中心議題：
* 驅(qū)動系統(tǒng)、線路部分和控制板的emc設(shè)計
* 整車聯(lián)合調(diào)試時現(xiàn)場采取的emc措施
1 引言
can是控制網(wǎng)絡(luò)control area network的簡稱，最早由德國bosch公司推出，用于汽車內(nèi)部測量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信。由于can總線具有造價低廉、傳輸速率高、安全可靠性高、糾錯能力強(qiáng)、實時性好等優(yōu)點，因而廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場。但是隨著電動車和混合動力車的出現(xiàn)，以及汽車電氣系統(tǒng)的迅速增加，頻率的不斷提高，汽車電磁兼容問題的重要性日益顯現(xiàn)出來。
can總線系統(tǒng)由一系列網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通過總線相互連接組成，總線可看作是接收和發(fā)射電磁能量的天線，充當(dāng)能量耦合的環(huán)節(jié)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點既是干擾源又是被干擾對象。由此可知，影響can總線系統(tǒng)emc的兩個要素是:線束的emc耦合和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的emc。
目前，世界上發(fā)達(dá)國家對汽車電磁兼容性研究已取得了一些成就，形成了一整套汽車電磁兼容體系，這主要表現(xiàn)在:
(1)具有完善的汽車電磁兼容的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn);
(2)具有有效地對汽車整車和零部件進(jìn)行電磁兼容檢測、管理和認(rèn)證的機(jī)構(gòu);
(3)具有高精度的汽車電磁兼容測試系統(tǒng);
(4)開發(fā)出了大型的可靠的汽車電磁兼容預(yù)測、分析和設(shè)計軟件;
(5)汽車電磁兼容控制技術(shù)所使用的新材料、新產(chǎn)品、新工藝不斷出現(xiàn)。
從國內(nèi)情況來看，由于我國汽車工業(yè)的水平比較落后，對汽車電磁兼容的重要性認(rèn)識不足，因此，對電磁兼容的研究還很欠缺。
本文結(jié)合國家863項目“電動車”的現(xiàn)場調(diào)試對can總線的電磁兼容性進(jìn)行具體的分析。
2 系統(tǒng)的電磁兼容分析
2.1 hev的系統(tǒng)框圖
該系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)框圖
2.2 系統(tǒng)的電磁兼容分析
電磁兼容性問題包含三個要素，即干擾源、敏感源和耦合路徑，因此，在解決電磁兼容問題時，也要從這三個要素入手進(jìn)行分析，解決電磁干擾問題的方法可簡單歸納為:
(1)抑制干擾源產(chǎn)生的電磁干擾;
(2)切斷耦合路徑;
(3)提高敏感源抗干擾能力。
混合動力汽車上的電磁環(huán)境很惡劣，電機(jī)、變頻器和動力電池組傳輸?shù)哪妇€電流變化比較大，特別是在變頻器進(jìn)行高頻調(diào)制時(這也是該系統(tǒng)電磁兼容問題的關(guān)鍵所在)。而且混合動力汽車上不僅有弱電設(shè)備，還有強(qiáng)電設(shè)備;不僅有數(shù)字電路，還有許多模擬電路。不僅是強(qiáng)電設(shè)備中電流電壓的變化會影響總線狀態(tài)，弱電也會發(fā)生電壓電流的劇烈變化(如繼電器的通斷)，這些都會對總線造成干擾。
