关于滤波与隔离的一点总结

许涛

       智能车硬件，说难不难，说简单，其实也未必！大的方向稍微了解人的都知道，无非是电源，电机，驱动，主控芯片，各类传感器而已！倘若你把每个模块做出来，单独调试成功，当你就这样简单的组合在一起后，结果就会千奇百怪了！有的同学会发现各模块还是和原来一样正常工作！有的同学会发现，有些模块有些时候无法正常工作，有些时候又蛮好用！最悲剧的同学是好用一会儿，但隔三差五的出现烧芯片，隔三差五的出现新毛病！当然，正常工作的同学中一定大多是大牛人，或者是经验丰富的过来人，他们知道里面的许多，有着自己的理解与感悟，不会不按章法的组合！而有些则纯粹是运气好，误打误撞而已！小弟也是初来乍到，不敢说说得一定对，但只是发一下自己的感悟，好和大家讨论一下，不正确之处还希望大家包涵，指正！
      我是搞硬件的，在以往的一些试验中，一些积累中，渐渐感觉到好的硬件设计与一般的硬件设计的差别！同样是电视机，我记得小时候我家的一台日立牌的日产彩电和后来买的王牌彩电，无论哪方面，旧一点的日立彩电性能都要好许多，寿命也长！前者记得用了十四年，后者七年。。。。。
    扯得远了点，我举这个例子，就是想提醒自己，搞硬件假如只求把各模块功能做出来而不考虑细节之处，你的产品也就是王牌而已，你的小车是不可能一流的，和你合作的写软件的人也会为此付出更巨大的劳动力！为什么关写软件的人事呢？后面我就要说了！
    你想想看，假如你小车上只有一个5v稳压电源模块，而你的舵机也接在这个电源上，而恰恰输出功率只有可怜的5w，那么对不起，我想告诉你绝对坑你的队友了，至于为什么，大家都知道！而假如你这时想，我的这个电源有15w的输出功率，我没坑队友！你又错了，你还是坑，用一个开关电源芯片为舵机和主控芯片，摄像头或其他传感器供电，你觉得那个输出部分该是怎样的纹波汹涌，而你的主控芯片该是如何的不知所措？？呵呵，可能你会反问我，我加了滤波电容了，怕啥？我笑了，你觉得舵机是什么样的负载？电容滤波是如何的受限？主控芯片是如何地脆弱？当然这样设计的参赛队伍是有，报告上我也看到了，跑起来或许也行，但我觉得，要是一个有理想的做硬件的同学是断然不这样做的，也不想这样敷衍了事，得过且过的！谁能保证，哪天舵机一堵转，芯片一脆弱，都冒烟了呢？呵呵，以上只是这些设计问题的冰山一角，我只是举个小例子，依次想来，大家可以以此来对照自己的设计，判断好坏！
   下面我要谈一下我今天想说的重点，滤波与隔离！
    我分析过小车硬件的主要问题！整个系统要稳定工作，取决于各模块电源的稳定，各电源的稳定，取决于对外隔离的能力与对内滤波的能力！什么是对外隔离？什么是对内滤波？？？我打个比方，就好像几个邻居，他们要想法设法使自己周围和家里的环境好，那么他们就要首先实现污染对外隔离，不把自己的垃圾丢给去邻居家的路上，不把废弃物藏在邻居家的后门口。在硬件系统设计中也就是说本模块不能将自身产生的纹波不加处理的对外输出，就好像一块稳压芯片，他自身经典电路必然会有输入输出的滤波电容，开关型芯片甚至会有电感！这就是对内滤波，我们把一个模块比为一个黑盒，那么他只发挥他的作用，而将自身的垃圾自我处理了。这就是我所定义的自我对内滤波！那什么又叫对外隔离呢？？这个问题其实和对外内滤波有必然的联系！你想一下，要想实现对外隔离，那必须有一个对内滤波的能力，正如我前面的例子，一个稳压芯片输入输出端都有滤波电容，这些电容其实实现了模块内部的滤波，从而实现了自身对外的隔离！但这并为实现完全的对外隔离呀！我是不把垃圾丢给外面了，可外面的垃圾向我周围甚至家里丢来，我不是也要想办法处理吗？我不是也得想办法搞定吗？这就又要回到前面了。假如每个模块的对内滤波的能力够强，那么每个模块都干干净净，不受干扰了，整个系统稳定，大家环境好！但实际是不可能这么美好的，总有些困难户，总有些模块自身是难以完成对内滤波的！所以就有问题了呀！光有完善得对内滤波够吗？？？不够呀！在智能小车中，有两个这样的困难户，电机和舵机！其他模块可以轻而易举的完成对内滤波，倘没有电机和舵机这两个困难户，大家环境肯定好！都可以实现对内滤波，从而间接对外隔离！但有了舵机和电机，你就必须加点对外隔离的措施了！因为电机和舵机的对内滤波真不好搞！可能有的同学看到这又想问？电机和舵机有啥的？我没滤波也搞得定？我电机又不和那些模块一起供电？我想告诉你的是，小车只有一块电源，在单电源系统中，从理论上讲，模拟地和数字地应该一点接地，尽量不耦合！无论如何，所有模块都共地，无论你用什么隔离手段，都没实现真正的隔离，而所谓的光耦，所谓的缓冲器隔离，都只是起到缓冲，分散，打散纹波的作用，因此还是没有实现所有模块的对外隔离！再打个比方，困难户只是将自己处理不掉的垃圾直接藏在他的邻居家，可是他的邻居家发现了，又将一部分垃圾传给了下一户，最后传来传去，大家你处理一点我处理一点，传来传去，垃圾少了，最后整个环境还过得去，但却都污染了！这就是好多车队过得去的原因！小污染，这些残存的小污染肯定有个度，毕竟没有污染是不可能的，没有污染那就是洁癖，不可取！对内滤波也有个底线，不可能绝对干净！所以我说的对外隔离也必有这样的一个度！就拿电机来说事吧！在pwm控制的直流电机系统中，我曾经恐惧的发现，这是一个集发电，耗电，发热，大功率用电器，小功率用电器等特征的电气设备，这样一个多变的感性负载是怎样的一个困难户啊！他要如何实现对内滤波？他该如何让他人与之隔离？你恐惧吗？电机这东西在这个系统中就是这样，假如把电池总电源当成大环境，那么电机就是污染这个大环境的源头！每一个模块在实现对内滤波的基础上都要想办法实现帮助电机对外隔离，但这又好难实现。每个模块自身就很穷，很脆弱，一旦瞬时垃圾多了，他们自己对内滤波就搞不定，每个小模块在电机这种污染源面前，若是首当其冲，必然奔溃！我说的奔溃只是一种在指标内的奔溃！实际工作中，某些模块顽强那么一瞬，就都过去了。所以电机这东西必须加强对内滤波，你可能会说。我也想过这个问题，我就是对电机或者电源做了简单的处理，好像工作的也还行！这就回到我前面说的，大家帮你分担点，但大环境都污染了，或许哪一天，整个生态圈就奔溃，系统在一天天的损耗中完蛋！
        核心内容页大概说完了，你假如仔细看也应该明白大旨了，我想每个模块如何实现对内滤波和对外隔离，都是有大学问的，就比如电机，就比如一个开关电源芯片，都可以引出无数的电磁学，滤波器，开关电源，电源设计的一系列高深学问，一行行方程式！而我们这些小儿科的大环境，过得去，不崩溃就算是个底线了！学无止境，大家共勉！共勉！欢迎大家和我一起讨论如何隔离，如何滤波！

