工业机器人现场辐射干扰问题的分析及解决方法

史佳兆 邹 磊 张国柱 马 强

（库卡机器人（广东）有限公司，广东佛山，528311）

0 引言

EMC测试又叫做电磁兼容（EMC），指的是对电子产品在电磁场方面干扰大小（EMI, electro-magnetic interference）和抗干扰能力（EMS, electro magnetic susceptibility）的综合评定，是产品质量最重要的指标之一，如果某设备的EMC特性不好或者所在使用环境中有其他不符合EMC标准的设备对它造成干扰，都有可能造成该设备因干扰报错停机。

设备EMC抗扰特性是工业设备的一个重要指标，为了保证各个设备在复杂工业电磁环境中的运行可靠性，国际上针对此问题特别制定了相应的标准：IEC61000-6-2, IEC61000-6-4。以此来增强对产品EMC可靠性的要求。但是即使符合这样的标准，在恶劣的电磁干扰下，有时候设备还是会出现因干扰造成的故障停机，本文就是针对一种未知的EMC干扰进行分析诊断，最后找到相应的解决方案。

1 辐射干扰问题分析

1.1 问题描述

本文描述了一种因工业现场EMC干扰严重超标造成工业机器人设备出现随机性的通信故障，此问题是工业现场类设备的常见问题，但是又没有很好的解决思路和方案，经常给现场设备维护人员及生产带来很大的麻烦。

针对此类问题，一般的排除问题步骤如下：

1）检测电气线路接线，接地是否良好等；

2）检查软件运行是否正常，若不能确定可以重刷软件；

3）更换硬件板卡，查核故障是否消除；

4）在实验室环境中进行故障复现，此办法一般需要做全面的摸底测试，工作量比较大，测试工况也比较多，但是一般可以发现问题根源。

本文所述问题就是在以上步骤1）、2）、3）均无效的情况下采取步骤4）的方式进行问题分析。

1.2 问题分析

根据IEC 61000-6-2中的要求，如表1所示，对设备辐射抗扰度进行EMC符合性重复测试，结果显示，各项测试指标均符合国际、国内EMC标准要求，测试通过。

表1 辐射抗扰度测试参数表

在设备符合EMC要求的情况下，工业机器人还是出现干扰问题，则现场一定存在其他强干扰源，但是一般工业现场制造设备众多，根本无法排查，因此，笔者决定在EMC实验室对设备的故障现象进行复检，摸清问题复现的工况及发生机理。

因为干扰源强度、频率都不清楚，因此笔者采取以EMC标准限制为基础、逐步增强干扰强度和扩大扫频频段的方法，逐步排查。

为了复现问题，可能需要使用比较强的干扰源。天线距离与辐射强度的关系：

公式（1）是场强计算公式。根据公式（1）可知，如果需要比较强的干扰，那么天线与被测样品需要比较近的距离[1]，所以，实验室中天线布置与设备的距离调整为比较近的距离，图1为理论布置模型图。

图1 抗扰测试布置示意图

测试步骤如下：

1)根据前面分析，设备是在强干扰下发生的报警，所以将辐射的标准提高到标准要求的两倍 20V/m的强度，对80MHZ-1GHz进行测试，发现在192Mhz复现报警；

浅水流压力一般较高，一旦井喷，能使井眼迅速卸载，喷出环空内钻井液，继而失去井控的机会。作为未来深水油气勘探开发的热点之一的深水盆地，由于地质条件复杂，在勘探开发过程中容易造成不必要的财产甚至生命损失，因此做好浅水流地质灾害防治措施是非常有必要的。浅水流灾害预防措施一般分为钻前预防和钻进中预防两种。

2)因为步骤1）复现了故障，进而降低辐射强度为15V/m, 对80MHZ-1GHz进行测试，未发现故障；

3)依次调整场强和频段到18V/m、19V/m、25V/m、30V/m,观察报警频段和故障；

4)根据以上步骤继续精确测试并记录，数据记录见表2。

表2 测试数据记录表

从以上测试结果看，当辐射强度提高到标准值的2～3倍的辐射强度时，设备在不同的频率点会发生故障停机。

经过排查分析发现，故障频段和对讲机的故障频段比较吻合，对讲机频段数据如表3所示。

表3 P8660对讲机产品参数

从以上可以看出，对讲机的工作频段（136-174MHz, 403-527MHz,）基本可以覆盖上面测试出的设备的干扰报警频率（192MHz, 350MHz，400MHz，522MHz）,从频段来看，报警发生频段和对讲机的工作频段有很大的覆盖度，故推断有极大的相关性，而且对讲机在近距离具有很强的干扰场强，其值可以达到300V/m，远远超过IEC对设备的EMC要求，为此用对讲机进行故障复现测试。

1.3 实验分析

用对讲机进行故障复现测试数据见表4。

表4 改善前样品故障发生距离测试数据记录表

2 辐射干扰解决方案

因为对讲机是客户现场必用的设备，客户不接受停用对讲机的方案，所以只能从切断传播途径的方向寻找解决方案，为此采取增强屏蔽效果的方法，增强屏蔽通常可以采用增加屏蔽罩、粘贴金属箔、增加导电喷漆等方法。

因为本工业机器人设备本身为塑料壳体，没有屏蔽的作用，额外增加金属壳体因空间结构限制也不现实，所以采取喷导电漆的方法。

导电漆要达到增强屏蔽的效果，就要保证导电漆涂层有衰减电磁干扰的能力，具有电磁屏蔽的效果。目前市场上用的较多的屏蔽导电层有化学镀层、电弧喷锌、真空镀铝、化学电镀铜等，不同的导电涂层有不同的效果[2]，具体如表5所示。

表5 金属导电层电磁屏蔽效果

从表5中可以看出，化学电镀铜的屏蔽效果是比较好的，而此工业机器人产品是塑料壳体，也比较适合喷涂导电涂层：既不需要改变原来的结构，也不需要更改电路。所以，笔者最终选择喷铜涂层的方法。

根据多次测试及样品测试，50um厚的铜涂层效果较好，具体喷涂如图2示意，上下壳体必须均匀喷涂，并保证接触面也可靠喷涂，进而保证屏蔽层连续，起到屏蔽效果；另外，壳体的喷涂层应该与线缆屏蔽层压接，保证接地。

图2 样品底壳体喷导电漆效果图

3 结果验证

EMC测试数据及结果如表6所示。

表6 改善后样品故障距离复测数据

从表6复测结果来看，喷导电漆可以极大提高产品的抗扰能力，进而提高产品的可靠性，解决客户问题。

4 总结

从本文所述干扰问题的产生原因及解决方法可以看出，即使是符合IEC要求的产品，在强电磁干扰环境下也是可能出问题的；对于不能快速判断原因和干扰源的问题，应根据EMC干扰的机理，从辐射强度和频段等特性，逐步排查，最终精确找到干扰源，从而有针对性地提出解决方案。