控制(MPC): MPC采用电机系统的模型并预测其未来行为。它优化控制动作,使成本函数最小化,同时满足约束条件,使其适用于动态和复杂系统。
4. 无传感器控制:

无传感器控制方法旨在控制电机,而不使用物理传感器(如编码器,解析器)来测量转子位置。这些方法通常使用估计和算法来推断位置和速度。

  • 反电动势估计:利用电机绕组中产生的反电动势来估计转子的位置和速度。
  • 高频注入(High-Frequency Injection, HFI):向电机注入高频信号,从电机的响应中提取转子位置信息。
  • 基于观测器的技术:利用观测器或估计器根据电机的电特性和电流来预测转子的位置和速度。
每种算法都有其优点和缺点,使其适用于不同的电机类型,控制要求和应用。算法的选择取决于系统复杂性、期望的性能、效率和成本考虑等因素。

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