關(guān)于工業(yè)機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)器的EMC設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

摘 要：介紹了工業(yè)機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)器的EMC標(biāo)準(zhǔn)及試驗(yàn)內(nèi)容，詳細(xì)分析了元器件選擇、電路設(shè)計(jì)、PCB設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、接地方式選擇等設(shè)計(jì)中改善電磁干擾的問(wèn)題，研究并提出了驅(qū)動(dòng)器工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的EMI抑制措施，對(duì)工業(yè)機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品EMC設(shè)計(jì)及使用具有良好的實(shí)用參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：伺服驅(qū)動(dòng)器；EMC；電磁干擾；抑制措施

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.17.021

1 引言

工業(yè)機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)器大部分都運(yùn)行在惡劣的電磁環(huán)境中，內(nèi)部的控制電路包括主控芯片、電流采樣電路、編碼器電路等都會(huì)受到外界的電磁騷擾；同時(shí)，工業(yè)機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)器的功率驅(qū)動(dòng)單元在AC-DC-AC變換過(guò)程中，容易對(duì)其他電子設(shè)備進(jìn)行騷擾。本文在介紹工業(yè)機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)器的EMC標(biāo)準(zhǔn)及內(nèi)容基礎(chǔ)上，對(duì)工業(yè)機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)器的EMC設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)使用等進(jìn)行全面分析和研究，提出具體的設(shè)計(jì)和使用注意事項(xiàng)。

2 工業(yè)機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)器的EMC標(biāo)準(zhǔn)及試驗(yàn)內(nèi)容

國(guó)內(nèi)對(duì)工業(yè)機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)器的EMC測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)可參考國(guó)標(biāo)GB12668.3-2012《調(diào)速電氣傳動(dòng)系統(tǒng)第3部分：產(chǎn)品電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)及特定的試驗(yàn)方法》。按照調(diào)速電氣傳動(dòng)系統(tǒng)使用環(huán)境的不同，劃分為一類和二類環(huán)境，一類環(huán)境是指直接連接到民用低壓供電電網(wǎng)上的系統(tǒng)，二類環(huán)境是指在工業(yè)環(huán)境里使用的系統(tǒng)。工業(yè)機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)器屬于工業(yè)產(chǎn)品，以二類環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)要求來(lái)定義伺服驅(qū)動(dòng)器的EMC測(cè)試。工業(yè)機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)器的EMC試驗(yàn)主要包括抗擾度和電磁發(fā)射騷擾，其中抗擾度又分為電快速瞬變脈沖群、靜電放電、浪涌、射頻電磁場(chǎng)輻射、射頻場(chǎng)感應(yīng)的傳導(dǎo)騷擾、電壓跌落、短時(shí)中斷和變化試驗(yàn)。驅(qū)動(dòng)器電磁發(fā)射騷擾試驗(yàn)包括電源端傳導(dǎo)發(fā)射試驗(yàn)及電磁輻射發(fā)射試驗(yàn)。

3 工業(yè)機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)器的EMC設(shè)計(jì)

工業(yè)機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)器作為一種電機(jī)控制系統(tǒng)，如果設(shè)計(jì)前期未考慮EMC，在產(chǎn)品批量之前再解決EMC問(wèn)題，將會(huì)使設(shè)計(jì)成本大大增加，所以，在設(shè)計(jì)階段就需要對(duì)EMC進(jìn)行全方位的分析和設(shè)計(jì)。下面將對(duì)影響伺服驅(qū)動(dòng)器EMC性能方面進(jìn)行說(shuō)明，包括元器件選擇、電路設(shè)計(jì)、PCB設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、接地方式選擇。

元器件選擇時(shí)的注意事項(xiàng)主要包括：①選擇靜電防護(hù)性能較好的器件，防止靜電對(duì)器件的損害；②選擇鐵氧體磁珠作為高頻信號(hào)濾波元器件。

電路設(shè)計(jì)：①選擇合適的壓敏電阻、XY電容和共模電感，以應(yīng)對(duì)浪涌電壓的沖擊；②設(shè)計(jì)合適頻率的開(kāi)關(guān)電源，防止開(kāi)關(guān)電源對(duì)其他電路的騷擾；③對(duì)輸入輸出口、通訊信號(hào)線等外部接口信號(hào)加TVS器件，防止靜電對(duì)驅(qū)動(dòng)器接口器件的損害。

