【導(dǎo)讀】在工程師們的日常測(cè)試中，故障干擾排查可謂是家常便飯，而高級(jí)工程師往往能快速定位問(wèn)題，這與豐富的日常經(jīng)驗(yàn)和靈活使用測(cè)量?jī)x器有很大關(guān)系，下文將結(jié)合實(shí)例來(lái)詳細(xì)分析。
測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)
此次測(cè)試的對(duì)象為小型電機(jī)系統(tǒng)，系統(tǒng)分為驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)平臺(tái)、測(cè)試，3個(gè)部分。驅(qū)動(dòng)器輸出通過(guò)電纜連接到電機(jī)平臺(tái)，電機(jī)轉(zhuǎn)軸上安裝扭矩傳感器，傳感器所有連接線引到測(cè)試儀器，傳感器輸出信號(hào)接入功率分析儀電機(jī)測(cè)量單元扭矩BNC接口。傳感器輸出100kHz±50kHz脈沖對(duì)應(yīng)0±5Nm扭矩。
這是一個(gè)日常的測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)，工程師們需要測(cè)量基礎(chǔ)電參數(shù)，通過(guò)波形查找干擾問(wèn)題，評(píng)估三相不平衡度等。
遇到問(wèn)題
調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，驅(qū)動(dòng)器上電但未開(kāi)啟輸出，電機(jī)轉(zhuǎn)軸處于自由靜止?fàn)顟B(tài)，測(cè)量到一個(gè)較大的值。用示波器測(cè)量傳感器輸出，發(fā)現(xiàn)100kHz脈沖上每個(gè)幾個(gè)周期出現(xiàn)一些尖峰振蕩，經(jīng)過(guò)比較器后多了些脈沖，導(dǎo)致測(cè)頻結(jié)果高于100kHz。那么干擾信號(hào)從何而來(lái)？首先懷疑是驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)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(qū)動(dòng)器產(chǎn)生，通過(guò)驅(qū)動(dòng)器輸出線、電機(jī)、扭矩傳感器及連線耦合到功率分析儀。
· 解決問(wèn)題
這一款驅(qū)動(dòng)器比較特殊，變頻器不輸出時(shí)內(nèi)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(qū)動(dòng)器輸出共模電壓，繞組與機(jī)殼間存在寄生電容C1，機(jī)殼與傳感器電路有寄生電容C2，形成傳導(dǎo)路徑，電機(jī)和傳感器殼體作為中間導(dǎo)體雖然接地，不過(guò)驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)、測(cè)控柜距離較遠(yuǎn)，接地線阻抗高中間導(dǎo)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(nèi)部電路地對(duì)機(jī)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(hào)線產(chǎn)生不對(duì)稱的電流，從而在線路阻抗上轉(zhuǎn)化為差模電壓疊加在正常信號(hào)中。
從安全方面考慮，三個(gè)機(jī)柜都必須接大地，強(qiáng)電線路與信號(hào)線分開(kāi)避免干擾這些都是要遵循的基本原則。實(shí)際機(jī)柜間位置較遠(yuǎn)，接地對(duì)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(shè)備三方面著手。驅(qū)動(dòng)器和功率分析儀是成型的設(shè)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(cè)控柜，傳感器端屏蔽層連接到傳感器外殼，也與電機(jī)平臺(tái)連通，另一側(cè)屏蔽層接到測(cè)控柜機(jī)殼。最初的時(shí)候屏蔽層通過(guò)一根較長(zhǎng)的線連接到測(cè)控柜，發(fā)現(xiàn)并沒(méi)有改善，最后使用銅片將整根線壓到機(jī)柜，干擾得到很大衰減。
此時(shí)將系統(tǒng)運(yùn)行起來(lái)，通過(guò)功率分析儀的數(shù)據(jù)和波形再次進(jìn)行驗(yàn)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(hào)的傳播，可通過(guò)空間或?qū)w傳播，空間干擾方式可分為感應(yīng)和輻射，輻射通常以電磁波方式傳播。感應(yīng)發(fā)生在較近距離內(nèi)，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(duì)于敏感設(shè)備，高阻抗節(jié)點(diǎn)易受電場(chǎng)干擾，應(yīng)使用電場(chǎng)屏蔽，屏蔽導(dǎo)體接地。低阻抗閉合回路易受磁場(chǎng)干擾，應(yīng)盡可能減少環(huán)路面積。傳導(dǎo)干擾通過(guò)器件、線路以共模或差模方式傳播，如果設(shè)備或線路不平衡共模則會(huì)轉(zhuǎn)化為差模信號(hào)疊加在有用信號(hào)中。
本例以傳導(dǎo)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(duì)高頻信號(hào)呈現(xiàn)較低的阻抗，減少電機(jī)平臺(tái)和測(cè)控柜的地電勢(shì)差，干擾電流通過(guò)較低阻抗的屏蔽層泄放到測(cè)控柜，而不是走信號(hào)線。
2）為什么用一段導(dǎo)線將屏蔽層連接到測(cè)控柜卻不能改善噪聲？試驗(yàn)中使用的是0.75mm2圓導(dǎo)線長(zhǎng)約50cm，由于趨膚效應(yīng)增大了此導(dǎo)線的阻抗。
3）屏蔽層與芯線通過(guò)絕緣介質(zhì)形成電容，屏蔽層直接接機(jī)殼，其效果相當(dāng)于穿心電容，芯線上共模電壓被此電容旁路。
4）此處電機(jī)平臺(tái)和測(cè)控柜已有接地，通過(guò)傳感器連接線屏蔽層又將兩者連接，形成地環(huán)路。然而實(shí)際工程應(yīng)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(yīng)當(dāng)具體分析并驗(yàn)證。接地與屏蔽是十分復(fù)雜的學(xué)科，要考慮到現(xiàn)實(shí)器件的非理想特性，如實(shí)際的一根導(dǎo)線往往都不能等同于電路原理圖上的連線，因此對(duì)于系統(tǒng)中噪聲干擾需要細(xì)致地進(jìn)行理論分析和實(shí)際驗(yàn)證，確定合適的布局連線。
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(cè)試和豐富的現(xiàn)場(chǎng)排查經(jīng)驗(yàn)都是非常重要的，功率分析儀擁有強(qiáng)大的波形和測(cè)試功能，能為電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器的研發(fā)生產(chǎn)提供高可靠性的測(cè)試分析數(shù)據(jù)。
