控制器中接地策略對(duì)模擬采樣電路的影響

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

0 引言

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(chēng)為“返回路徑”[1]。一個(gè)完整的微帶線(xiàn)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(xiàn)上，從而對(duì)信號(hào)產(chǎn)生了影響。

圖1 微帶線(xiàn)中的信號(hào)回流示意圖

1 案例分析

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(xiàn)框內(nèi)為控制器部分，虛線(xiàn)框外紅色加粗線(xiàn)部分為傳感器輸出接線(xiàn)部分，黑色加粗線(xiàn)為傳感器供電部分接線(xiàn)，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(xiàn)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(xiàn)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。

2 驗(yàn)證

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(guān)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。

3 結(jié)論

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