CAN总线数据通信EMC问题及解决方案

ＣＡＮ总线数据通信ＥＭＣ问题及解决方案

Ｔｈｅ

ＥＭＣ

ａｎｄＩｔｓＳｏｌｕｔｉｏｎｓｏｆＣＡＮＢＵＳＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ

王大静张全柱孙湖郑琼林

（北京交通大学电气工程学院，北京市１０００４４）ＷａｎｇＤａｊｉｎｇ

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１

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【摘

要】以双逆变器——电机交流传动互馈试验台的数据采集系统为平台，依据电磁兼容理论研究分析

了ＣＡＮ总线数据通信的ＥＭＣ问题＇并给出了具体的解决方案。试验结果表明，该方案切实可

行，保证了系统的良好运行。

【关键词】交流传动互馈试验台ＣＡＮ

ＥＭＣ

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｔｗｉｎｉｎｖｅｒｔｅｒ－ｍｏｔｏｒＡＣｄｒｉｖｅｒｅｃｉｐｒｏｃａｌｐｏｗｅｒｆｅｄｔｅｓｔ—ｂｅｄｄａｔａｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ

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ＣＡＮ

ＥＭＣ

引言

国内较先进的交流传动试验方法之一。该试验平台ＣＡＮ总线自８０年代开发以来，以其独特优越性可完成列车传动系统的启动、加速、高速运行、停车能在工业领域得到广泛应用。与Ｐｒｏｆｉｂｕｓ等其他现

制动等功能，大量的现场试验数据需要采集。其数据场总线相比，它具有多主通信，通信数据块编码，短

采集系统采用ＣＡＮ总线传输数据。

帧结构，自动关闭总线等不可比拟的优点。然而在实际应用过程中，由于设备机构及电磁环境的不同，ＣＡＮ总线的数据通信遇到很多问题。

近几年，国内外对于ＣＡＮ的应用研究分析的各种技术文献卜３１中，介绍了评价ＣＡＮ总线系统ＥＭＣ的基本标准，给出不同ＣＡＮ总线系统的测试装置、评价标准及评价方法；研究了汽车里ＣＡＮ总线系统的电磁辐射对车内其他设备的影，Ｎ年ＵＣＡＮ总线传输采用不同通信介质的工作特性等。这些研究侧重于ＥＭＣ的理论分析，缺乏具体实现方案说明。

本文就双逆变器——电机交流传动互馈试验台［４￣５特定电磁环境下ＣＡＮ总线系统存在的ＥＭＣ问题进行分析研究”９。，并给出了具体的解决方案。实际

图１试验台数据采集系统

运行结果表明，该解决方案切实可行，系统运行良该试验台数据采集系统结构框图如图１所示，试好。

验台由一台整流器、两台逆变器和两台同轴连接的１

双逆变器——电机交流传动互馈试验台数据采集交流异步电机组成，并配备了司机控制台，包括司机系统结构

控制器和速度控制器。司机控制台配有ＰＣ机。试验双逆变器——电机交流传动互馈试验台是目前

台系统各个对象之间采用ＣＡＮ总线方式进行通讯。ＰＣ机通过ＣＡＮ卡收集各个对象的信息和数据。司收稿日期：２００４－－１２－１

５

机控制台收集来自整流器、逆变器和电机的数据，可作者简介：王大静（１９８０一），女，北京交通大学电气工程学院，硕

士研究生，研究方向为电力电子及电力传动。

在ＰＣ机上显示；同时，司机控制台向逆变器传送司郑琼林（】９６４－－），男，北京交通大学电气工程学院，教授，博士研机控制指令，该指令可由司控器和速控器给出，也可究生导师，研究领域为交流传动、有源滤波和电力电子软开关。

由ＰＣ机软件给出。

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该数据采集系统中各个节点都采用ＴＭＳ３２０Ｆ２４３ＤＳＰ芯片，该芯片内嵌ＣＡＮ模块，全面兼容ＣＡＮ２．０Ｂ协议。其通信原理图如图２所示。

