1、产品介绍

 

机械手臂是由履行系统、驱动系统、操控系统等几大部分组成，是靠伺服模块和运算基板来传输数据相位等参数，以控制伺服电机来完成各种复杂动作。

 

目前，随着自动化机械手臂工艺多样化，功能逐步提升，它的应用也越来越广泛，但是随之而来的 EMI问题也逐步显现出来, 产品中多个功模块都会产生极强的电磁辐射，比如高功率的供电系统，驱动板继电器通断切换产生的脉冲杂讯，还有伺服器本身单体EMI 不合格而产生的耦合效应，等诸多因素，都会造成产品最终EMI 检测不合格。

 

2、项目背景

 

 最近接到一个机械手臂降低 EMI 成本的典型案例。

 

 该产品为五轴机械手臂(如下图), 目标是要通过CQC自愿性认证，同时要满足欧美标准认证，由于产品在设计初期没有考虑到整机系统的EMI 防护，导致后期为通过法规标准的检测, 增加太多EMI 材料/器件，导致成本高，工艺复杂，无法批量生产。

 

 针对上述问题，确定本次改善的目标是降低物料成本，通过法规测试，提升生产加工效率，保证批量生产作业性。

 

3、问题分析

 

 针对之前复杂的EMI 对策工艺，决定取消所有原对策，做一个初始评估，机器初始数据如下：

 根据数据分析杂讯分布：

 

数据30MHz~200MHz 频率区间，Broad bandwidth 宽带频段，基本是电源系统的问题；

 

数据90MHz~700MHz 频率区间，有规律的倍频杂讯，判定是晶振或时钟信号的问题；

 

数据80MHz~150MHZ 频率区间，Narrow bandwidth 窄带频段，评估为线材耦合，或伺服电机驱动时导致的杂讯。

 

4、对策改善

 

 根据以上的分析确定以下改善对策：

 

1, 从板级进行改善， 降低主板上的电磁辐射。

 

主板分析：使用 ES-67 诊断分析仪进行板级的近场测试分析，

 

 首先,用设备的近场探头定位到主板各个区域，进行主板全方位近场扫描，数据显示 30MHz~60MHz 频率段较高；

 

 然后，通过 ES-67 的智能分析软件，诊断定位这个频率段的主板区域位置，以下智能分析的图形显示，问题的根源在电源与数据信号的输入/输出端口区域(如下图红色区域)；

 

这几个端口诊断出辐射偏高，而端口的连接线材直接延伸到屏蔽箱体之外，完全暴露在空间, 形成天线效应。

 

 由此，我们就诊断出杂讯的源头与传输路径，下一步就是确定改善方案了。

 

 

 对策 1: 对主板 24V/3.3V，等电源输出端口(如下图端口位置)进行 L/C 滤波处理，对板上数据控制端口增加电容滤波，(根据数据频率点，选择器件规格，L 选择贴片FERRITE BEAD300 欧姆, C 选择贴片300pf/50V 左右。

 

  在增加 FERRITE BEAD 同时增加电容下地滤波。

 

 

  对策 2:对晶振时钟信号地进行切割，让晶振地在最短路径回到，IC 地，尽量保证不串扰到其它区域。

 

 

2、优化各类线材。

 

  机器内部和外部的连接线材种类繁多，有些接地不良，有些屏蔽不到位，有些走线，方式错误， 等等问题导致相互干扰。

 

  经分析做以下几方面的改善：

 

  对策1：增加屏蔽线的接地锁付端子，让屏蔽层与数据地就近连接，形成最短回流路径。

 

  对策2 ：改善线材端子的接地方式。

 

  线材屏蔽层与端子之间， 由之前的端点连接改为 360º金属环焊连接，可以最大 程度防止 clock 信号或 D+/D-差分共模杂讯发散。

 

 

对策3：优化线材长度与走线方式。

 

所有线材减短到最合理的需求长度，线材越长，增加耦合干扰的机会越大。

 

合理布局走线方式，所有走线避开干扰源周边，电源走线和信号走线分开固定。

 

对策4：对部分线材增加滤波器与磁环处理。

 

有些及时增加了 EMI 对策之后的线材，仍无法完全消除杂讯，需要对伺服器的

 

连接线和导轨外部线材增加磁环处理，磁环的位置需经过现场测试调试。

 

对策5：加强机箱屏蔽，增加密封性。

 

电源屏蔽机箱内的电源部分，虽然增加了滤波器，起到了很大的作用，但由于机箱

 

屏蔽效能不好，极大地降低了滤波器的功效，于是对机箱的开合缝隙的尺寸重新优化，缝隙

 

降低到 0.5mm 以内。

 

经过上述对策改善，重新测试结果 PASS，(下图数据)，于是判定对策有效。

 

 

5、成本分析

 

那现在来对比一下改善对策前/后的成本/工艺：

 

     1，材料费用：对策后，节省了 230 元人民币；

 

     2，加工生产：对策后，降低人工成本，可批量生产，提高工作效率；

 

     3，研发周期：对策后，缩短到 2 个月的 EMC 设计，加快研发进度。

 

 

6、总结与分享

 

当我们对一个产品进行 EMI 分析时，首先要从板级入手，评估 PCBA 是否依照 EMC

 

设计规范进行线路/器件的布局，虽然从板级入手可能会花费更多的时间和精力，但这是成本

 

最低，也是最适合批量生产的对策方案。

 

其次产品的结构，线材等周边布局要合理，这些区域是容易导致 EMI 辐射发散的重点

 

地方，整体走线合理（如高速数位信号线和模拟信号线分开，电源线和数据线分开，带有严

 

重串扰电磁杂讯的线材和其它线材分开，等等）。

 

其实 EMI 问题并不难解决，也并不是一定要增加很多成本，只要从板级问题出发，再

 

注意周边/结构的设计，就可以很顺利的解决 EMI 问题。

 

 

来源：华创电磁

关键词： EMI