唐兆祥
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控制器中接地策略對(duì)模擬采樣電路的影響
唐兆祥
(中車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司,山東青島 266000)
以某城際車(chē)上逆變器的過(guò)流故障為例,分析了導(dǎo)致采樣電路前后級(jí)產(chǎn)生耦合干擾的原因并提出了解決方案。通過(guò)拆除電路板上提供低阻抗路徑的Y電容,逆變器順利啟動(dòng),電流采樣恢復(fù)正常。因此,設(shè)計(jì)控制器接地策略時(shí)應(yīng)密切關(guān)注信號(hào)返回路徑,謹(jǐn)慎使用Y電容。
控制器 接地策略 采樣電路
在軌道交通牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)中,逆變器輸出的三相電流的測(cè)量是控制器通過(guò)對(duì)傳感器轉(zhuǎn)換出來(lái)的模擬量進(jìn)行采樣,再通過(guò)AD/DA轉(zhuǎn)換得出的。采樣電路的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到采樣的精度與系統(tǒng)的穩(wěn)定性,而其中接地的設(shè)計(jì)則尤為重要。接地設(shè)計(jì)不良,則“地”中的干擾會(huì)耦合到信號(hào)中,使信號(hào)產(chǎn)生突變。
“地”的傳統(tǒng)定義為電路中的“0”電位參考點(diǎn),為系統(tǒng)中所有電路提供一個(gè)電位基準(zhǔn)。隨著業(yè)界對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和EMC設(shè)計(jì)的深入理解,“地”的概念已經(jīng)發(fā)生了改變,“地”的新定義為信號(hào)流回源端的低阻抗路徑,也稱為“返回路徑”[1]。一個(gè)完整的微帶線信號(hào)回流路徑如圖1所示,窄箭頭方向?yàn)楦袘?yīng)電流方向,寬箭頭方向?yàn)樾盘?hào)傳播的方向。可以看出,信號(hào)在向前傳播時(shí)不僅有電流由源端發(fā)送到遠(yuǎn)端,同時(shí)會(huì)在返回路徑上感應(yīng)出電流回到源端。與此相對(duì)應(yīng)的是,如果返回路徑上產(chǎn)生了干擾,就會(huì)在信號(hào)路徑上耦合出噪聲,從而影響電路的功能。在本文的案例中,正是由于返回路徑上的噪聲耦合到信號(hào)線上,從而對(duì)信號(hào)產(chǎn)生了影響。
圖1 微帶線中的信號(hào)回流示意圖
在某城際列車(chē)進(jìn)行型式試驗(yàn)時(shí),多次出現(xiàn)牽引報(bào)過(guò)流故障,并且出現(xiàn)了只啟動(dòng)四象限整流時(shí),牽引并未工作,但監(jiān)視軟件檢測(cè)到牽引逆變電流檢測(cè)有值,且跳動(dòng)較大的情況。牽引逆變未啟動(dòng)時(shí)軟件上監(jiān)測(cè)到的U相和W相電流波形如圖2所示。
在排除傳感器與逆變器輸出的問(wèn)題后,判斷問(wèn)題為控制器內(nèi)部的接地問(wèn)題。電流跳變嚴(yán)重的U相采樣電路如圖3所示,虛線框內(nèi)為控制器部分,虛線框外紅色加粗線部分為傳感器輸出接線部分,黑色加粗線為傳感器供電部分接線,即傳感器的電源由機(jī)箱內(nèi)部提供。MC1網(wǎng)絡(luò)為基板內(nèi)部屏蔽地,AGND為電路板的模擬地。C220與C221為Y電容,對(duì)信號(hào)線上的共模干擾有較強(qiáng)的抑制作用,原理為通過(guò)Y電容將共模能量引入低阻抗的MC1網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行泄放。信號(hào)進(jìn)行濾波后,再進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。
圖2 牽引未啟動(dòng)時(shí)電流數(shù)據(jù)記錄
注意到電路板上還有一路電流采樣接制動(dòng)控制單元,該電路與圖3中電路的區(qū)別在于使用了隔離運(yùn)放,原理如圖4所示,ISA1為隔離運(yùn)放,虛線為前后級(jí)隔離區(qū)。
圖3 傳感器模擬采樣電路
圖4 制動(dòng)控制單元采樣電路
圖5 基板內(nèi)接地策略
電路板的接地策略如圖5所示,其中5VGND為板內(nèi)的數(shù)字地,通過(guò)0 Ω電阻RAG與模擬地AGND一點(diǎn)相連,這樣做的好處在于能夠有效約束環(huán)路電流的面積,降低EMI輻射[2];MC為板邊的金屬屏蔽條,通過(guò)金屬緊固件與機(jī)殼相連,最后連接到大地;MC1網(wǎng)絡(luò)為電路板內(nèi)部的屏蔽地,C170、C120、C170A為Y電容。
應(yīng)用隔離運(yùn)放時(shí),前后級(jí)應(yīng)在物理上有較大隔離,否則前后級(jí)之間會(huì)出現(xiàn)較大的干擾。在設(shè)計(jì)時(shí)后級(jí)信號(hào)的返回路徑為AGND,而從圖5可以看出,在AGND和隔離前級(jí)由RAG和Y電容提供了一條低阻抗路徑,從而隔離運(yùn)放的后級(jí)和前級(jí)的隔離遭到了破壞,而引入的干擾則會(huì)影響與前級(jí)相關(guān)的采樣電路。
為了驗(yàn)證以上推測(cè),需要打斷前后級(jí)噪聲耦合的路徑,然后觀察整改后采樣的電流。最直接的方法為拆除掉與MC1網(wǎng)絡(luò)相連的Y電容。在拆除相關(guān)電容再次測(cè)量后,軟件測(cè)量到的靜態(tài)電流波形如圖6所示,可以看出,采樣電流在靜態(tài)時(shí)基本穩(wěn)定,不再發(fā)生跳變,牽引啟動(dòng)后軟件上也不再報(bào)過(guò)流故障,恢復(fù)正常工作。
本文針對(duì)列車(chē)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中遇到的模擬采樣異常的問(wèn)題,通過(guò)對(duì)控制器的接地策略進(jìn)行認(rèn)真的分析,定位了問(wèn)題并通過(guò)相應(yīng)的整改措施驗(yàn)證了分析的正確性。通過(guò)以上分析可以得出以下結(jié)論:在設(shè)計(jì)模擬采樣電路時(shí),應(yīng)合理設(shè)計(jì)接地策略,關(guān)注信號(hào)的回流路徑,謹(jǐn)慎使用Y電容,盡可能消除信號(hào)干擾的路徑。
圖6 拆除Y電容之后的靜態(tài)電流采樣值
[1] Eric Bogatin著. 李玉山, 李麗萍等譯. 信號(hào)完整性分析[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2005.
[2] 朱文立. 電磁兼容設(shè)計(jì)與整改對(duì)策及案例分析[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2012.
The Influence of Grounding Strategy on the Analog Sampling Circuit in the Control Unit
Tang Zhaoxiang
(CRRC Qingdao Sifang Co., Ltd, Qingdao 266000, Shandong, China)
TM464
A
1003-4862(2019)06-0008-02
2019-3-14
唐兆祥(1987-),男,工程師。研究方向:電氣系統(tǒng)及電氣部件。E-mail: tangzhaoxiang@cqsf.com