趙亞斌 ，羅利文

　?。ㄉ虾＝煌ù髮W(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240）

       摘要：當(dāng)前直流伺服系統(tǒng)和變頻驅(qū)動(dòng)電源得到廣泛應(yīng)用，這些設(shè)備基本都配置了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線通信（例如CAN總線通信），方便遠(yuǎn)程控制。但這些設(shè)備中的功率開關(guān)器件在正常運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的干擾常常會(huì)導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)總線通信無(wú)法正常工作。文章全面分析了干擾產(chǎn)生的機(jī)理、可能的干擾源及干擾的耦合路徑，并從阻斷干擾路徑和提高受擾對(duì)象的抗干擾能力兩個(gè)方面提出了此類通信干擾的解決方法。

　　關(guān)鍵詞：伺服驅(qū)動(dòng)；CAN總線；干擾；共模電流

0引言

　　隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，電力電子裝置越來(lái)越多地應(yīng)用于工業(yè)中。然而，隨著這些電力電子裝置的廣泛應(yīng)用，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的電磁環(huán)境越來(lái)越惡劣，對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線通信的穩(wěn)定性和可靠性提出了挑戰(zhàn)。為了保證工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線通信的穩(wěn)定性和可靠性，應(yīng)用時(shí)必須全面考慮現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境周圍設(shè)備及有直接電氣連接的設(shè)備可能對(duì)其產(chǎn)生的干擾，積極采用各種方法去應(yīng)對(duì)潛在的干擾。

　　CAN總線［1］作為一種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線，在上世紀(jì)80年代初由德國(guó)博世公司提出，其通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10 km（速率<5 kb/s），通信速率最高可達(dá)1 Mb/s（通信距離<40 m）。因其可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性強(qiáng)的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車業(yè)、航空業(yè)、工業(yè)控制、安全防護(hù)等領(lǐng)域。

1提出問(wèn)題

　　某型物流搬運(yùn)小車的研發(fā)與調(diào)試過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)基于CAN總線（CANopen）通信的直流伺服控制系統(tǒng)中會(huì)頻繁出現(xiàn)一臺(tái)或幾臺(tái)驅(qū)動(dòng)器離線，使主控制器PLC失去對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器的控制，從而導(dǎo)致小車運(yùn)行故障。通過(guò)對(duì)CAN總線數(shù)據(jù)的監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)有大量錯(cuò)誤幀。針對(duì)該問(wèn)題用示波器對(duì)CAN總線的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)CAN總線的電平信號(hào)受到嚴(yán)重干擾。類似的問(wèn)題也會(huì)存在于逆變電源的CAN總線或其他工業(yè)總線的通信中。本文的主要目的就是找出此類設(shè)備干擾通信的根源，并給出具體的解決方案。

2分析問(wèn)題

　　根據(jù)示波器中顯示的CAN總線信號(hào)幅值偏低，且有大量毛刺的現(xiàn)象，初步判斷是車體內(nèi)的直流伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的干擾，導(dǎo)致了CAN總線的通信異常。

　　2.1直流伺服系統(tǒng)中的通信干擾源

　　根據(jù)直流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作原理［2］，并結(jié)合圖1所示的直流伺服系統(tǒng)原理框圖，分析可得直流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的CAN通信干擾源主要來(lái)自三方面：（1）功率開關(guān)管以十幾千赫茲頻率導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的功率電壓脈沖通過(guò)MOS管殼體與散熱器間的分布電容產(chǎn)生的干擾；（2）伺服電機(jī)工作時(shí)在其中性點(diǎn)產(chǎn)生的共模電壓通過(guò)定子線圈與電機(jī)外殼間的分布電容產(chǎn)生的干擾；（3）主電流回路的脈動(dòng)電流對(duì)空間的電磁場(chǎng)輻射干擾。

　　2.2功率脈沖電壓對(duì)CAN總線的干擾

　　功率半導(dǎo)體器件通斷產(chǎn)生的功率電壓斬波和伺服電機(jī)工作產(chǎn)生的時(shí)變共模電壓，可統(tǒng)稱為功率脈沖電壓,其主要特點(diǎn)是具有很大的du/dt。功率脈沖電壓主要通過(guò)分布電容耦合產(chǎn)生干擾，干擾可分為兩種情況，一種是散熱器和電機(jī)外殼可靠接地，此時(shí)經(jīng)分布電容耦合產(chǎn)生的共模電流流入大地，加重傳導(dǎo)EMI；另一種就是本例的情況，散熱器和電機(jī)外殼懸浮，共模電流最終通過(guò)復(fù)雜的分布參數(shù)回到電源負(fù)極［3］。當(dāng)CAN總線系統(tǒng)與伺服系統(tǒng)電氣隔離時(shí)，本例的共模電流的流通路徑可簡(jiǎn)化為圖2所示。

