一位高級工程師現場(chǎng)干擾排查的實(shí)例

　　在工程師們的日常測試中，故障干擾排查可謂是家常便飯，而高級工程師往往能快速定位問(wèn)題，這與豐富的日常經(jīng)驗和靈活使用測量?jì)x器有很大關(guān)系，下文將結合實(shí)例來(lái)詳細分析。

　　測試現場(chǎng)

　　此次測試的對象為小型電機系統，系統分為驅動(dòng)器、電機平臺、測試，3個(gè)部分。驅動(dòng)器輸出通過(guò)電纜連接到電機平臺，電機轉軸上安裝扭矩傳感器，傳感器所有連接線(xiàn)引到測試儀器，傳感器輸出信號接入功率分析儀電機測量單元扭矩BNC接口。傳感器輸出100kHz±50kHz脈沖對應0±5Nm扭矩。

　　這是一個(gè)日常的測試現場(chǎng)，工程師們需要測量基礎電參數，通過(guò)波形查找干擾問(wèn)題，評估三相不平衡度等。

　　遇到問(wèn)題

　　調試中發(fā)現，驅動(dòng)器上電但未開(kāi)啟輸出，電機轉軸處于自由靜止狀態(tài)，測量到一個(gè)較大的值。用示波器測量傳感器輸出，發(fā)現100kHz脈沖上每個(gè)幾個(gè)周期出現一些尖峰振蕩，經(jīng)過(guò)比較器后多了些脈沖，導致測頻結果高于100kHz。那么干擾信號從何而來(lái)?首先懷疑是驅動(dòng)器，驅動(dòng)器斷電干擾消失。把傳感器電纜從傳感器處拔出，100kHz和干擾都沒(méi)有了。證明干擾由驅動(dòng)器產(chǎn)生，通過(guò)驅動(dòng)器輸出線(xiàn)、電機、扭矩傳感器及連線(xiàn)耦合到功率分析儀。

　　解決問(wèn)題

　　這一款驅動(dòng)器比較特殊，變頻器不輸出時(shí)內部開(kāi)關(guān)管依然處于工作狀態(tài)，相比其它變頻器這款干擾很大。分析其噪聲模型如下圖所示，驅動(dòng)器輸出共模電壓，繞組與機殼間存在寄生電容C1，機殼與傳感器電路有寄生電容C2，形成傳導路徑，電機和傳感器殼體作為中間導體雖然接地，不過(guò)驅動(dòng)器、電機、測控柜距離較遠，接地線(xiàn)阻抗高中間導體電位并不為零，仍有高頻共模電流通過(guò)電纜進(jìn)入PA。PA扭矩輸入是BNC型端子，內部電路地對機殼多少有一些空間雜散電容C3(約幾十pF)，共模電壓在兩信號線(xiàn)產(chǎn)生不對稱(chēng)的電流，從而在線(xiàn)路阻抗上轉化為差模電壓疊加在正常信號中。

　　從安全方面考慮，三個(gè)機柜都必須接大地，強電線(xiàn)路與信號線(xiàn)分開(kāi)避免干擾這些都是要遵循的基本原則。實(shí)際機柜間位置較遠，接地對于高頻干擾改善不多，只作為安全措施。解決這種問(wèn)題一般考慮是從干擾源、傳播路徑、敏感設備三方面著(zhù)手。驅動(dòng)器和功率分析儀是成型的設備，不便于改動(dòng)，考慮從傳播路徑入手，使用多芯屏蔽電纜連接扭矩傳感器到測控柜，傳感器端屏蔽層連接到傳感器外殼，也與電機平臺連通，另一側屏蔽層接到測控柜機殼。最初的時(shí)候屏蔽層通過(guò)一根較長(cháng)的線(xiàn)連接到測控柜，發(fā)現并沒(méi)有改善，最后使用銅片將整根線(xiàn)壓到機柜，干擾得到很大衰減。  

　　此時(shí)將系統運行起來(lái)，通過(guò)功率分析儀的數據和波形再次進(jìn)行驗證，電壓波形圖和矢量圖都很完美。

　　深入分析

　　此處順便提及一下干擾信號的傳播，可通過(guò)空間或導體傳播，空間干擾方式可分為感應和輻射，輻射通常以電磁波方式傳播。感應發(fā)生在較近距離內，干擾源若是高電壓小電流則以電場(chǎng)干擾為主，低壓大電流則以磁場(chǎng)為主。對于敏感設備，高阻抗節點(diǎn)易受電場(chǎng)干擾，應使用電場(chǎng)屏蔽，屏蔽導體接地。低阻抗閉合回路易受磁場(chǎng)干擾，應盡可能減少環(huán)路面積。傳導干擾通過(guò)器件、線(xiàn)路以共?；虿钅７绞絺鞑?，如果設備或線(xiàn)路不平衡共模則會(huì )轉化為差模信號疊加在有用信號中。

　　本例以傳導干擾為主，所用方法基于以下的原因解決問(wèn)題。

　　1、通過(guò)寬大的屏蔽層對高頻信號呈現較低的阻抗，減少電機平臺和測控柜的地電勢差，干擾電流通過(guò)較低阻抗的屏蔽層泄放到測控柜，而不是走信號線(xiàn)。

　　2、為什么用一段導線(xiàn)將屏蔽層連接到測控柜卻不能改善噪聲?試驗中使用的是0.75mm2圓導線(xiàn)長(cháng)約50cm，由于趨膚效應增大了此導線(xiàn)的阻抗。

　　3、屏蔽層與芯線(xiàn)通過(guò)絕緣介質(zhì)形成電容，屏蔽層直接接機殼，其效果相當于穿心電容，芯線(xiàn)上共模電壓被此電容旁路。

　　4、此處電機平臺和測控柜已有接地，通過(guò)傳感器連接線(xiàn)屏蔽層又將兩者連接，形成地環(huán)路。然而實(shí)際工程應用中地環(huán)路往往不可避免地存在，本例中若沒(méi)有屏蔽層依然會(huì )通過(guò)C2、電纜和C3產(chǎn)生高頻地環(huán)路，從這方面看屏蔽層改變了環(huán)路路徑。

　　本文的方法僅作參考，具體問(wèn)題應當具體分析并驗證。接地與屏蔽是十分復雜的學(xué)科，要考慮到現實(shí)器件的非理想特性，如實(shí)際的一根導線(xiàn)往往都不能等同于電路原理圖上的連線(xiàn)，因此對于系統中噪聲干擾需要細致地進(jìn)行理論分析和實(shí)際驗證，確定合適的布局連線(xiàn)。

　　此次故障干擾排查實(shí)例充分說(shuō)明了能靈活使用功率分析儀進(jìn)行測試和豐富的現場(chǎng)排查經(jīng)驗都是非常重要的，功率分析儀擁有強大的波形和測試功能，能為電機與驅動(dòng)器的研發(fā)生產(chǎn)提供高可靠性的測試分析數據。