PCB設(shè)計(jì)：①將控制電路和驅(qū)動(dòng)電路分別布在不同的PCB上，減少系統(tǒng)內(nèi)部的大di/dt騷擾；②在成本允許的情況下，盡量采用4層或6層PCB；③無(wú)論是供電環(huán)路或者信號(hào)環(huán)路，電流的環(huán)路面積越小越好；④差分信號(hào)要走得盡量近一些，且要等距離走線；⑤模擬地作為驅(qū)動(dòng)器電流采樣基準(zhǔn)，不能收到任何騷擾，必須將模擬地和數(shù)字地分開(kāi)；⑥對(duì)于以太網(wǎng)、DDR等高速信號(hào)，需要注意阻抗匹配；⑦晶振走線要短，且晶振下方不要走其他信號(hào)線；⑧對(duì)于重要的信號(hào)線，可以通過(guò)包地的方式；⑨靠近各個(gè)芯片的電源管腳放置去耦電容。

軟件設(shè)計(jì)：①驅(qū)動(dòng)器的開(kāi)關(guān)頻率要盡可能的小，一般情況下，開(kāi)關(guān)頻率越大，驅(qū)動(dòng)電路對(duì)外發(fā)射的電磁騷擾越強(qiáng)。②利用冗余技術(shù)，屏蔽騷擾信號(hào)，比如多次采集輸入、判斷，以提高輸入的可靠性；多次重復(fù)輸出及判斷，提高輸出的可靠性。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：①如果外殼是金屬材料，需要保證外殼的可靠接地。②對(duì)控制電路比較敏感的部分可使用屏蔽罩進(jìn)行屏蔽處理。

接地方式：①選擇合適的接地點(diǎn)，使環(huán)路電流、接地阻抗最小。②伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部所有接地距離要短，以便能夠快速將騷擾能量泄放。

4 工業(yè)機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)器的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

在很多使用工業(yè)機(jī)器人的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，由于不重視電磁騷擾問(wèn)題，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行不穩(wěn)定的現(xiàn)象，浪費(fèi)大量的時(shí)間和精力用于查找和解決問(wèn)題，導(dǎo)致事倍功半。

通過(guò)對(duì)工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器的電磁騷擾分析和研究，結(jié)合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境以及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試總結(jié)的一些經(jīng)驗(yàn)，歸納了以下4個(gè)改善工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)伺服驅(qū)動(dòng)器電磁騷擾的方法：

（1）濾波法。在伺服驅(qū)動(dòng)器的電源進(jìn)線端，增加電抗器和EMI濾波器，用于降低伺服驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的諧波，以減少電源傳導(dǎo)騷擾。

（2）接地法。確保工業(yè)機(jī)器人電氣柜中具有公共接地點(diǎn)，所有伺服驅(qū)動(dòng)器通過(guò)短而粗的接地線連接到公共接地點(diǎn)上。

（3）屏蔽法。編碼器信號(hào)線、模擬信號(hào)線、通信線必須使用帶有屏蔽的雙絞線，電機(jī)動(dòng)力線最好也采用屏蔽電纜，抑制電磁波的輻射和傳導(dǎo)。

（4）隔離法。電機(jī)動(dòng)力線與其他弱電信號(hào)線分開(kāi)走線，防止驅(qū)動(dòng)器輸出電壓的快速變化產(chǎn)生的電磁輻射干擾電機(jī)編碼器信號(hào)線和通信線。

因此，工業(yè)機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)器的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用是一個(gè)系統(tǒng)工程，需要兼顧考慮多方面因素，任何一方面考慮不周就可能導(dǎo)致伺服驅(qū)動(dòng)器工作性能不穩(wěn)定，導(dǎo)致整個(gè)機(jī)器人工作性能降低甚至停止工作。

5 結(jié)論

本文介紹了工業(yè)機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)器的EMC測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)及具體測(cè)試內(nèi)容，闡述了伺服驅(qū)動(dòng)器EMC設(shè)計(jì)的具體內(nèi)容，對(duì)機(jī)器人工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用進(jìn)行分析和總結(jié)，歸納了幾點(diǎn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)器抗干擾的方法，對(duì)工業(yè)機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)器的EMC設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用具有較好的使用參考價(jià)值。

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作者簡(jiǎn)介：周洲（1981-），男，碩士，工程師，研究方向：電機(jī)控制。endprint