ＴＸ、ＲＸ为ＤＳＰ用于ＣＡＮ通信的管脚，也可配置为一般的ＩＯ口。６Ｎ１３７为高速光耦，起到电气隔离作用。ＰＣＡ８２Ｃ２５０为总线驱动芯片。Ｃ、Ｄ之间为ＣＡＮ网络匹配电阻。本实验台介绍详见文献［５】。

个方面：

（１）ＰＷＭ信号本身的开关频率次、开关频率倍数次及其附近的谐波和高频谐波成分对附近的设备产生辐射干扰。

（２）电力开关装置通断时电路产生的ｄｉ／ｄｔ，在电感上形成感应电压Ｌｄｉ／ｄｔ，造成差模辐射，并在寄生电容上形成共模电压。具有高ｄｉ／ｄｔ的电流回路也成为电磁场的辐射源。在大功率整流器电路系统

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里，会产生很大的ｄｉ／ｄｔ，通过大电感产生

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差模电流Ｃｄｖ／ｄｔ。在大功率整流器电路系统中，很小的分布电容

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图２通信原理图

ＣＡＮ节点的组网方式通常有三种，即点对点连接、树型连接和总线型连接。其中总线性又分为支脉型和菊花链型。本实验台ＣＡＮ节点采用菊花链方式组网。这种连接方式可以提供一条单一、连续的信号通道，由于其他两种连接方式。采用非屏蔽双绞线作为总线传输介质。

２

和电感都会产生很大的干扰电流，对系统运行造成很大干扰。

此外，试验台工作时，也会产生高频噪声，造成较强的辐射干扰。２．２解决方案

为保证系统正常运行，在ＣＡＮ通信系统必须采取附加的抗干扰措施。

根据ＥＭＣ相关理论，任何电磁兼容问题都包含三个要素，即干扰源、敏感源和耦合路径，这三个因素缺少一个，电磁兼容问题就不会存在。基于以上分析研究，我们采取以下抗干扰措施。

（１）ＣＡＮ总线外套屏蔽磁环，用于抑制电源线、信号线上的ＥＭＩ干扰，同时还具有吸收静电脉冲能力。

其原理是增加共模回路阻抗，减小共模电流。在选择磁环时，我们选用磁导率较高、体积较大的磁环，且内径包紧导线。这是因为铁氧体磁导率越高，低频的阻抗就越大，高频的阻抗越小。而ＰＷＭ整流器的干扰主要是低频干扰。同时，磁环的内外径差越大，轴向越长，阻抗越大。对噪声衰减作用越强。增加电缆上的铁氧体磁环的个数，也可以增加低频的阻抗。而且，磁环应该尽量靠近干扰源。

ＥＭＣ问题分析及解决方案

在本系统的调试运行过程中，电磁兼容问题是

该数据采集系统运行最关键的问题。

２．１

ＥＭＣ问题分析

对噪声来源的分析对于解决电磁兼容问题是很

重要的。

本试验台主要面向于大功率交流传动系统，高功率因数ＰＷＭ整流器额定容量达到１００ＫＶ，在通信系统的调试过程中，最初进行点对点通信调试时，由可控硅整流桥提供直流电压时，采用常规的抗干扰措施，ＣＡＮ通信系统可以正常工作。但当试验台由ＰＷＭ整流器供电时，该数据采集系统无法正常工作。这说明ＰＷＭ整流器工作时，产生很强的电磁干扰，成为一个巨大的噪声源，严重影响了ＣＡＮ通信系统的运行。

实验结果表明，主要的电磁噪声源包括以下三

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（２）在ＣＡＮ接口（图２中Ｃ、Ｄ的信号线）处加丌型滤波电路。

这是一种典型的低通滤波器。它巧妙地利用了电感线圈与其寄生电容的并联谐振特性，适当调整电路参数，使得其插入损耗和频率特性曲线非常陡峭，而峰值很高。此外，其线圈的电阻非常低，因此，特别适用于抑制高速数字信号线中的噪声。而且不会造成信号波形的畸变。

