控制器中接地策略对模拟采样电路的影响

唐兆祥



控制器中接地策略对模拟采样电路的影响

唐兆祥

（中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛 266000）

以某城际车上逆变器的过流故障为例，分析了导致采样电路前后级产生耦合干扰的原因并提出了解决方案。通过拆除电路板上提供低阻抗路径的Y电容，逆变器顺利启动，电流采样恢复正常。因此，设计控制器接地策略时应密切关注信号返回路径，谨慎使用Y电容。

控制器 接地策略 采样电路

0 引言

在轨道交通牵引电传动系统中，逆变器输出的三相电流的测量是控制器通过对传感器转换出来的模拟量进行采样，再通过AD/DA转换得出的。采样电路的设计直接关系到采样的精度与系统的稳定性，而其中接地的设计则尤为重要。接地设计不良，则“地”中的干扰会耦合到信号中，使信号产生突变。

“地”的传统定义为电路中的“0”电位参考点，为系统中所有电路提供一个电位基准。随着业界对系统设计和EMC设计的深入理解，“地”的概念已经发生了改变，“地”的新定义为信号流回源端的低阻抗路径，也称为“返回路径”[1]。一个完整的微带线信号回流路径如图1所示，窄箭头方向为感应电流方向，宽箭头方向为信号传播的方向。可以看出，信号在向前传播时不仅有电流由源端发送到远端，同时会在返回路径上感应出电流回到源端。与此相对应的是，如果返回路径上产生了干扰，就会在信号路径上耦合出噪声，从而影响电路的功能。在本文的案例中，正是由于返回路径上的噪声耦合到信号线上，从而对信号产生了影响。

图1 微带线中的信号回流示意图

1 案例分析

在某城际列车进行型式试验时，多次出现牵引报过流故障，并且出现了只启动四象限整流时，牵引并未工作，但监视软件检测到牵引逆变电流检测有值，且跳动较大的情况。牵引逆变未启动时软件上监测到的U相和W相电流波形如图2所示。

在排除传感器与逆变器输出的问题后，判断问题为控制器内部的接地问题。电流跳变严重的U相采样电路如图3所示，虚线框内为控制器部分，虚线框外红色加粗线部分为传感器输出接线部分，黑色加粗线为传感器供电部分接线，即传感器的电源由机箱内部提供。MC1网络为基板内部屏蔽地，AGND为电路板的模拟地。C220与C221为Y电容，对信号线上的共模干扰有较强的抑制作用，原理为通过Y电容将共模能量引入低阻抗的MC1网络进行泄放。信号进行滤波后，再进行后续的数据处理。

图2 牵引未启动时电流数据记录

注意到电路板上还有一路电流采样接制动控制单元，该电路与图3中电路的区别在于使用了隔离运放，原理如图4所示，ISA1为隔离运放，虚线为前后级隔离区。

图3 传感器模拟采样电路

图4 制动控制单元采样电路

图5 基板内接地策略

电路板的接地策略如图5所示，其中5VGND为板内的数字地，通过0 Ω电阻RAG与模拟地AGND一点相连，这样做的好处在于能够有效约束环路电流的面积，降低EMI辐射[2]；MC为板边的金属屏蔽条，通过金属紧固件与机壳相连，最后连接到大地；MC1网络为电路板内部的屏蔽地，C170、C120、C170A为Y电容。

应用隔离运放时，前后级应在物理上有较大隔离，否则前后级之间会出现较大的干扰。在设计时后级信号的返回路径为AGND，而从图5可以看出，在AGND和隔离前级由RAG和Y电容提供了一条低阻抗路径，从而隔离运放的后级和前级的隔离遭到了破坏，而引入的干扰则会影响与前级相关的采样电路。

2 验证

为了验证以上推测，需要打断前后级噪声耦合的路径，然后观察整改后采样的电流。最直接的方法为拆除掉与MC1网络相连的Y电容。在拆除相关电容再次测量后，软件测量到的静态电流波形如图6所示，可以看出，采样电流在静态时基本稳定，不再发生跳变，牵引启动后软件上也不再报过流故障，恢复正常工作。

3 结论

本文针对列车实际运行过程中遇到的模拟采样异常的问题，通过对控制器的接地策略进行认真的分析，定位了问题并通过相应的整改措施验证了分析的正确性。通过以上分析可以得出以下结论：在设计模拟采样电路时，应合理设计接地策略，关注信号的回流路径，谨慎使用Y电容，尽可能消除信号干扰的路径。

图6 拆除Y电容之后的静态电流采样值

[1] Eric Bogatin著. 李玉山, 李丽萍等译. 信号完整性分析[M]. 北京: 电子工业出版社, 2005.

[2] 朱文立. 电磁兼容设计与整改对策及案例分析[M]. 北京: 电子工业出版社, 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，工程师。研究方向：电气系统及电气部件。E-mail: tangzhaoxiang@cqsf.com