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        控制器中接地策略對模擬采樣電路的影響

        2019-07-08 00:32:42唐兆祥
        船電技術 2019年6期
        關鍵詞:電路板電容控制器

        唐兆祥

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        控制器中接地策略對模擬采樣電路的影響

        唐兆祥

        (中車青島四方機車車輛股份有限公司,山東青島 266000)

        以某城際車上逆變器的過流故障為例,分析了導致采樣電路前后級產(chǎn)生耦合干擾的原因并提出了解決方案。通過拆除電路板上提供低阻抗路徑的Y電容,逆變器順利啟動,電流采樣恢復正常。因此,設計控制器接地策略時應密切關注信號返回路徑,謹慎使用Y電容。

        控制器 接地策略 采樣電路

        0 引言

        在軌道交通牽引電傳動系統(tǒng)中,逆變器輸出的三相電流的測量是控制器通過對傳感器轉(zhuǎn)換出來的模擬量進行采樣,再通過AD/DA轉(zhuǎn)換得出的。采樣電路的設計直接關系到采樣的精度與系統(tǒng)的穩(wěn)定性,而其中接地的設計則尤為重要。接地設計不良,則“地”中的干擾會耦合到信號中,使信號產(chǎn)生突變。

        “地”的傳統(tǒng)定義為電路中的“0”電位參考點,為系統(tǒng)中所有電路提供一個電位基準。隨著業(yè)界對系統(tǒng)設計和EMC設計的深入理解,“地”的概念已經(jīng)發(fā)生了改變,“地”的新定義為信號流回源端的低阻抗路徑,也稱為“返回路徑”[1]。一個完整的微帶線信號回流路徑如圖1所示,窄箭頭方向為感應電流方向,寬箭頭方向為信號傳播的方向。可以看出,信號在向前傳播時不僅有電流由源端發(fā)送到遠端,同時會在返回路徑上感應出電流回到源端。與此相對應的是,如果返回路徑上產(chǎn)生了干擾,就會在信號路徑上耦合出噪聲,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線上,從而對信號產(chǎn)生了影響。

        圖1 微帶線中的信號回流示意圖

        1 案例分析

        在某城際列車進行型式試驗時,多次出現(xiàn)牽引報過流故障,并且出現(xiàn)了只啟動四象限整流時,牽引并未工作,但監(jiān)視軟件檢測到牽引逆變電流檢測有值,且跳動較大的情況。牽引逆變未啟動時軟件上監(jiān)測到的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題后,判斷問題為控制器內(nèi)部的接地問題。電流跳變嚴重的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箱內(nèi)部提供。MC1網(wǎng)絡為基板內(nèi)部屏蔽地,AGND為電路板的模擬地。C220與C221為Y電容,對信號線上的共模干擾有較強的抑制作用,原理為通過Y電容將共模能量引入低阻抗的MC1網(wǎng)絡進行泄放。信號進行濾波后,再進行后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。

        圖2 牽引未啟動時電流數(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放,原理如圖4所示,ISA1為隔離運放,虛線為前后級隔離區(qū)。

        圖3 傳感器模擬采樣電路

        圖4 制動控制單元采樣電路

        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0 Ω電阻RAG與模擬地AGND一點相連,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,通過金屬緊固件與機殼相連,最后連接到大地;MC1網(wǎng)絡為電路板內(nèi)部的屏蔽地,C170、C120、C170A為Y電容。

        應用隔離運放時,前后級應在物理上有較大隔離,否則前后級之間會出現(xiàn)較大的干擾。在設計時后級信號的返回路徑為AGND,而從圖5可以看出,在AGND和隔離前級由RAG和Y電容提供了一條低阻抗路徑,從而隔離運放的后級和前級的隔離遭到了破壞,而引入的干擾則會影響與前級相關的采樣電路。

        2 驗證

        為了驗證以上推測,需要打斷前后級噪聲耦合的路徑,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)絡相連的Y電容。在拆除相關電容再次測量后,軟件測量到的靜態(tài)電流波形如圖6所示,可以看出,采樣電流在靜態(tài)時基本穩(wěn)定,不再發(fā)生跳變,牽引啟動后軟件上也不再報過流故障,恢復正常工作。

        3 結(jié)論

        本文針對列車實際運行過程中遇到的模擬采樣異常的問題,通過對控制器的接地策略進行認真的分析,定位了問題并通過相應的整改措施驗證了分析的正確性。通過以上分析可以得出以下結(jié)論:在設計模擬采樣電路時,應合理設計接地策略,關注信號的回流路徑,謹慎使用Y電容,盡可能消除信號干擾的路徑。

        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. 電磁兼容設計與整改對策及案例分析[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

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