工业机器人电磁兼容设计规范

工业机器人电磁兼容设计规范

国家标准 GB/T39004一2020 工业机器人电磁兼容设计规范 Indwstrialrohoteleecromagnetiecmpatibiltydesignspeifeatiton 2020-09-29发布 2021-04-01实施 国家市场监督管理总局 发布 国家标涯花管理委员会国家标准
GB/39004一2020 目 次 前言 范围 2 规范性引用文件 术语,定义和缩略语 ， 3.1术语和定义 3.2缩略语 工业机器人组成及电磁兼容关键部件 ----+ 4.I概述 4.2示教器 4.3控制柜 4.4工业机器人本体 工业机器人电磁兼容设计框架 示教器 6 6.1概述 6.2示教器电磁兼容技术指标要求 6.3示教器电磁兼容设计要求 控制柜 7.1概述 7.2控制柜系统电磁兼容设计要求 7.3控制柜内关键零部件电磁兼容设计要求 工业机器人本体 13 8.1概述 13 8.2工业机器人本体系统电磁兼容设计 13 8.3本体内关键零部件电磁兼容设计要求 13 工业机器人的PCB电磁兼容设计 14 9.1概述 14 9.2基于PCB原理图部分的电磁兼容设计 14 9.3PCB布局布线电磁兼容设计 l6 10证实方法 18 0.1电磁兼容性测试方法 18 18 0.2设计过程记录 19 附录A资料性附录工业机器人EMC设计的关键要素 20 参考文献
GB/39004一2020 前 言 本标准按照GB/T1.1一2009给出的规则起草 请注意本文件的某些内容可能涉及专利 本文件的发布机构不承担识别这些专利的责任 本标准由机械工业联合会提出 本标准由全国自动化系统与集成标准化技术委员会(SAC/TC159)归口 本标准起草单位:上海电器科学研究院、广东省珠海市质量计量监督检测所、安徽宝信信息科技有 限公司、工程物理研究院电子工程研究所,安徽省配天机器人技术有限公司、工业和信息化部电子 第五研究所、上海电器科学研究所(集团)有限公司、电子技术标准化研究院、山东鲁能智能技术有 限公司、上海机器人产业技术研究院有限公司、上海电器设备检测所有限公司、上海添唯认证技术有限 公司、广东汇兴精工智造股份有限公司 本标准主要起草人;郑军奇、李军,李广垒、陈鑫、王鹏,朱文立,陈濒,邢琳、崔强,周雷、钟辉 梁观胜
GB/39004一2020 工业机器人电磁兼容设计规范 范围 本标准规定了工业机器人的示教器,控制柜、机器人本体,印制电路板(PCB)的电磁兼容(EMC)设 计要求 本标准适用于工业机器人的EMC设计 注:本标准给出的内容是一种趋近式设计,当工业机器人制造商采用以下设计时,将会获得更好的电磁兼容性 本标准与其他设计要求产生冲突时,制造商宜根据实际情况,综合考虑,采用最优设计方式 规范性引用文件 下列文件对于本文件的应用是必不可少的 凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本文 凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件 件 GB/T4365电工术语电磁兼容 GB4824一2019工业、科学和医疗设备射频骚扰特性限值和测量方法 GB/T6113.201无线电骚扰和抗扰度测量设备和测量方法规范第2-1部分:无线电骚扰和抗扰 度测量方法传导骚扰测量 GB/T6113.203无线电骚扰和抗扰度测量设备和测量方法规范第2-3部分;无线电骚扰和抗扰 度测量方法辐射骚扰测量 GB/T12643一2013机器人与机器人装备词汇 GB/T17626.2电磁兼容试验和测量技术静电放电抗扰度试验 GB/T17626.3电磁兼容试验和测量技术射频电磁场辐射抗扰度试验 GB/T17626.4电磁兼容试验和测量技术电快速瞬变脉冲群抗扰度试验 GB/T17626.5电磁兼容试验和测量技术浪涌冲击)抗扰度试验 GB/T17626.6电磁兼容试验和测量技术射频场感应的传导骚扰抗扰度 GB/T17626.11电磁兼容试验和测量技术电压暂降、短时中断和电压变化的抗扰度试验 GB/T17626.14一2005电磁兼容试验和测量技术电压波动抗扰度试验 GB/T17799.2电磁兼容通用标准工业环境中的抗扰度试验 GB/T38326工业、科学和医疗机器人电磁兼容抗扰度试验 GB/T38336工业、科学和医疗机器人电磁兼容发射测试方法和限值 术语、定义和缩略语 3.1术语和定义 GB/T4365和GB/T126432013界定的以及下列术语和定义适用本文件 3.1.1 工业机器人industrialrobot 自动控制的、可重复编程、多用途的操作机,可对三个或三个以上轴进行编程 它可以是固定式或 移动式 在工业自动化中使用 注1;工业机器人包括
