直流伺服系統中CAN總線的干擾問題研究

趙亞斌 ，羅利文

(上海交通大學 電子信息與電氣工程學院，上海 200240)

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直流伺服系統中CAN總線的干擾問題研究

趙亞斌 ，羅利文

(上海交通大學 電子信息與電氣工程學院，上海 200240)

當前直流伺服系統和變頻驅動電源得到廣泛應用，這些設備基本都配置了工業現場總線通信(例如CAN總線通信)，方便遠程控制。但這些設備中的功率開關器件在正常運行時產生的干擾常常會導致現場總線通信無法正常工作。文章全面分析了干擾產生的機理、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象的抗干擾能力兩個方面提出了此類通信干擾的解決方法。

伺服驅動；CAN總線；干擾；共模電流

0 引言

隨著電力電子技術的快速發展，電力電子裝置越來越多地應用于工業中。然而，隨著這些電力電子裝置的廣泛應用，工業現場的電磁環境越來越惡劣，對工業現場總線通信的穩定性和可靠性提出了挑戰。為了保證工業現場總線通信的穩定性和可靠性，應用時必須全面考慮現場環境周圍設備及有直接電氣連接的設備可能對其產生的干擾，積極采用各種方法去應對潛在的干擾。

CAN總線[1]作為一種工業現場總線，在上世紀80年代初由德國博世公司提出，其通信距離最遠可達10 km(速率<5 kb/s)，通信速率最高可達1 Mb/s(通信距離<40 m)。因其可靠性、實時性和靈活性強的特點，廣泛應用于汽車業、航空業、工業控制、安全防護等領域。

1 提出問題

某型物流搬運小車的研發與調試過程中，發現基于CAN總線(CANopen)通信的直流伺服控制系統中會頻繁出現一臺或幾臺驅動器離線，使主控制器PLC失去對伺服驅動器的控制，從而導致小車運行故障。通過對CAN總線數據的監控，發現有大量錯誤幀。針對該問題用示波器對CAN總線的信號進行檢測，發現CAN總線的電平信號受到嚴重干擾。類似的問題也會存在于逆變電源的CAN總線或其他工業總線的通信中。本文的主要目的就是找出此類設備干擾通信的根源，并給出具體的解決方案。

2 分析問題

根據示波器中顯示的CAN總線信號幅值偏低，且有大量毛刺的現象，初步判斷是車體內的直流伺服驅動器和伺服電機工作時產生的干擾，導致了CAN總線的通信異常。

2.1 直流伺服系統中的通信干擾源

根據直流伺服驅動系統的工作原理[2]，并結合圖1所示的直流伺服系統原理框圖，分析可得直流伺服驅動系統中的CAN通信干擾源主要來自三方面：(1)功率開關管以十幾千赫茲頻率導通和關斷時產生的功率電壓脈沖通過MOS管殼體與散熱器間的分布電容產生的干擾；(2)伺服電機工作時在其中性點產生的共模電壓通過定子線圈與電機外殼間的分布電容產生的干擾；(3)主電流回路的脈動電流對空間的電磁場輻射干擾。

圖1 直流伺服系統原理框圖

2.2 功率脈沖電壓對CAN總線的干擾

功率半導體器件通斷產生的功率電壓斬波和伺服電機工作產生的時變共模電壓，可統稱為功率脈沖電壓,其主要特點是具有很大的du/dt。功率脈沖電壓主要通過分布電容耦合產生干擾，干擾可分為兩種情況，一種是散熱器和電機外殼可靠接地，此時經分布電容耦合產生的共模電流流入大地，加重傳導EMI；另一種就是本例的情況，散熱器和電機外殼懸浮，共模電流最終通過復雜的分布參數回到電源負極[3]。當CAN總線系統與伺服系統電氣隔離時，本例的共模電流的流通路徑可簡化為圖2所示。

圖2 簡化共模電流路徑圖

共模電流經簡化路徑分布電容Cg、散熱器、Cl1、CAN_L電纜、Cl2和Cg、散熱器、Ch1、CAN_L電纜、Ch2回流鋰電池負極。當CAN總線系統與伺服系統電氣不隔離時，共模電流也可通過CAN通信電纜與鋰電池負極的阻抗流入鋰電池負極，所以CAN總線系統的電氣隔離也有助于減小共模干擾。根據平板電容的計算公式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，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位置及通信電纜與整個鋰電池負極的相對位置影響極板間距，所以合理的布局可以有效減小耦合電容的容量，進而減小穿透耦合電容的共模電流的大小。

3 解決問題

根據以上分析，本例中對CAN通信的干擾源主要是直流伺服驅動系統產生的共模干擾和空間電磁場的輻射干擾。從電磁干擾三要素角度來看，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來解決CAN總線的干擾問題。

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、電機外殼有直接的電氣連接，相當于散熱器的面積增大，干擾也隨之增大。將車體與散熱器、電機外殼的電氣連接斷開，可減小干擾。但從車體的結構及機械強度方面來考慮，這種方法基本不能實現。

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

圖3 采用屏蔽電纜時共模電流路徑圖

3.2 增強敏感回路抗干擾能力

(1)在CAN總線上增加高頻抗干擾磁環，形成共模扼流圈抑制共模干擾[4]。

(2)采用雙絞線，利用雙絞線的扭曲特性，使相鄰環內的感應電動勢相互抵消，增強總線的抗磁場干擾能力[5]。

經測試，采用以上措施有效地抑制了CAN總線上的干擾，CAN總線上的錯誤幀數幾乎減少為零，保證了系統中各個伺服系統的正常工作。

4 結論

以上對直流伺服系統中CAN總線干擾的原因分析，從一定程度上也代表了基于逆變原理的電力電子設備對CAN總線的干擾機理，尤其是散熱器懸浮的情況。通過以上解決方案，解決了CAN總線被干擾的問題，保證了整個系統安全、可靠、高效地運行。

[1] BOSCH.CAN Specification Version 2.0[Z].1991.

[2] 余偉.永磁交流驅動系統共模干擾預測及抑制技術的研究[D].南京：南京航空航天大學，2014.

[3] 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，2007.

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

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

Study on interference of CAN bus in DC servo system

Zhao Yabin ,Luo Liwen

(School of Electronic Information& Electrical Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240， China)

Currently,the DC servo system and variable frequency drive power supply are widely used.These devices are usually equipped with industrial field bus communication such as CAN bus to implement remote control.But the interference coming from the power switches when these devices are working often makes the fieldbus communication failed.In this paper,the interference mechanism，the potential interference sources and coupling paths are analyzed thoroughly.Furthermore,the solutions to this kind of communication problem are proposed from two aspects: cutting the coupling paths and improving the anti-interference ability of the interfered object.

servo drive; CAN bus; interference; common mode current

TM92

A DOI：10.19358/j.issn.1674-7720.2016.19.001

趙亞斌 ，羅利文.直流伺服系統中CAN總線的干擾問題研究[J].微型機與應用，2016,35(19)：7-8.

2016-06-12)

趙亞斌(1986-)，男，碩士研究生，工程師，主要研究方向：嵌入式系統，四向穿梭車研究與設計。

羅利文(1968-)，通信作者，男，博士，副教授，碩士研究生導師，主要研究方向：光伏發電及并網技術，嵌入式系統。E-mail：lwluo@sjtu.edu.cn。