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Ｐ／３０００Ｖ

图３７ｒ型滤波电路其中插入损耗表征滤波器对干扰的衰减作用，用ＩＬ表示。如果把该滤波电路看作一个二端口网络，则依网络理论，它的Ａ参数矩阵可求得

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把（１）中的元素带入下式

得到丌型滤波电路的插入损耗为：

ＣＡＮ的通信速率为１００Ｋ，Ｚｓ，Ｚ１＞５０Ｑ，分别为源阻抗和负载阻抗。得出

Ｌ一１～３／．ｔＨ，Ｃ

ｚ

１５００～２５００Ｐ。

结合试验实际调试效果，选取图３所示参数。（３）在ＤＳＰ的两个，ＣＡＮ通信管脚（即图２中Ａ，Ｂ两点）之间加一个２０００Ｐ的电容。

这个电容使得ＣＡＮ通信信号进入ＤＳＰ之前进行一次滤波，起到对高频干扰旁路的作用。

Ｃ＝ｆ３～５）二

（４）

Ｒ

把Ｔ＝１／２０Ｍ，Ｒ，＝１２５Ｑ代入上式得出

Ｃ。１８００～３０００Ｐ。

考虑实际调试效果，选择２０００Ｐ的电容。加入这个电容后，滤波效果非常明显。即使在ＰＷＭ整流器工作时，ＣＡＮ通信性能也很好。

（４）ＣＡＮ网络的匹配阻抗

万　

方数据ＣＡＮ网络的终端电阻（即图２中的Ｃ、Ｄ之间电阻）对于抗干扰措施的有效性有很大影响，终端电阻不合适，将增加系统对干扰的敏感度，降低通信性能。因此在ＣＡＮ通信系统中，匹配阻抗的选择成为各项ＥＭＣ措施中最重要的一项。

理论上在选择终端电阻时，ＣＡＮ定义在每个接收信号的中点或靠后进行采样时，只要反射信号衰减到足够低时就可以不考虑匹配，但这在实际工作中难以掌握。而且终端电阻还受到各个节点电阻、电容及总线电容的影响。因此，在选择阻抗时，要考虑各方面情况，在理论方法的基础上，以实际通信效果为准。

双绞线的终端匹配阻值一般推荐为１２０欧。本系统中，每个ＣＡＮ节点的匹配阻抗都为１２０欧。在近

距离传输的情况下，理论上没有问题。然而，在实际运行过程中，ＣＡＮ节点的点对点通信虽然正常，但组网后节点之间通信都不正常，甚至无法通信。经多次调试分析，发现是匹配阻抗的问题。

如图１，ＣＡＮ总线上挂有４个通信节点，每个节

点的ＣＡＮ模块结构都是一样的，均为图２所示。每个节点都有１２０欧的匹配阻抗，这样，整个ＣＡＮ通信系统的匹配阻抗就为３０欧，这与双绞线的匹配阻抗相差太大，从而使通信无法正常进行。

经过反复调试，将其中两个节点的匹配电阻去

掉后，ＣＡＮ网络各节点通信正常，可靠运行。

ＣＡＮ网络电阻对于匹配总线阻扰，起着相当重要的作用。忽略掉它们，会使数据通信的抗干扰性及可靠性大大降低，甚至无法通信。３实验波形

图４为附加抗干扰措施前后的ＣＡＮ通信波形。可见，以上附加的抗干扰措施，显著增强了系统

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ａ）未采取附加抗干扰措施时

（下转第５８页）

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２９

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（上接第２９页）

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ａｎ

ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅＣＡＮｂｕｓ．Ｅｌｅｃ—

ｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃＣｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ．１９９９ＩＥＥＥＩｎｔｅｒｎａ－

