工程师日常之故障干扰排查

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在工程师们的日常测试中，故障干扰排查可谓是家常便饭，而高级工程师往往能快速定位问题，这与丰富的日常经验和灵活使用测量仪器有很大关系，下文将结合实例来详细分析。
测试现场
此次测试的对象为小型电机系统，系统分为驱动器、电机平台、测试，3个部分。驱动器输出通过电缆连接到电机平台，电机转轴上安装扭矩传感器，传感器所有连接线引到测试仪器，传感器输出信号接入功率分析仪电机测量单元扭矩BNC接口。传感器输出100kHz±50kHz脉冲对应0±5Nm扭矩。
这是一个日常的测试现场，工程师们需要测量基础电参数，通过波形查找干扰问题，评估三相不平衡度等。
遇到问题
调试中发现，驱动器上电但未开启输出，电机转轴处于自由静止状态，测量到一个较大的值。用示波器测量传感器输出，发现100kHz脉冲上每个几个周期出现一些尖峰振荡，经过比较器后多了些脉冲，导致测频结果高于100kHz。那么干扰信号从何而来？首先怀疑是驱动器，驱动器断电干扰消失。把传感器电缆从传感器处拔出，100kHz和干扰都没有了。证明干扰由驱动器产生，通过驱动器输出线、电机、扭矩传感器及连线耦合到功率分析仪。
解决问题
这一款驱动器比较特殊，变频器不输出时内部开关管依然处于工作状态，相比其它变频器这款干扰很大。分析其噪声模型如下图所示，驱动器输出共模电压，绕组与机壳间存在寄生电容C1，机壳与传感器电路有寄生电容C2，形成传导路径，电机和传感器壳体作为中间导体虽然接地，不过驱动器、电机、测控柜距离较远，接地线阻抗高中间导体电位并不为零，仍有高频共模电流通过电缆进入PA。PA扭矩输入是BNC型端子，内部电路地对机壳多少有一些空间杂散电容C3（约几十pF），共模电压在两信号线产生不对称的电流，从而在线路阻抗上转化为差模电压叠加在正常信号中。
从安全方面考虑，三个机柜都必须接大地，强电线路与信号线分开避免干扰这些都是要遵循的基本原则。实际机柜间位置较远，接地对于高频干扰改善不多，只作为安全措施。解决这种问题一般考虑是从干扰源、传播路径、敏感设备三方面着手。驱动器和功率分析仪是成型的设备，不便于改动，考虑从传播路径入手，使用多芯屏蔽电缆连接扭矩传感器到测控柜，传感器端屏蔽层连接到传感器外壳，也与电机平台连通，另一侧屏蔽层接到测控柜机壳。最初的时候屏蔽层通过一根较长的线连接到测控柜，发现并没有改善，最后使用铜片将整根线压到机柜，干扰得到很大衰减。
此时将系统运行起来，通过功率分析仪的数据和波形再次进行验证，电压波形图和矢量图都很完美。
深入分析
此处顺便提及一下干扰信号的传播，可通过空间或导体传播，空间干扰方式可分为感应和辐射，辐射通常以电磁波方式传播。感应发生在较近距离内，干扰源若是高电压小电流则以电场干扰为主，低压大电流则以磁场为主。对于敏感设备，高阻抗节点易受电场干扰，应使用电场屏蔽，屏蔽导体接地。低阻抗闭合回路易受磁场干扰，应尽可能减少环路面积。传导干扰通过器件、线路以共模或差模方式传播，如果设备或线路不平衡共模则会转化为差模信号叠加在有用信号中。
本例以传导干扰为主，所用方法基于以下的原因解决问题。
1、通过宽大的屏蔽层对高频信号呈现较低的阻抗，减少电机平台和测控柜的地电势差，干扰电流通过较低阻抗的屏蔽层泄放到测控柜，而不是走信号线。
2、为什么用一段导线将屏蔽层连接到测控柜却不能改善噪声？试验中使用的是0.75mm2圆导线长约50cm，由于趋肤效应增大了此导线的阻抗。
3、屏蔽层与芯线通过绝缘介质形成电容，屏蔽层直接接机壳，其效果相当于穿心电容，芯线上共模电压被此电容旁路。
4、此处电机平台和测控柜已有接地，通过传感器连接线屏蔽层又将两者连接，形成地环路。然而实际工程应用中地环路往往不可避免地存在，本例中若没有屏蔽层依然会通过C2、电缆和C3产生高频地环路，从这方面看屏蔽层改变了环路路径。
本文的方法仅作参考，具体问题应当具体分析并验证。接地与屏蔽是十分复杂的学科，要考虑到现实器件的非理想特性，如实际的一根导线往往都不能等同于电路原理图上的连线，因此对于系统中噪声干扰需要细致地进行理论分析和实际验证，确定合适的布局连线。
此次故障干扰排查实例充分说明了能灵活使用功率分析仪进行测试和丰富的现场排查经验都是非常重要的，功率分析仪拥有强大的波形和测试功能，能为电机与驱动器的研发生产提供高可靠性的测试分析数据。