關于工業(yè)機器人伺服驅動器的EMC設計及現場應用

摘 要：介紹了工業(yè)機器人伺服驅動器的EMC標準及試驗內容，詳細分析了元器件選擇、電路設計、PCB設計、軟件設計、系統結構設計、接地方式選擇等設計中改善電磁干擾的問題，研究并提出了驅動器工業(yè)現場的EMI抑制措施，對工業(yè)機器人伺服驅動器產品EMC設計及使用具有良好的實用參考價值。

關鍵詞：伺服驅動器；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)機器人伺服驅動器大部分都運行在惡劣的電磁環(huán)境中，內部的控制電路包括主控芯片、電流采樣電路、編碼器電路等都會受到外界的電磁騷擾；同時，工業(yè)機器人伺服驅動器的功率驅動單元在AC-DC-AC變換過程中，容易對其他電子設備進行騷擾。本文在介紹工業(yè)機器人伺服驅動器的EMC標準及內容基礎上，對工業(yè)機器人伺服驅動器的EMC設計及現場使用等進行全面分析和研究，提出具體的設計和使用注意事項。

2 工業(yè)機器人伺服驅動器的EMC標準及試驗內容

國內對工業(yè)機器人伺服驅動器的EMC測試標準可參考國標GB12668.3-2012《調速電氣傳動系統第3部分：產品電磁兼容性標準及特定的試驗方法》。按照調速電氣傳動系統使用環(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上的系統，二類環(huán)境是指在工業(yè)環(huán)境里使用的系統。工業(yè)機器人伺服驅動器屬于工業(yè)產品，以二類環(huán)境標準要求來定義伺服驅動器的EMC測試。工業(yè)機器人伺服驅動器的EMC試驗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、射頻電磁場輻射、射頻場感應的傳導騷擾、電壓跌落、短時中斷和變化試驗。驅動器電磁發(fā)射騷擾試驗包括電源端傳導發(fā)射試驗及電磁輻射發(fā)射試驗。

3 工業(yè)機器人伺服驅動器的EMC設計

工業(yè)機器人伺服驅動器作為一種電機控制系統，如果設計前期未考慮EMC，在產品批量之前再解決EMC問題，將會使設計成本大大增加，所以，在設計階段就需要對EMC進行全方位的分析和設計。下面將對影響伺服驅動器EMC性能方面進行說明，包括元器件選擇、電路設計、PCB設計、軟件設計、系統結構設計、接地方式選擇。

元器件選擇時的注意事項主要包括：①選擇靜電防護性能較好的器件，防止靜電對器件的損害；②選擇鐵氧體磁珠作為高頻信號濾波元器件。

電路設計：①選擇合適的壓敏電阻、XY電容和共模電感，以應對浪涌電壓的沖擊；②設計合適頻率的開關電源，防止開關電源對其他電路的騷擾；③對輸入輸出口、通訊信號線等外部接口信號加TVS器件，防止靜電對驅動器接口器件的損害。

PCB設計：①將控制電路和驅動電路分別布在不同的PCB上，減少系統內部的大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無論是供電環(huán)路或者信號環(huán)路，電流的環(huán)路面積越小越好；④差分信號要走得盡量近一些，且要等距離走線；⑤模擬地作為驅動器電流采樣基準，不能收到任何騷擾，必須將模擬地和數字地分開；⑥對于以太網、DDR等高速信號，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線；⑧對于重要的信號線，可以通過包地的方式；⑨靠近各個芯片的電源管腳放置去耦電容。

軟件設計：①驅動器的開關頻率要盡可能的小，一般情況下，開關頻率越大，驅動電路對外發(fā)射的電磁騷擾越強。②利用冗余技術，屏蔽騷擾信號，比如多次采集輸入、判斷，以提高輸入的可靠性；多次重復輸出及判斷，提高輸出的可靠性。

系統結構設計：①如果外殼是金屬材料，需要保證外殼的可靠接地。②對控制電路比較敏感的部分可使用屏蔽罩進行屏蔽處理。

接地方式：①選擇合適的接地點，使環(huán)路電流、接地阻抗最小。②伺服驅動器內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)機器人伺服驅動器的現場應用

在很多使用工業(yè)機器人的工業(yè)現場，由于不重視電磁騷擾問題，經常會出現工業(yè)機器人驅動器運行不穩(wěn)定的現象，浪費大量的時間和精力用于查找和解決問題，導致事倍功半。

通過對工業(yè)機器人驅動器的電磁騷擾分析和研究，結合工業(yè)現場環(huán)境以及現場調試總結的一些經驗，歸納了以下4個改善工業(yè)現場伺服驅動器電磁騷擾的方法：

（1）濾波法。在伺服驅動器的電源進線端，增加電抗器和EMI濾波器，用于降低伺服驅動器產生的諧波，以減少電源傳導騷擾。

（2）接地法。確保工業(yè)機器人電氣柜中具有公共接地點，所有伺服驅動器通過短而粗的接地線連接到公共接地點上。

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

（4）隔離法。電機動力線與其他弱電信號線分開走線，防止驅動器輸出電壓的快速變化產生的電磁輻射干擾電機編碼器信號線和通信線。

因此，工業(yè)機器人伺服驅動器的工業(yè)現場應用是一個系統工程，需要兼顧考慮多方面因素，任何一方面考慮不周就可能導致伺服驅動器工作性能不穩(wěn)定，導致整個機器人工作性能降低甚至停止工作。

5 結論

本文介紹了工業(yè)機器人伺服驅動器的EMC測試標準及具體測試內容，闡述了伺服驅動器EMC設計的具體內容，對機器人工業(yè)現場應用進行分析和總結，歸納了幾點工業(yè)現場使用機器人伺服驅動器抗干擾的方法，對工業(yè)機器人伺服驅動器的EMC設計及現場應用具有較好的使用參考價值。

參考文獻：

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