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1、產(chǎn)品介紹

 

機(jī)械手臂是由履行系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、操控系統(tǒng)等幾大部分組成，是靠伺服模塊和運(yùn)算基板來傳輸數(shù)據(jù)相位等參數(shù)，以控制伺服電機(jī)來完成各種復(fù)雜動(dòng)作。

 

目前，隨著自動(dòng)化機(jī)械手臂工藝多樣化，功能逐步提升，它的應(yīng)用也越來越廣泛，但是隨之而來的 EMI問題也逐步顯現(xiàn)出來, 產(chǎn)品中多個(gè)功模塊都會(huì)產(chǎn)生極強(qiáng)的電磁輻射，比如高功率的供電系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)板繼電器通斷切換產(chǎn)生的脈沖雜訊，還有伺服器本身單體EMI 不合格而產(chǎn)生的耦合效應(yīng)，等諸多因素，都會(huì)造成產(chǎn)品最終EMI 檢測不合格。

 

2、項(xiàng)目背景

 

 最近接到一個(gè)機(jī)械手臂降低 EMI 成本的典型案例。

 

 該產(chǎn)品為五軸機(jī)械手臂(如下圖), 目標(biāo)是要通過CQC自愿性認(rèn)證，同時(shí)要滿足歐美標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證，由于產(chǎn)品在設(shè)計(jì)初期沒有考慮到整機(jī)系統(tǒng)的EMI 防護(hù)，導(dǎo)致后期為通過法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的檢測, 增加太多EMI 材料/器件，導(dǎo)致成本高，工藝復(fù)雜，無法批量生產(chǎn)。

 

 針對上述問題，確定本次改善的目標(biāo)是降低物料成本，通過法規(guī)測試，提升生產(chǎn)加工效率，保證批量生產(chǎn)作業(yè)性。

 

3、問題分析

 

 針對之前復(fù)雜的EMI 對策工藝，決定取消所有原對策，做一個(gè)初始評估，機(jī)器初始數(shù)據(jù)如下：

 根據(jù)數(shù)據(jù)分析雜訊分布：

 

數(shù)據(jù)30MHz~200MHz 頻率區(qū)間，Broad bandwidth 寬帶頻段，基本是電源系統(tǒng)的問題；

 

數(shù)據(jù)90MHz~700MHz 頻率區(qū)間，有規(guī)律的倍頻雜訊，判定是晶振或時(shí)鐘信號的問題；

 

數(shù)據(jù)80MHz~150MHZ 頻率區(qū)間，Narrow bandwidth 窄帶頻段，評估為線材耦合，或伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)導(dǎo)致的雜訊。

 

4、對策改善

 

 根據(jù)以上的分析確定以下改善對策：

 

1, 從板級進(jìn)行改善， 降低主板上的電磁輻射。

 

主板分析：使用 ES-67 診斷分析儀進(jìn)行板級的近場測試分析，

 

 首先,用設(shè)備的近場探頭定位到主板各個(gè)區(qū)域，進(jìn)行主板全方位近場掃描，數(shù)據(jù)顯示 30MHz~60MHz 頻率段較高；

 

 然后，通過 ES-67 的智能分析軟件，診斷定位這個(gè)頻率段的主板區(qū)域位置，以下智能分析的圖形顯示，問題的根源在電源與數(shù)據(jù)信號的輸入/輸出端口區(qū)域(如下圖紅色區(qū)域)；

 

這幾個(gè)端口診斷出輻射偏高，而端口的連接線材直接延伸到屏蔽箱體之外，完全暴露在空間, 形成天線效應(yīng)。

 

 由此，我們就診斷出雜訊的源頭與傳輸路徑，下一步就是確定改善方案了。

 

 

 對策 1: 對主板 24V/3.3V，等電源輸出端口(如下圖端口位置)進(jìn)行 L/C 濾波處理，對板上數(shù)據(jù)控制端口增加電容濾波，(根據(jù)數(shù)據(jù)頻率點(diǎn)，選擇器件規(guī)格，L 選擇貼片F(xiàn)ERRITE BEAD300 歐姆, C 選擇貼片300pf/50V 左右。