整車的電系統(tǒng)內(nèi)存在大量的感性負(fù)載，如異步電動機(jī)，其線圈在開路瞬間，都會成為一種寬頻譜、大能量的瞬變干擾源，這種瞬變脈沖不僅具有浪涌性質(zhì)，而且含有豐富的諧波，可能引起電子控制系統(tǒng)的邏輯錯誤。當(dāng)用開關(guān)或繼電器控制通斷時，產(chǎn)生的瞬變電壓干擾大約會持續(xù)1ms左右，振蕩頻率在1-10mhz范圍，干擾耦合方式為傳導(dǎo)耦合，通過共用電源耦合到電子系統(tǒng)中去。另外，變頻器中還采用了很多高頻開關(guān)器件，如igbt。由于采用脈寬調(diào)制技術(shù)，會產(chǎn)生連續(xù)的具有一定寬度和極性的高速電壓脈沖信號，而這種具有跳變沿的脈沖信號會產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁干擾。
3 驅(qū)動系統(tǒng)的emc設(shè)計
3.1 混合動力車電驅(qū)動部分(強(qiáng)電部分)
圖2 混合動力車電驅(qū)動部分(強(qiáng)電部分)
混合動力車電驅(qū)動部分(強(qiáng)電部分)如圖2所示。
3.2 控制板的emc設(shè)計
3.2.1 電源部分的抗干擾設(shè)計:
(1) 對can通信部分電路采用單獨的隔離電源供電，防止與其他的數(shù)字信號電路部分相互干擾;
(2)在24v控制電源輸入端接電源濾波器，防止從電源引入干擾;
(3)在24/5v電源模塊輸入輸出端均接穩(wěn)壓電容和濾波電容，既可以穩(wěn)定輸出電壓，又能濾除輸出電壓中的尖峰，優(yōu)化輸出電壓波形;
3.2.2 線路部分的emc設(shè)計:
(1)印制電路板要合理的進(jìn)行分區(qū):數(shù)字電路部分、模擬電路部分、繼電器和功率開關(guān)等干擾源部分要合理的分開，將各部分之間的耦合減到最小;
(2)數(shù)據(jù)線、地址線、控制線要盡量短，盡量減少信號的回路環(huán)面積，以降低感應(yīng)噪聲，在板面允許的情況下，要盡量增大線間距離，以減小線路間的互感;
(3)盡量減少過孔，pcb板正反兩面的信號線相互垂直;
(4)靠近電源端的連線盡量短而粗，布線時盡量避免90°折線，在拐彎處一般取圓弧形，以減少高頻噪聲;
(5)采用四層板，除正反兩層外，還單獨設(shè)置了電源層和地層，主要是因為這樣可以減小電源和地上的噪聲對電路的輻射干擾;
(6)can通信的輸入輸出信號cantx、canrx均采用光耦6n137 進(jìn)行光電隔離，干擾源雖然可產(chǎn)生一定大小的干擾電壓，但由于其自身內(nèi)阻很大，所以產(chǎn)生能量很小，電流很小，而光耦的發(fā)光二極管只有通過一定大小的電流時才會導(dǎo)通，因而，干擾就被抑制了;
(7)考慮到電源對dsp芯片的影響，給dsp輸入電源加濾波電路或穩(wěn)壓器，減小電源噪聲對dsp芯片的影響，在dsp芯片的i/o口，電源線，電路板連接線等關(guān)鍵地方使用抗干擾組件，如磁珠、磁環(huán)、鉭電容、電源濾波器、屏蔽罩等，可顯著提高電路的抗干擾性能;
(8)在給晶振布線時，不要與其他信號線交叉，要與dsp時鐘輸入引腳盡量靠近，并用地線把時鐘區(qū)域隔離起來，晶振外殼接地并固定;
(9)對于dsp芯片閑置的輸出i/o口，可以懸空，而輸入i/o口不能懸空，要接地或接電源，其他芯片的閑置引腳在不改變系統(tǒng)邏輯的情況下應(yīng)接地或接電源
3.3 主電路的emc設(shè)計:
電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的主電路主要由功率開關(guān)管(igbt)、功率母線、支撐電容、吸收電容、以及支流接觸器和繼電器組成，這部分的電磁兼容性設(shè)計自然是重中之重。本設(shè)計的幾個關(guān)鍵部分具體如下:
(1)直流側(cè)支撐電容器的emc設(shè)計
