工業機器人電纜的抗電磁干擾優化設計

文/王桂琴

隨著科技水平的不斷進步，我國開始從中國制造向中國創造轉變，自動化能力和機械化作業水平不斷提升，尤其是工業機器人得到了廣泛應用。工業機器人是受人的直接指揮，按照既定編排程序運行的面向工業領域的多關節機械手或多自由度的機器裝置，在很多行業和領域變得越來越重要。與機器人配套使用的工業機器人電纜，無論是信號傳輸能力，還是緩解適應能力，必須具有高性能才能滿足使用需求，一款優質的機器人電纜是工業機器人性能發揮的保障。而電纜是高效的電磁波接受天線和輻射天線，是主要干擾源，既是干擾的發生器又是干擾的接收器，因此做好電纜的抗電磁干擾設計對電子設備和機械臂的安全可靠運行有著重要作用。

1 工業機器人電纜的性能特點

工業機器人電纜廣泛應用在焊接、組裝、采集、產品檢測等具有高效性、持久性、速度和準確性的工業機器人設備的使用中。為了應用于工業機器人設備，機器人用電纜需要具有信號傳輸穩定、耐磨損、耐彎曲等性能特點，這些性能直接影響機器人電纜的使用壽命。

信號傳輸性能穩定：工業機器人接受來自計算機的指令并按照指令完成相應操作，而指令發出到機器人接收之間需要依靠機器人電纜進行信息傳輸，因此電纜信號傳輸的效率和穩定性將直接影響機器人對信號指令的接收，對機器人的行動作業產生影響。

高耐磨損性能：工業機器人的使用環境中電纜多為移動使用，電纜的外護層直接接觸設備，因此電纜需要具有優異的耐磨性能，以及抗機械性能，這樣能夠有效的延長電纜的使用壽命。

耐彎曲性能以及耐扭轉性能：工業機器人由于具有極高的靈活性和自由度，在作業過程中電纜需要頻繁的彎曲或扭轉，因此耐彎曲耐扭轉性能直接反映出機器人的作業靈活性和效率。

環境適應性：工業機器人設備在很多領域都有應用，面對的環境復雜多變，水、油污、腐蝕性物質等不可避免的接觸到，因此高效優質的工業機器人電纜需要考慮環境適應的需要，護套要求相對嚴格，具有一定的耐磨、耐油、防水、耐腐蝕、抗老化、抗撕裂、抗高低溫性能等。

2 干擾源分析

來自空間的輻射干擾，空間的輻射電磁場主要是由電力網絡、電器設備的暫態過程、雷電、雷達等產生的，電纜可以接收到空間的電磁干擾，將干擾能量傳進設備電路。外加電場在電纜線芯間電容耦合的作用下產生靜電干擾，以靜電耦合的方式進入系統，可能會造成設備的誤動，嚴重的造成絕緣擊穿。

由通電電流引起的電磁感應干擾，如果交流導線或設備周圍存在交變電磁場，當機器人電纜經過這一區域時將以電磁感應的形式對信號產生干擾。

高頻電磁波產生的干擾，如大功率高頻發生裝置、雷電電磁脈沖、電氣裝置接點開斷時的電弧等，都會產生一定程度的高頻電磁波引起干擾。

當電網內部發生變化、大型電力設備啟停、直交流電傳動裝置引起諧波、電網短路暫態過電壓沖擊等產生的電磁干擾也會通過電源線進行傳播。

電纜中的導線互相平行，且距離較近，導線之間具有很大的寄生電容和互感，也是導致串擾的原因之一。

電纜連接的設備接地電位不同，電纜屏蔽引起地線干擾。

3 電纜抗電磁干擾設計分析

3.1 電纜選型的抗干擾設計

參照《電力工程電纜設計規范》（GB 50217-2018），為了使機器人電纜達到抗干擾的目的，在電纜選型上應該注意以下幾點：

電源、電壓、直流電源和跳閘控制回路等應采用獨立的控制電纜，增強可靠的兩套系統。

弱點回路的每一對往返導線應屬于同一根控制電纜；電流互感器、電壓互感器每組二次繞組的相線和中性線應配置在同一根電纜內。弱點信號、控制回路與強電信號、控制回路不應合用一根控制電纜。