 

  在增加 FERRITE BEAD 同時(shí)增加電容下地濾波。

 

 

  對策 2:對晶振時(shí)鐘信號地進(jìn)行切割，讓晶振地在最短路徑回到，IC 地，盡量保證不串?dāng)_到其它區(qū)域。

 

 

2、優(yōu)化各類線材。

 

  機(jī)器內(nèi)部和外部的連接線材種類繁多，有些接地不良，有些屏蔽不到位，有些走線，方式錯(cuò)誤， 等等問題導(dǎo)致相互干擾。

 

  經(jīng)分析做以下幾方面的改善：

 

  對策1：增加屏蔽線的接地鎖付端子，讓屏蔽層與數(shù)據(jù)地就近連接，形成最短回流路徑。

 

  對策2 ：改善線材端子的接地方式。

 

  線材屏蔽層與端子之間， 由之前的端點(diǎn)連接改為 360º金屬環(huán)焊連接，可以最大 程度防止 clock 信號或 D+/D-差分共模雜訊發(fā)散。

 

 

對策3：優(yōu)化線材長度與走線方式。

 

所有線材減短到最合理的需求長度，線材越長，增加耦合干擾的機(jī)會(huì)越大。

 

合理布局走線方式，所有走線避開干擾源周邊，電源走線和信號走線分開固定。

 

對策4：對部分線材增加濾波器與磁環(huán)處理。

 

有些及時(shí)增加了 EMI 對策之后的線材，仍無法完全消除雜訊，需要對伺服器的

 

連接線和導(dǎo)軌外部線材增加磁環(huán)處理，磁環(huán)的位置需經(jīng)過現(xiàn)場測試調(diào)試。

 

對策5：加強(qiáng)機(jī)箱屏蔽，增加密封性。

 

電源屏蔽機(jī)箱內(nèi)的電源部分，雖然增加了濾波器，起到了很大的作用，但由于機(jī)箱

 

屏蔽效能不好，極大地降低了濾波器的功效，于是對機(jī)箱的開合縫隙的尺寸重新優(yōu)化，縫隙

 

降低到 0.5mm 以內(nèi)。

 

經(jīng)過上述對策改善，重新測試結(jié)果 PASS，(下圖數(shù)據(jù))，于是判定對策有效。

 

 

5、成本分析

 

那現(xiàn)在來對比一下改善對策前/后的成本/工藝：

 

     1，材料費(fèi)用：對策后，節(jié)省了 230 元人民幣；

 

     2，加工生產(chǎn)：對策后，降低人工成本，可批量生產(chǎn)，提高工作效率；

 

     3，研發(fā)周期：對策后，縮短到 2 個(gè)月的 EMC 設(shè)計(jì)，加快研發(fā)進(jìn)度。

 

 

6、總結(jié)與分享

 

當(dāng)我們對一個(gè)產(chǎn)品進(jìn)行 EMI 分析時(shí)，首先要從板級入手，評估 PCBA 是否依照 EMC

 

設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行線路/器件的布局，雖然從板級入手可能會(huì)花費(fèi)更多的時(shí)間和精力，但這是成本

 

最低，也是最適合批量生產(chǎn)的對策方案。

 

其次產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，線材等周邊布局要合理，這些區(qū)域是容易導(dǎo)致 EMI 輻射發(fā)散的重點(diǎn)

 

地方，整體走線合理（如高速數(shù)位信號線和模擬信號線分開，電源線和數(shù)據(jù)線分開，帶有嚴(yán)

 

重串?dāng)_電磁雜訊的線材和其它線材分開，等等）。

 

其實(shí) EMI 問題并不難解決，也并不是一定要增加很多成本，只要從板級問題出發(fā)，再

 

注意周邊/結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，就可以很順利的解決 EMI 問題。