支撐電容的作用除了可以防止直流電壓突然降低對功率開關(guān)管造成沖擊，穩(wěn)定直流電壓(濾波作用)，再一個就是降低直流母線上的電感量，這樣，吸收回路才能很好的發(fā)揮作用。根據(jù)工程經(jīng)驗以及實際需求計算出直流側(cè)支撐電容的大小，用四個3300μf/450v的鋁電解電容并聯(lián)組成，用電容支架固定，平行放置于功率開關(guān)模塊上方，電容器的正負(fù)極直接連接到輸入輸出母線上。
(2)吸收回路的emc設(shè)計
該設(shè)計中用到的功率模塊為igbt,為電壓控制型功率開關(guān)，其工作頻率很高，線路中很小的電感都可能在其兩端產(chǎn)生很大的電壓尖峰，設(shè)置吸收回路就是為了吸收這種尖峰。電壓型功率開關(guān)管在橋式電路中的吸收電路主要有三種，如圖3所示。
圖3 橋式電路中的吸收電路
鑒于本設(shè)計中母線電感足夠小，所以采用了第一種吸收電路，根據(jù)逆變器容量，吸收電容選取1200v/1.5μf。
3.4 機(jī)箱設(shè)計
本設(shè)計采用1mm厚的鋼板做成封閉的變頻器機(jī)箱，起到一個屏蔽體的作用，既可以防止內(nèi)部產(chǎn)生的電磁干擾傳出去干擾外部通信線路及其他設(shè)備，又可以防止外部電磁干擾傳進(jìn)來。控制板、驅(qū)動板平行放置于主電路上方，且與主電路之間用金屬屏蔽板隔離。
4 整車聯(lián)合調(diào)試時現(xiàn)場采取的emc措施
我們在前期調(diào)試變頻器時，由于沒有考慮其它設(shè)備，比如發(fā)電機(jī)以及電池管理部分等，這次聯(lián)合調(diào)試，當(dāng)把三臺變頻器接到can總線上時，會對其它幾臺設(shè)備的通信造成不小的沖擊，而且沖擊過后還會有幾十幀的錯誤幀(發(fā)送信息的波形如圖5a所示)。針對這種狀況，我們采取了以下幾種措施:
4.1 接地措施
圖4 傳輸線路的屏蔽和接地
將三臺變頻器和其它各臺設(shè)備分別和公共接地母線連到一起，如圖4a。
注意:
(1)要用盡量短的扁平的金屬編織線;接地線不能形成封閉的回路，即不能將任一臺設(shè)備的接地端先接到另一臺設(shè)備的接地端然后再接地。如圖4b。
(2)變頻器的機(jī)箱殼、電機(jī)外殼、屏蔽線的屏蔽層要接到一起。
4.2 屏蔽層
考慮到通信線路的干擾耦合，將各節(jié)點(主要是三臺變頻器)與總線的通信線統(tǒng)一改用屏蔽雙絞線，并單端接地。
屏蔽層的接地端通常可選在屏蔽雙絞線的任一端，本設(shè)計選在節(jié)點(即變頻器)一端。雙絞線既可以有較少線路向外輻射，又可以減少外來電磁干擾對傳輸線路的影響，絞合節(jié)距一般在15mm以下，可以通過增加單位長度內(nèi)的絞合數(shù)來增強(qiáng)抗干擾效能。
注意:
(1)若屏蔽層不接地則有可能造成比不用屏蔽線更大的電場耦合，因為屏蔽線的屏蔽層比一般導(dǎo)線的面積要大得多，所以與其他線路的耦合電容也就大，耦合也就更強(qiáng)。
(2)一定要避免雙端接地和多點接地。
4.3 通信線路的布局
通信線路盡量遠(yuǎn)離變頻器的動力線以及信號線，且盡量避免平行走線，線間距不小于300mm。
4.4 傳輸線路濾波
在動力部分的can輸出信號與總線間加∏型濾波電路，濾除傳輸線路上的干擾信號。
此時發(fā)送信息的波形(如圖5b所示)已經(jīng)很理想了。
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圖(上) 沖擊過后的錯誤幀信息波形 圖(下) 加∏型濾波電路時發(fā)送信息的波形
圖5 傳輸波形
5 結(jié)束語
綜上所述，通過理論分析和實際應(yīng)用，證明該設(shè)計合理可行，能夠保證變頻器與can總線正常通信，且不會影響到總線上的其它節(jié)點的正常通信。