　　共模電流經(jīng)簡(jiǎn)化路徑分布電容Cg、散熱器、Cl1、CAN_L電纜、Cl2和Cg、散熱器、Ch1、CAN_L電纜、Ch2回流鋰電池負(fù)極。當(dāng)CAN總線系統(tǒng)與伺服系統(tǒng)電氣不隔離時(shí)，共模電流也可通過(guò)CAN通信電纜與鋰電池負(fù)極的阻抗流入鋰電池負(fù)極，所以CAN總線系統(tǒng)的電氣隔離也有助于減小共模干擾。根據(jù)平板電容的計(jì)算公式C=εS/4πkd，可以定性分析本例中影響共模干擾電流的主要因數(shù)，如散熱器的面積影響分布電容的有效極板面積，散熱器與通信電纜的相對(duì)位置及通信電纜與整個(gè)鋰電池負(fù)極的相對(duì)位置影響極板間距，所以合理的布局可以有效減小耦合電容的容量，進(jìn)而減小穿透耦合電容的共模電流的大小。

3解決問(wèn)題

　　根據(jù)以上分析，本例中對(duì)CAN通信的干擾源主要是直流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的共模干擾和空間電磁場(chǎng)的輻射干擾。從電磁干擾三要素角度來(lái)看，本例只能從阻斷耦合路徑和增加敏感回路的抗干擾能力出發(fā)來(lái)解決CAN總線的干擾問(wèn)題。

　　3.1阻隔共模電流的耦合路徑

　　（1）減小散熱器的面積。本例中金屬車體與散熱器、電機(jī)外殼有直接的電氣連接，相當(dāng)于散熱器的面積增大，干擾也隨之增大。將車體與散熱器、電機(jī)外殼的電氣連接斷開，可減小干擾。但從車體的結(jié)構(gòu)及機(jī)械強(qiáng)度方面來(lái)考慮，這種方法基本不能實(shí)現(xiàn)。

　?。?）采用屏蔽電纜。屏蔽電纜的屏蔽層接鋰電池負(fù)極，可阻斷共模電流的耦合路徑。此時(shí)共模電流經(jīng)Cg、散熱器、Cs的路徑直接到鋰電池負(fù)極，從而不需要經(jīng)過(guò)通信電纜去干擾CAN總線的通信。采用屏蔽電纜時(shí)共模電流路徑如圖3所示。

　　3.2增強(qiáng)敏感回路抗干擾能力

　　（1）在CAN總線上增加高頻抗干擾磁環(huán)，形成共模扼流圈抑制共模干擾［4］。

　?。?）采用雙絞線，利用雙絞線的扭曲特性，使相鄰環(huán)內(nèi)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相互抵消，增強(qiáng)總線的抗磁場(chǎng)干擾能力［5］。

　　經(jīng)測(cè)試，采用以上措施有效地抑制了CAN總線上的干擾，CAN總線上的錯(cuò)誤幀數(shù)幾乎減少為零，保證了系統(tǒng)中各個(gè)伺服系統(tǒng)的正常工作。

4結(jié)論

　　以上對(duì)直流伺服系統(tǒng)中CAN總線干擾的原因分析，從一定程度上也代表了基于逆變?cè)淼碾娏﹄娮釉O(shè)備對(duì)CAN總線的干擾機(jī)理，尤其是散熱器懸浮的情況。通過(guò)以上解決方案，解決了CAN總線被干擾的問(wèn)題，保證了整個(gè)系統(tǒng)安全、可靠、高效地運(yùn)行。

　　參考文獻(xiàn)

　?。?］ BOSCH. CAN Specification Version 2.0［Z］. 1991.

　?。?］ 余偉.永磁交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)共模干擾預(yù)測(cè)及抑制技術(shù)的研究［D］. 南京：南京航空航天大學(xué)，2014.

　?。?］ 陳渭紅.逆變器電磁干擾及其干擾模型研究［D］. 西安：西安理工大學(xué)，2007.

　　［4］ 楊德勇，閔建軍，范祝霞，等.變流器傳導(dǎo)干擾分析與磁環(huán)抑制作用研究［J］. 大功率變流技術(shù)，2014(6): 33-39.

　?。?］ 李玉龍，王麗芳，廖承林，等.屏蔽層對(duì)CAN總線抗干擾能力影響的研究［J］. 汽車技術(shù)，2009(10): 30-33.