许涛

三楼你把问题贴出来啊，我知道告诉你，不知道大家讨论

许涛

23mjxl 发表于 2012-12-26 15:46
大道理不少，有用的话没几句·····光说了要，没说要如何

把问题贴出来，大家讨论，我知道的告诉你

许涛

23mjxl 发表于 2012-12-26 17:55
最大的噪声源在电机，启动刹车时的电压突变，还有运行时的噪声怎么破？

噪声大是电机在pwm调速中纹波高达电机工作电流的百分之20以上，这部分纹波可以通过在电机正负极都串一个电感解决，具体大小也有算法，你要的话我发你资料！启动的话可以用软启动！那个加了电感的话，软启动时间可以减短！

许涛

、煈の°絮だ 发表于 2012-12-26 17:34
楼主说到点子上了 ，那么请教一个问题~   电机的反向电动势在逆变的时候是不可忽视的，比如B车那种大电机， ...

加大电容，我也不知道这算不算最好的办法，曾在论坛里一哥们直接在电机驱动上加1000uf的钽电容，瞬间绝得真的很得过且过！加大电容，那么启动瞬时会有很大电流流过驱动芯片，至于坏不坏，我不知道！但一个大电容，既有电阻，又有电感，且pwm调速时也会有巨大滞后，应该不算好办法吧！我想了好久这个问题，还是觉得通过数字地和模拟地一点耦合，再加上主控芯片用tps7350这种微压差芯片单独供电，绝对不会有问题！我还没着手做，但方案是这么想的，你也试试，要不行，再商量！

许涛

23mjxl 发表于 2012-12-26 17:55
最大的噪声源在电机，启动刹车时的电压突变，还有运行时的噪声怎么破？

我又想了一下，启动刹车因该不止开始和结束，过程中的也要考虑，这就要从电池两端入手，其实刹车启动过程，等效无非是在电池两端加一个交流大电流，取RC=2T，R等于电机两端电压比上最大电流，T等于pwm频率的倒数，在实际中，我假设R=1欧姆，pwm频率为10k，那么电源两端加的大电容为200uF；当然算法是这样，你还得评估下你的参数，具体就是在电源两端直接并个大电容！

许涛

liuxiaorui 发表于 2012-12-27 14:05
有一个问题我一直想请教，数字部分和模拟部分的地其实按理说都是电源地，那么应该怎么实现数/模地分离呢？ ...

文章里其实说明白了，在单电源系统中，没法真正实现数模隔离，方法就只有单点耦合，加宽地线，使之干扰最小！

许涛

liuxiaorui 发表于 2012-12-27 14:13
什么叫单点耦合？当年主要是做软件，布线涉世不深.........小小建议一下哈，回复不用带感叹号，好的很激动 ...

你百度一下就好，我光说你肯定理解不深，百度上好多的

许涛

quzhanguang 发表于 2012-12-27 18:14
你知道的太多了

许涛

arms 发表于 2012-12-27 18:27
其实电机电刷的产生的电火花引起的空间电磁干扰才是电机干扰大的源头

电火花是怎么产生的？还不是两反向电流对击，说到底就是纹波大啊