工业机器人传导骚扰原因分析及抑制对策

黎福秋，刘洪

（广东省东莞市质量监督检测中心，广东 东莞 523808）

引言

我国的工业机器人从20世纪70年代开始，经历了理论研究、样机研发、示范应用、初步产业化四个阶段的发展后得到了一定程度的普及。根据前瞻产业研究院发布的《工业机器人行业产销需求预测与转型升级分析报告》数据显示，2017年我国工业机器人保有量达到38万台，2017年我国工业机器人年销量从2012年的2.3万台增长至11.5万台，随着我国产业转型升级的需求，预计2019年销量将达到17万台。这些工业机器人广泛应用于电子、汽车、家具、模具制造等行业，为国家工业产品保持国际竞争力提供了重要的保证。然而，在工业机器人功能及性能快速提升的同时，行业生产领域忽略电磁兼容性设计，导致工业机器人在我国于2016年推出的中国机器人认证中通过率非常低，其中以集中使用中央伺服器和动力马达的多关节工业机器人电磁兼容性认证项目中的传导骚扰不合格问题尤为严重。本文通过一个工业机器人传导骚扰抑制对策实例，研究如何提升产品电磁兼容性，进而提升中国机器人认证通过率及产品的整体性能。

1 电磁兼容性传导骚扰不合格的影响

国际上，智能制造设备投入工业必须进行相应的国家标准认证才能使用，该认证包括安全性和电磁兼容性。我国智能制造技术积累相对较少，自主研发能力与发达国家存在差距，目前工业机器人的核心部件，如马达电机、中央伺服器等，还处于进口外购国内拼装以达到相应功能及性能的阶段，缺乏整体安全与电磁兼容性研发设计考虑，整机电磁兼容性与国外成熟产品相比还有一定差距。

作为中国机器人认证电磁兼容性主测项目之一的传导骚扰问题一直困扰着众多智能制造企业。传导骚扰是指：通过导电介质（传导方式）把一个电网络上的信号（包含干扰信号）耦合到另一个网络，是用来衡量带电设备在运行过程中对整个供电网络发出的干扰信号大小的指标。干扰信号过大，会导致整个供电网络产生畸变，从而干扰到其他正常工作的电器产品。工业机器人由于需要满足工业生产需要，其整体功率较大，开关电源、中央伺服器、传动马达电机在工作时都会产生大量传导骚扰信号，对电网及其他设备存在严重危害。如传导骚扰抑制不合理，严重时会导致其他正在运行的工业机器人产生误动作，危害生产安全，甚至危害人生安全。

2 传导骚扰不合格原因分析及对策

2.1 测试执行标准

中国机器人认证电磁兼容性传导骚扰标准GB 17799.4-2012，如表1。

表1 发射 低压交流电源端口Tab.1 Emission Low voltage AC mains port

2.2 案例分析

本文以一个工业用自动给汤机器人为例，详细阐述传导骚扰不合格的原因及改善方案。具体测试设备使用三相人工电源网络、测量接收机、10dB衰减器、电脑；测试场地在10米法电波暗室进行；供电电源使用两个稳压隔离电源分别供电给测试设备和自动给汤机器人。测试布置如图1，机器人配电控制柜出厂如图2，通电按企业出厂演示模式规定动作运行，初次测试结果如图3。

图1 测试布置Fig.1 Test layout

图2 机器人配电柜出厂图Fig.2 Factory drawing of robot distribution cabinet

图3 初次测试结果图Fig.3 Initial test result diagram

如图3所示，蓝色频率区域平均值和准峰值已经严重超出标准要求，不符合国家机器人认证对电磁兼容性的要求，这种工业机器人在大批量使用后，势必对电网造成不可估量的污染，严重威胁工业生产安全。

