关于工业机器人伺服驱动器的EMC设计及现场应用

摘 要：介绍了工业机器人伺服驱动器的EMC标准及试验内容，详细分析了元器件选择、电路设计、PCB设计、软件设计、系统结构设计、接地方式选择等设计中改善电磁干扰的问题，研究并提出了驱动器工业现场的EMI抑制措施，对工业机器人伺服驱动器产品EMC设计及使用具有良好的实用参考价值。

关键词：伺服驱动器；EMC；电磁干扰；抑制措施

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

1 引言

工业机器人伺服驱动器大部分都运行在恶劣的电磁环境中，内部的控制电路包括主控芯片、电流采样电路、编码器电路等都会受到外界的电磁骚扰；同时，工业机器人伺服驱动器的功率驱动单元在AC-DC-AC变换过程中，容易对其他电子设备进行骚扰。本文在介绍工业机器人伺服驱动器的EMC标准及内容基础上，对工业机器人伺服驱动器的EMC设计及现场使用等进行全面分析和研究，提出具体的设计和使用注意事项。

2 工业机器人伺服驱动器的EMC标准及试验内容

国内对工业机器人伺服驱动器的EMC测试标准可参考国标GB12668.3-2012《调速电气传动系统第3部分：产品电磁兼容性标准及特定的试验方法》。按照调速电气传动系统使用环境的不同，划分为一类和二类环境，一类环境是指直接连接到民用低压供电电网上的系统，二类环境是指在工业环境里使用的系统。工业机器人伺服驱动器属于工业产品，以二类环境标准要求来定义伺服驱动器的EMC测试。工业机器人伺服驱动器的EMC试验主要包括抗扰度和电磁发射骚扰，其中抗扰度又分为电快速瞬变脉冲群、静电放电、浪涌、射频电磁场辐射、射频场感应的传导骚扰、电压跌落、短时中断和变化试验。驱动器电磁发射骚扰试验包括电源端传导发射试验及电磁辐射发射试验。

3 工业机器人伺服驱动器的EMC设计

工业机器人伺服驱动器作为一种电机控制系统，如果设计前期未考虑EMC，在产品批量之前再解决EMC问题，将会使设计成本大大增加，所以，在设计阶段就需要对EMC进行全方位的分析和设计。下面将对影响伺服驱动器EMC性能方面进行说明，包括元器件选择、电路设计、PCB设计、软件设计、系统结构设计、接地方式选择。

元器件选择时的注意事项主要包括：①选择静电防护性能较好的器件，防止静电对器件的损害；②选择铁氧体磁珠作为高频信号滤波元器件。

电路设计：①选择合适的压敏电阻、XY电容和共模电感，以应对浪涌电压的冲击；②设计合适频率的开关电源，防止开关电源对其他电路的骚扰；③对输入输出口、通讯信号线等外部接口信号加TVS器件，防止静电对驱动器接口器件的损害。

PCB设计：①将控制电路和驱动电路分别布在不同的PCB上，减少系统内部的大di/dt骚扰；②在成本允许的情况下，尽量采用4层或6层PCB；③无论是供电环路或者信号环路，电流的环路面积越小越好；④差分信号要走得尽量近一些，且要等距离走线；⑤模拟地作为驱动器电流采样基准，不能收到任何骚扰，必须将模拟地和数字地分开；⑥对于以太网、DDR等高速信号，需要注意阻抗匹配；⑦晶振走线要短，且晶振下方不要走其他信号线；⑧对于重要的信号线，可以通过包地的方式；⑨靠近各个芯片的电源管脚放置去耦电容。

软件设计：①驱动器的开关频率要尽可能的小，一般情况下，开关频率越大，驱动电路对外发射的电磁骚扰越强。②利用冗余技术，屏蔽骚扰信号，比如多次采集输入、判断，以提高输入的可靠性；多次重复输出及判断，提高输出的可靠性。

系统结构设计：①如果外壳是金属材料，需要保证外壳的可靠接地。②对控制电路比较敏感的部分可使用屏蔽罩进行屏蔽处理。

接地方式：①选择合适的接地点，使环路电流、接地阻抗最小。②伺服驱动器内部所有接地距离要短，以便能够快速将骚扰能量泄放。

4 工业机器人伺服驱动器的现场应用

在很多使用工业机器人的工业现场，由于不重视电磁骚扰问题，经常会出现工业机器人驱动器运行不稳定的现象，浪费大量的时间和精力用于查找和解决问题，导致事倍功半。

通过对工业机器人驱动器的电磁骚扰分析和研究，结合工业现场环境以及现场调试总结的一些经验，归纳了以下4个改善工业现场伺服驱动器电磁骚扰的方法：

（1）滤波法。在伺服驱动器的电源进线端，增加电抗器和EMI滤波器，用于降低伺服驱动器产生的谐波，以减少电源传导骚扰。

（2）接地法。确保工业机器人电气柜中具有公共接地点，所有伺服驱动器通过短而粗的接地线连接到公共接地点上。

（3）屏蔽法。编码器信号线、模拟信号线、通信线必须使用带有屏蔽的双绞线，电机动力线最好也采用屏蔽电缆，抑制电磁波的辐射和传导。

（4）隔离法。电机动力线与其他弱电信号线分开走线，防止驱动器输出电压的快速变化产生的电磁辐射干扰电机编码器信号线和通信线。

因此，工業机器人伺服驱动器的工业现场应用是一个系统工程，需要兼顾考虑多方面因素，任何一方面考虑不周就可能导致伺服驱动器工作性能不稳定，导致整个机器人工作性能降低甚至停止工作。

5 结论

本文介绍了工业机器人伺服驱动器的EMC测试标准及具体测试内容，阐述了伺服驱动器EMC设计的具体内容，对机器人工业现场应用进行分析和总结，归纳了几点工业现场使用机器人伺服驱动器抗干扰的方法，对工业机器人伺服驱动器的EMC设计及现场应用具有较好的使用参考价值。

参考文献：

[1]朱玉堂，许力.变频器的电磁兼容及抑制[J].机电工程，2005，22（05）：40-43.

[2]GB12668.3-2012.调速电气传动系统第3部分：电磁兼容性要求及其特定的试验方法[S].

[3]吕英华，于学萍.电磁兼容的印制电路板设计[M].北京：机械工业出版社，2008.

作者简介：周洲（1981-），男，硕士，工程师，研究方向：电机控制。endprint