直流电机驱动器中的共模电压与共模电流对模拟信号影响的讨论

在开发直流电动机伺服驱动控制器时，关于IGBT开关噪声对模拟信号采样造成的影响找到了一些减小的方案。但从原理上还是存在诸多疑问，困惑着我。我先对设计方案进行描述，我有一些自己的想法和假设、疑问，请世纪电源网内的各位大师给予指点。谢谢您了！

一、     电机驱动器内部示意图简介

图1 伺服驱动器内部接地示意图（如果文字过小，可以点进去放大图片）

直流伺服驱动器输入为三相交流380V，通过不控整流到直流母线，再到逆变桥。采用双极性倍频调制方法，驱动永磁直流电机或者串励直流电机。交流输入侧放置X电容和Y电容滤波；直流母线放置多颗Y电容并联；反激式开关电源从直流母线（DC+、DC-）取电，为模拟量用的正负15V供电；电机的速度反馈是旋转变压器（后面简称：旋变）。旋变信号读取采用ADI公司的AD2S1205解码芯片。此芯片发出10KHZ的正弦波，为旋转变压器提供激励源；旋转变压器的副边绕组反馈sin和cos两路差分信号；图中只画出了一路反馈信号。图中所有红色电容及引线，是我理解可能对分析问题有影响的寄生电容。

旋转变压器安装在电机侧，通过较长的屏蔽双绞线引入DSP板。在实际应用中，旋变的外壳只能与电机外壳接触，通过电机外壳接地；旋变信号线的屏蔽层也通过旋变外壳接地。旋变信号是所有模拟量中稳定度最差的，尽管目前已经满足了各项型式试验测试要求，但外部环境稍有变化，还是会报错。

有多种情况都会导致AD2S1205芯片报出旋变信号丢失，而本文只讨论反馈信号对于“模拟电路的信号地”的电压超出芯片规定阈值这种情况。

旋变信号报错多数原因是差分信号相对于模拟地（芯片AD2S1205的地）的共模电压过大，超出芯片规定的阈值，见图2（黄色是cos- ,绿色是cos+，粉色是AD2S1205的LOT管脚旋变丢失，蓝色是差分cos）。通过图2可以看见，当IGBT开始调制的时候，旋变返回的差分信号（用“cos+”减去“cos-”，我是用隔离差分探头测量）并没有受到太大影响。但是“cos+”和“cos-”对于模拟地的电压噪声伏值显著增加，峰值超过了旋变解码芯片的门限值，旋变芯片报出旋变信号丢失。我需要解决的是，如何尽可能的让旋变反馈信号相对于模拟地不超过芯片门限值。

图2 旋变报故障

图3 将图2波形继续放大

下面看一个不会报旋变信号丢失的波形。黄色是cos- ,粉色是AD2S1205的LOT管脚。IGBT调制起来后cos-的电压噪声与上一份图相比小了太多，旋变芯片业没有报故障。这里需要说明的是，因为测点在芯片RC滤波前级，黄色cos-最大值显示6.4V；通过RC滤波到芯片管脚实际电压最大值会小于4V。

图4 不会导致旋变信号丢失的反馈信号

一、     实验中观察到的现象

1.        实验发现造成这个现象是图1中的交流输入滤波Y电容接地不良（图1标1处）和直流母线Y电容接地不良（图1标2处）。同时发现如果反激式变压器输入侧Y电容接地（图1标3处），会导致模拟量采样异常，旋变也会收到干扰。从开发样机开始，发现交流输入侧Y电容接地和直流母线Y电容接地，对系统有好的影响；而反激式开关电源输入侧Y电容接地，对系统有不好的影响。是可以通过实验反复得到验证的。

2.        不能忽略机壳的接地阻抗。之前在没有强电的控制电路中的信号防雷一般都是在信号线对PE（机壳地）加一个TVS管，而在控制器内部有高du/dt的控制电路中却会因为机壳的接地电阻和TVS管的寄生电容共同作用，而影响模拟信号采样。

一、     假设与疑问

如下是我自己的推测与存在的疑问。

1、  旋变信号受到干扰的模型如图5。IGBT调制会使直流母线与PE（机壳地）形成共模电压噪声；再通过寄生电容，PE与低压侧“模拟地”间也产生相对电压噪声；旋变与电机外壳连接，旋变信号线屏蔽层与电机外壳连接（这个我们不能改变），旋变输出的cos信号线相对于PE，产生了共模噪声。最终导致图2和图3中模拟地先对于差分信号线，在IGBT调试时出现较大尖峰电压。

图5 共模干扰模型

实验中发现两种方案可以有效的减小信号线上的共模电压，一是通过交流输出侧滤波电容（图1的1）和直流母线Y电容（图1的2）可靠接地；二是将模拟地和PE直接短接或者通过较大电容形成“交流短路”。在旋变进入DSP处放置容值较大Y电容（见图6），也可以有效减小信号线相对于模拟地的尖峰电压。

图6 在旋变进入DSP处放置容值较大Y电容

2、  为什么开关电源板上反激变压器入口处Y电容接地，会导致模拟量采样异常？不是每一台都会出现异常，但能观察到模拟量电源（例如正负15V）的毛刺变大。是否有是因为接地电阻的存在，噪声注入到反激式变压器，最终耦合到弱电侧（见图7）。

图7 开关电源入口处如果接Y电容可能导致模拟量异常

对于上面的分析假设，我存在诸多疑问，期望各位大师能不吝赐教。

1、  上面两条提出的假设和分析思路是否正确？如果我还没有入门，能否推荐一些分析案例，供我学习。

2、  交流侧入口处滤波电容为什么会影响到信号侧的稳定运行？有和没有差异体现在什么地方？它的存在对认证时候测量的传导骚扰有何影响？

3、  交流侧入口处的滤波用的X电容和Y电容容值各家伺服都不一致，请问我该如何计算、仿真和实测，已确定最优容值？

4、  直流母线通过多个电容并联接PE（图1的2），确实可以起到平缓母线与PE之间的尖峰电压（图8没有并联电容，图9并联电容），但也有很多厂家的伺服没有此电容。请问我该如何计算、仿真和实测，已确定最优容值。

图8 直流母线相对于PE没有并联电容

图9 直流母线相对PE加上滤波电容高频毛刺电压较小

1、  主电路（强电）上的并入Y电容减少了共模干扰，是否意味着增加了共模电流？几乎所有讨论“PWM驱动电机系统传导干扰”论文都在讲如何抑制变频器的共模电流，抑制共模电压和抑制共模电流是否是矛盾的？

2、  关于在控制芯片侧电路（DSP电路）上加Y电容，每一个厂家做法不一致。有的直接将DSP的地与PE（机壳）连接，有的加不同容值的Y电容。如果将DSP的地与PE直连这种方案的优缺点是什么？请问该如何选择是否加Y电容，加多大容值，在什么位置加？

当您看到此处时，可能不禁发笑，这都是些什么问题。但我仍然诚心恳请你评论几句。