直流伺服系統(tǒng)中CAN總線(xiàn)的干擾問(wèn)題研究

趙亞斌 ，羅利文

(上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240)

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直流伺服系統(tǒng)中CAN總線(xiàn)的干擾問(wèn)題研究

趙亞斌 ，羅利文

(上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240)

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(xiàn)通信(例如CAN總線(xiàn)通信)，方便遠(yuǎn)程控制。但這些設(shè)備中的功率開(kāi)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(xiàn)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(lèi)通信干擾的解決方法。

伺服驅(qū)動(dòng)；CAN總線(xiàn)；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(xiàn)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(xiàn)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?chē)O(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(xiàn)[1]作為一種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)，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(chē)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(chē)的研發(fā)與調(diào)試過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)基于CAN總線(xiàn)(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(xiàn)，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(chē)運(yùn)行故障。通過(guò)對(duì)CAN總線(xiàn)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(xiàn)的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)CAN總線(xiàn)的電平信號(hào)受到嚴(yán)重干擾。類(lèi)似的問(wèn)題也會(huì)存在于逆變電源的CAN總線(xiàn)或其他工業(yè)總線(xiàn)的通信中。本文的主要目的就是找出此類(lèi)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(xiàn)信號(hào)幅值偏低，且有大量毛刺的現(xiàn)象，初步判斷是車(chē)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(xiàn)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(kāi)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(xiàn)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。

圖1 直流伺服系統(tǒng)原理框圖

2.2 功率脈沖電壓對(duì)CAN總線(xiàn)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(chēng)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(xiàn)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。

圖2 簡(jiǎn)化共模電流路徑圖

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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(chē)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(chē)體與散熱器、電機(jī)外殼的電氣連接斷開(kāi)，可減小干擾。但從車(chē)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)。

(2)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(xiàn)的通信。采用屏蔽電纜時(shí)共模電流路徑如圖3所示。

圖3 采用屏蔽電纜時(shí)共模電流路徑圖

3.2 增強(qiáng)敏感回路抗干擾能力

(1)在CAN總線(xiàn)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]。

(2)采用雙絞線(xiàn)，利用雙絞線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)上的干擾，CAN總線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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。

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

[2] 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.

[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(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.

[5] 李玉龍，王麗芳，廖承林，等.屏蔽層對(duì)CAN總線(xiàn)抗干擾能力影響的研究[J].汽車(chē)技術(shù)，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(tǒng)中CAN總線(xiàn)的干擾問(wèn)題研究[J].微型機(jī)與應(yīng)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(tǒng)，四向穿梭車(chē)研究與設(shè)計(jì)。

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