一位高级工程师善用功率分析仪进行电机驱动现场干扰排查的实例-电子发烧友网

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。