控制器中接地策略對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(dǎo)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(fù)正常。因此，設(shè)計控制器接地策略時應(yīng)密切關(guān)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(shè)計直接關(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)計則尤為重要。接地設(shè)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(shè)計和EMC設(shè)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(yīng)電流方向，寬箭頭方向為信號傳播的方向?？梢钥闯?，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(yīng)出電流回到源端。與此相對應(yīng)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(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(luò)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(luò)為電路板內(nèi)部的屏蔽地，C170、C120、C170A為Y電容。

應(yīng)用隔離運放時，前后級應(yīng)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(shè)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(guān)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(luò)相連的Y電容。在拆除相關(guān)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(fù)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(yīng)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(shè)計模擬采樣電路時，應(yīng)合理設(shè)計接地策略，關(guān)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(shè)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