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）

       摘要：當前直流伺服系統(tǒng)和變頻驅(qū)動電源得到廣泛應(yīng)用，這些設(shè)備基本都配置了工業(yè)現(xiàn)場總線通信（例如CAN總線通信），方便遠程控制。但這些設(shè)備中的功率開關(guān)器件在正常運行時產(chǎn)生的干擾常常會導致現(xiàn)場總線通信無法正常工作。文章全面分析了干擾產(chǎn)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。

　　關(guān)鍵詞：伺服驅(qū)動；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)場的電磁環(huán)境越來越惡劣，對工業(yè)現(xiàn)場總線通信的穩(wěn)定性和可靠性提出了挑戰(zhàn)。為了保證工業(yè)現(xiàn)場總線通信的穩(wěn)定性和可靠性，應(yīng)用時必須全面考慮現(xiàn)場環(huán)境周圍設(shè)備及有直接電氣連接的設(shè)備可能對其產(chǎn)生的干擾，積極采用各種方法去應(yīng)對潛在的干擾。

　　CAN總線［1］作為一種工業(yè)現(xiàn)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(yīng)用于汽車業(yè)、航空業(yè)、工業(yè)控制、安全防護等領(lǐng)域。

1提出問題

　　某型物流搬運小車的研發(fā)與調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)基于CAN總線（CANopen）通信的直流伺服控制系統(tǒng)中會頻繁出現(xiàn)一臺或幾臺驅(qū)動器離線，使主控制器PLC失去對伺服驅(qū)動器的控制，從而導致小車運行故障。通過對CAN總線數(shù)據(jù)的監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(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分析問題

　　根據(jù)示波器中顯示的CAN總線信號幅值偏低，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)動器和伺服電機工作時產(chǎn)生的干擾，導致了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)動系統(tǒng)中的CAN通信干擾源主要來自三方面：（1）功率開關(guān)管以十幾千赫茲頻率導通和關(guān)斷時產(chǎn)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(chǎn)生的干擾；（2）伺服電機工作時在其中性點產(chǎn)生的共模電壓通過定子線圈與電機外殼間的分布電容產(chǎn)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。

　　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(chǎn)生的功率電壓斬波和伺服電機工作產(chǎn)生的時變共模電壓，可統(tǒng)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(chǎn)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(jīng)分布電容耦合產(chǎn)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(shù)回到電源負極［3］。當CAN總線系統(tǒng)與伺服系統(tǒng)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。

　　共模電流經(jīng)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(tǒng)與伺服系統(tǒng)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(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(jù)以上分析，本例中對CAN通信的干擾源主要是直流伺服驅(qū)動系統(tǒng)產(chǎn)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(fā)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(jié)構(gòu)及機械強度方面來考慮，這種方法基本不能實現(xiàn)。

　　（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(jīng)Cg、散熱器、Cs的路徑直接到鋰電池負極，從而不需要經(jīng)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。

　　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(huán)，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(huán)內(nèi)的感應(yīng)電動勢相互抵消，增強總線的抗磁場干擾能力［5］。

　　經(jīng)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(shù)幾乎減少為零，保證了系統(tǒng)中各個伺服系統(tǒng)的正常工作。

4結(jié)論

　　以上對直流伺服系統(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原理的電力電子設(shè)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(tǒng)安全、可靠、高效地運行。

　　參考文獻

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

　　［2］ 余偉.永磁交流驅(qū)動系統(tǒng)共模干擾預測及抑制技術(shù)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(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CAN總線抗干擾能力影響的研究［J］. 汽車技術(shù)，2009(10): 30-33.