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Ｖｏｌｕｍｅ １．２—６Ａｕｇ．１９９９．

Ｐａｇｅｓ：５１２－５１６ｖ０１．１

［３】Ｒ．Ｔ．ＭｃＬａｕｇｈｌｉｎ．Ｔｈｅｉｍｍｕｎｉｔｙ

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．２２Ｍａｒ．１９９３．Ｐａｇｅｓ：４／１—４／８

［４】郑琼林．电力电子技术对电牵引传动系统发展的影响［Ｊ】．电力电子．２００３（５）：９－１４

【５】王大静、孙湖、郑琼林．基于ＣＡＮ总线的双

逆变器——电机交流传动互馈试验台数据采集系统

睃【Ｔ簟瓤．Ｔ０５３０＋．４１，ＣＨ，．ｊ；。Ｖ．．：毒●．ｕＳ…：…．：…。：

ｂ）采取附加抗干扰措施后

图４附加抗干扰措施前后ＣＡＮ通信波形

［Ｊ］．自动化技术与应用．２００４（１１）

【６】Ｙｏ－ＣｈａｎＳｏｎ．Ｓｅｕｎｇ－ＫｉＳｕｌ．ＣｏｎｄｕｃｔｅｄＥＭＩｉｎＰＷＭｉｎｖｅｒｔｅｒｆｏｒｈｏｕｓｅｈｏｌｄｅｌｅｃｔｒｉｃ

ａｐｐｉｌａｎｃｅ．ＩｎｄｕｓｔｒｙＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ．２００１．Ｔｈｉｒｔｙ－ＳｉｘｔｈＩＡＳＡｎｎｕａｌ

抵抗电磁干扰的性能。它为整个试验台的数据采集系统可靠运行提供了保障。

在ＣＡＮ总线的现场调试过程中，会出现很多实际问题，这需要在理论的基础上结合现场条件进行分析，采取有效措施解决出现的问题。４结论

Ｍｅｅｔｉｎｇ．Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ

Ｒｅｃｏｒｄｏｆｔｈｅ２００１ＩＥＥＥ．Ｖｏｌｕｍｅ：４．３０Ｓｅ－ｐｔ．一４

Ｏｃｔ．２００１．Ｐａｇｅｓ：２４４１—２４４７ｖ０１．４

［７】Ｘｕｅｊｕｎ

Ｊｉａｎ

Ｐｅｉ、ＪｉａｎＸｉｏｎｇ、

ＹｏｎｇＫａｎｇ、

Ｃｈｅｎ．Ａｎａｌｙｓｉｓ

ａｎｄｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ

ｏｆｃｏｎ－

Ｉ）在双逆变器——电机交流传动互馈试验台

中，ＰＷＭ高功率因数整流器的运行给ＣＡＮ通信系统造成严重的电磁干扰。

２）ＣＡＮ网络匹配阻抗是影响整个系统的抗干扰措施效果的关键。

３）实验结果表明，采用文中提出的ＥＭＣ解决方案后，整个数据采集系统运行良好。

ｄｕｃｔｅｄＥＭＩｅｍｉｓｓｉｏｎｉｎＰＷＭ

ｉｎｖｅｒｔｅｒ．Ｅｌｅｃｔｒｉｃ

ＭａｃｈｉｎｅｓａｎｄＤｒｉｖｅｓＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ．２００３．ＩＥＭＤＣ’

０３．ＩＥＥＥＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ．Ｖｏｌｕｍｅ：３．１—４Ｊｕｎｅ２００３．Ｐａｇｅｓ：１７８７一１７９２ｖ０１．３

［８］Ｃｈｉｎｇｃｈｉ

ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ

Ｃｈｅｎ．Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｏｆｐｏｗｅｒ

ＥＭＩ

ｅｍｉｓｓｉｏｎ．Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ

Ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ．２００３ＩＥＥＥＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＳｙｍｐｏ－ｓｉｕｍｏｎ．Ｖｏｌｕｍｅ：２．１８－２２Ａｕｇ．２００３．Ｐａｇｅｓ：

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口

倥量仪表精准化与计删５６

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CAN总线数据通信EMC问题及解决方案

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

王大静， 张全柱， 孙湖， 郑琼林， Wang Dajing， Zhang Quanzhu， SUN Hu， ZhengQionglin

北京交通大学,电气工程学院,北京市,100044仪器仪表标准化与计量

INSTRUMENT STANDARDIZATION & METROLOGY2005(1)1次

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本文链接：/Periodical_yqybbzhyjl200501010.aspx

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