Prevention of EMI in the CAN bus systems of electric mining vehicles

Abstract

Tämän opinnäytetyön aiheena oli sähkömagneettiset häiriöt Normetin sähkökäyttöisten kaivosajoneuvojen CAN-väyläjärjestelmissä. Tavoitteena oli vähentää häiriöstä aiheutuvia ongelmia muodostamalla yhteiset periaatteet suunnittelulle ja asennukselle. Työn tarkoituksena ei ollut vähentää häiriölähteiden päästöjä, vaan tehdä CAN-järjestelmästä vikasietoisempi. Tämän opinnäytetyön tutkimuskysymykset olivat "miten vältetään sähkömagneettisten häiriöiden siirtyminen CAN-väylään" ja "mikä on CAN-järjestelmän oikea maadoitusperiaate sähkömagneettisten häiriöiden kannalta".

Tutkimuksen teoriapohjana käytettiin sähkömagneettisten kenttien ja sähkömagneettisen yhteensopivuuden teoriaa käsittelevää kirjallisuutta. EMC- ja CAN-väylästandardit olivat tärkeässä asemassa, koska ne ohjaavat laitteiden suunnittelua ja valmistusta voimakkaasti. Myös CAN-väyläprotokollien määritykset ja laitevalmistajien käsikirjat otettiin huomioon.

Työn tulokseksi saatiin yhtenäiset suunnitteluperiaatteet CAN-väyläpiirien maadoituksessa ja CAN-kaapelin suojauksessa. Myös tiedon välittämistä liittyvistä standardeista ja häiriöiden siirtymismekanismeista pidettiin yhtenä tutkimuksen päämääränä. Perusperiaatteena CAN-väylän maadoituksissa voidaan pitää kunkin CAN-väyläpiirin maadoitusta yhdestä pisteestä. Sama periaate koskee väyläkaapelin häiriösuojan maadoitusta. Molempien maadoitus tuodaan samaan pisteeseen liitettäväksi ajoneuvon runkoon tehtävään maadoitukseen lähelle CAN-väyläpiirin virtalähdettä. Tuloksia voidaan tarvittaessa soveltaa myös muihin koneisiin, koska suunnittelun yleiset näkökohdat olivat työn keskeisimpänä sisältönä.

Globaali hintojen nousu tukee passiivisia häiriönpoistomenetelmiä, kuten johdotuksen ja maadoituksen kehittämistä, koska ne vaativat vähemmän uusia komponentteja ja kehitysresursseja. Tästä näkökulmasta katsottuna saadut tulokset sopivat sovellettaviksi yrityksen nykyiseen tuotantoon. Laaditut suunnitteluohjeet käydään läpi tämän opinnäytetyön laajuuden ulkopuolella ja niiden pohjalta ehdotetaan esimerkkipiirustuksen laatimista, mikä esittää oikeat johdotusperiaatteet tiiviissä muodossa.

The subject of this thesis was electromagnetic interference (EMI) in the CAN bus systems of Normet’s electric mining vehicles. The target was to reduce EMI issues by forming common principles to electrical design and installation. The purpose of the work was not to reduce electromagnetic emissions from noise sources, but make the CAN bus system more tolerant to interference. The research questions of this study were “how to avoid coupling of electromagnetic interference to the CAN bus” and “what is the right grounding principle of the CAN bus system in terms of EMI”.

The theorical base for the study was gathered from literature related to theory of electromagnetic fields and electromagnetic compatibility (EMC). EMC and CAN bus standards were in a key role, because they guide design and manufacturing process strongly. The CAN bus communication protocol specifications and the CAN device manufacturers manuals were also taken into account.

The most important results of this thesis were the unified design principles for grounding of the CAN bus circuits and CAN cable shielding. Providing information about the related standards and EMI coupling mechanisms was also a purpose of this research. As a rule of thumb in the CAN bus grounding, it can be considered to be done from one point of each CAN bus circuit. The same principle applied to the CAN cable shield grounding. The grounding of both of these should be brought in the same point to be connected to the chassis ground, close to the power supply of the CAN bus circuit. The results can be partially applied to other machines as well, because the general aspects related to electrical design have been the most essential issues of the work.

The pressure of increasing prices supports passive noise suppressing methods such as improvements in wiring and grounding, because these involve fewer new components and development resources. In that point of view, the results were suitable for the company’s current production. The design guidelines will be reviewed outside of this scope of work, and based on them, it is proposed to create a summarizing schematic of right wiring principles.