計算機監控系統信號回路控制電纜的開關量信號可選用總屏蔽，高電平模擬信號可選用對絞線芯總屏蔽，必要時選用對絞線芯分屏蔽；低電平模擬信號或脈沖量信號，選用對絞線芯分屏蔽，必要時選用對絞線芯分屏蔽的復合總屏蔽。

控制電纜金屬屏蔽按照可能的電氣干擾影響計入綜合抑制干擾措施，滿足降低干擾或過電壓的要求，用于集成電路、微機保護的電流、電壓和信號接點的控制電纜應選用屏蔽型；位于110kV以上的配電裝置的控制電纜應選用總屏蔽或雙層式總屏蔽。

3.2 電纜敷設的抗干擾方法

電纜敷設路徑遵照電纜傳輸性質，不同性質的電纜分開敷設，將高壓電纜、動力電纜、控制電纜和信號電纜等分層，避免相互干擾。盡量將控制電纜和信號電纜敷設在金屬橋架或鋼管中，在盡可能的條件下將二者遠離，也盡量遠離電壓高、電流大的電力電纜。電纜捆扎時注意將動力電纜和控制電纜分開捆扎。

敷設在配電裝置中的控制電纜和信號電纜，與耦合電容器或電容式電壓互感、避雷針接地處的距離在可用范圍內盡量遠離。

電纜敷設完成后，接線時盡量使剝出的芯線長度短，避免不同信號間的相互干擾。

3.3 導線之間信號串擾問題

導線之間的信號串擾是信號在傳輸過程中在傳輸線的相鄰導線上產生的電磁干擾電壓，串擾的強弱與相鄰兩條線路之間的互阻和信號線的抗阻有關。對普通信號線來說，盡量采用特性阻抗低的導線。對于扁平電纜，當用一條電纜傳輸多種電平信號時，要按電平級別分組，不同組的導線之間保持一定距離。可以把兩個相鄰信號線的導線用一根空閑導線分開，并將空閑導線接地，這樣就將兩組相鄰導線間的耦合電容轉化為對地電容。如果干擾嚴重，可以采用雙絞線結構電纜，將其中一根接地，減小靜電干擾和空間干擾。

3.4 接地系統的抗干擾方法

根據屏蔽理論，接地阻抗越小，屏蔽效果越高，因此接地的目的就是通過恰當的接地方式，將接地阻抗降低。一般情況下屏蔽電纜和設備之間都是通過連接器連接，這樣連接器就成為了電纜屏蔽的一部分，因此連接器和屏蔽電纜的連接方式也會對屏蔽電纜的屏蔽效果產生影響，目前連接方式有卡接、焊接和抽頭。

電纜接地設計中的抗干擾方法還有：將控制電纜其中一個備芯接地，并在控制室一點接地；集成電路、微機保護電流、電壓和信號的電纜屏蔽層，在開關安置場所與控制室同時接地；當電磁感應干擾較大時，控制電纜屏蔽層采用兩點接地，靜電感應干擾較大時，采用一點接地。對于雙重屏蔽或復合式總屏蔽，內外屏蔽分別采用一點、兩點接地。電力電纜接線盒終端的金屬外殼、電纜橋架、電纜穿行的鋼管等的金屬部分要接地，非金屬的電纜槽盒應在內部放置接地導線。

接地網設計時要降低接地網電阻限制接地電位升高，在避雷器下設置單獨的集中接地裝置或其他方式以降低其接地沖擊電阻，防止雷電流入地時由于瞬時局部電位升高引起對二次電纜的反擊。在電纜溝內設置通長的接地導體盡量使電纜溝內電位均勻，防止電位不均對二次回路造成干擾。

4 總結

本文對工業機器人用電纜的抗干擾設計進行了研究，分析了工業機器人用電纜的性能特點，對干擾源進行了分析，從電纜選型、電纜敷設、導線、接地系統角度給出一些電纜抗電磁干擾的方法。工業機器人電纜具有良好的抗電磁干擾性能，才能應用于工業機器人設備，為設備提供控制和測量信號的傳輸以及電源連接，保障機器人在工業領域發揮出其獨特的優勢和魅力。