图4 增加滤波器及变压器磁环图Fig.4 Diagram of adding filter and transformer magnetic ring

图5 增加滤波器后测试结果图Fig.5 Test results diagram after adding filter

图 6 调整滤波器参数后测试结果图Fig.6 Test results diagram of adjusting filter parameters

2.3 分析及对策

（1）增加滤波器

针对这种前段频率段的传导骚扰不合格首先应考虑配电前端增加滤波对策。如图4红色圈位置增加一个参数为L1：0.5mH+50%/-30%，Y电容：2.2uF±20%，X电容：1nF±20%的滤波器，运行测试结果如图5，前段频率段平均值和准峰值比初始测试结果有所降低。调整滤波器参数为L1：1mH+50%/-30%，Y电容：2.2uF±20%，X电容：10nF±20%（调整滤波器参数时，注意考虑漏电流过大问题），运行测试结果见图6，前段频率段平均值和准峰值进一步下降至标准限值之下，但中段频率段平均值和准峰值变差，超出标准限值。滤波器结构线路图如图7。

图7 滤波器结构线路图Fig.7 Circuit diagram of filter structure

（2）增加磁环

针对中段频率段平均值和准峰值超出标准限值的情况，在变压器输出端增加一个相应频率段感量较大的磁环，所有输出导线绕磁环一圈，以降低从变压器发出的干扰传导至中央伺服器，进而耦合反馈至电网。如图4中蓝色圈位置，运行测试结果如图8，中段频率的平均值和准峰值都有降低。

图8 变压器增加磁环测试结果图Fig.8 Test results diagram of adding transformer magnetic ring

图9 配电控制柜布线图Fig.9 Wiring diagram of distribution control cabinet

图10 配电控制柜走线重新布置后测试结果图Fig.10 Test result diagram of distribution control cabinet after route rearrangement

（3）整理走线布局

纵观整个配电控制柜的走线布局，不符合电磁兼容性的设计要求，如图2。总电源线从控制柜底部进入后一直拉伸至顶部的空气漏电开关，然后又从顶部的空气漏电开关一直拉伸至底部的变压器输入端，走线过于迂回曲长，并且电源线、中央伺服器动力线与通信线走线在一条线槽，干扰信号相互耦合，如图9中蓝色圈区域。因此，本文在不影响安全性的前提下，把空气开关和保险装置移动至配电控制柜底部，靠近变压器，使电源进线至空气漏电开关入线端之间、空气漏电开关出线端至滤波器入线端之间、滤波器出线端至变压器入线端的布线长度尽量短，减少电力线相互耦合干扰，如图9中红色圈位置；同时，把中央伺服器输出动力线与其他所有通信线分开走线，避免干扰信号在走线线材上相互耦合干扰。运行测试后结果如图10，中段频率的平均值和准峰值已经降低至标准限值附近，但平均值靠近限值，余量不足。

图11 接地铜排Fig.11 Ground copper bar

图12 配电控制柜增加接地点Fig.12 Add ground point in distribution control cabinet

（4）降低接地阻抗

配电控制柜整体制造工艺有喷漆处理，配电柜内部各部件通过紧锁螺丝与控制柜柜体连接接地，而机柜表面喷漆会隔断各部件的金属表面与机柜之间的导电性，特别是对策增加的滤波器，良好的接地对滤波效果起着重要的作用。同时通过测量接地电阻发现接地铜排与大地接地阻抗过高，未能及时导走干扰信号至大地，干扰信号在铜排上累积电荷，形成二次传导骚扰干扰源，如图11。本文在配电控制柜后面板增加接地点，增加控制柜整体导电性，降低接地阻抗，如图12。运行测试后结果如图13，平均值和准峰值完全符合GB 17799.4-2012标准中表1传导骚扰的要求。

图13 最终测试结果图Fig.13 Final test results diagram

3. 结束语

目前我国从事工业机器人生产的企业往往注重投入研发工业机器人的安全性及功能性，却忽略了整体电磁兼容性的研发设计。通过工业机器人传导骚扰抑制对策的论述，为工业机器人制造行业提供了电磁兼容性研发设计参考指导，有助于改善中国机器人认证通过率，规范工业生产电磁兼容环境，提高工业机器人整体质量。