GB/T39004一2020 操作机,含致动器; -控制器,含示教器和某些通信接口(硬件和软件). 注2，还包括某些集成的附加轴 注3改写GB/T12643一2013,定义2.9. 3.1.2 industrialrobotEMC 工业机器人EMc 工业机器人的设备或系统在所处的电磁环境中可正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受 的电磁骚扰的能力 注1;EMC包括电磁骚扰(EM和电磁抗扰度(EMs)两方面内容 注2:EM为工业机器人在执行其功能的过程中所产生不利于其他系统的电磁骚扰,工业机器人对所在环境产生的 电磁骚扰不能超过规定的限值 注3:EMS为工业机器人在执行应有功能的过程中不受周围电磁环境影响的能力,工业机器人对所在环境中存在 的电磁干扰具有规定程度的抗扰度 3.1.3 示教器pendant;teachpendant 与控制系统相连,用来对机器人进行编程或使机器人运动的手持式单元 3.1.4 控制柜controleabinet 套具有逻辑控制和动力功能的装置,能控制和检测机器人机械结构并与环境(设备和使用者)进 行通信 注:改写GB/T12643一2013,定义2.7 3.1.5 滤波器filter 用于抑制电磁骚扰的由单一元件(例如电感、电容)组成的组合器件 [GB/T73432017,定义3.1.5] 3.1.6 屏蔽shield 隔离电磁环境、显著减小在其一边的电场或磁场对另一边的设备或电路的影响的一种装置或措施 注:如屏蔽盒、屏蔽室、屏蔽笼或其他通常的导电物体 3.1.7 机械架构architecture 组成电子电气产品各个部件在产品中的相对位置 3.1.8 原理图schematiediagram -种表达电路连接关系的图 3.1.9 印制电路板printedeireitboard 电子元器件的支撑体,为电子元器件提供电气连接 注由于印刷电路板是采用电子印刷术制作的,故又被称为“印刷”电路板 3.1.10 参考地refereneegroundl -块导电平面,其电位用作公共参考电压 注参考地又称参考地平面(GRP)
GB/39004一2020 3.1.11 寄生电容parasiticcapacitance 存在于导线之间、线圈与机壳之间以及某些元件之间的电容 注1:它们的数值虽小,却是引起干扰的重要原因 注2:寄生电容一般是指电感、电阻,芯片引脚等在高频情况下表现出来的电容特性 3.1.12 高速信号high-speedsignal 上升时间小于其4倍传输时延的信号 3.1.13 浪涌防护srgeptet 由浪涌保护电路构成,为保护后续电路免于浪涌损毁或干扰的措施 3.2缩略语 下列缩略语适用于本文件 Ac'/DC;交流电转直流电(AlternatingCurent/DireetCurrent) AGV:自动导引车(AutomatedGuidedvehiele) CAN控制器局域网络(ControlerAreaNetwork) CMC:共模电感((CommonModeChoke) DC/AC:直流电转交流电(DirectCurrent/AlternatingCurrent EMC;电磁兼容性(EleetroMagneticCompatibility) EMI;电磁干扰(Electromagneticlnterference) EMS;电磁抗扰度(ElectromagneticSusceptibility) ESD:静电放电(ElectrostaticDischarge EtherCAT;以太网控制自动化技术(EthernetforControlAutomationTechnology GND:地(Ground) PCB印制电路板(PrfintedCireuitBoard) PwM脉冲宽度调制(PulsewidthModulation) SELV:安全特低电压(SafetyExtraL.ow volage) 工业机器人组成及电磁兼容关键部件 4.1概述 根据使用需求,工业机器人设计可以分为一体式或分体式 一体式设计是将工业机器人本体与控 制柜(驱动系统)设计为一个整体 分体式设计是将工业机器人本体与控制柜(驱动系统)设计成通过电 缆连接的两个相对独立的部分 分体式工业机器人由示教器、控制柜、机器人本体和连接线缆构成,见图1 注:一体式设计的工业机器人的结构组成可能与图1存在差异 工业机器人电磁兼容设计的关键要索有电磁骚扰源、电磁耦合路径及电磁敏感部件,其相关资料参 见附录A
GB/T39004一2020 控制柜 机器人本体 事动活推 电机组 逻辑与l/o 主控模块 控制模块 安全 互连线缆 AC/DC 滤波器 示教器 动力 模块 接口 接触器 屏幕 互连线缆 连锁 信号 挖口 按键区 断路器 壳体 壳体 壳体 互连线缆 总电源入口 图1工业机器人的构成示意图 4.2示教器 影响示教器电磁兼容性能的部件主要有壳体、PCB,显示屏和接口等 4.3控制柜 影响控制柜电磁兼容性能的部件主要有壳体、PCB电源和电缆等 4.4工业机器人本体 影响工业机器人本体电磁兼容性能的部件主要有壳体、电机、电缆、传感器和电池(AGV适用)等 工业机器人电磁兼容设计框架 5 本标准考虑的是典型工业机器人的电磁兼容设计,对制造商实际设计时不适用的章条,其要求无需 考虑 工业机器人各厂商实际的电磁兼容设计能力存在差异,机器人关键零部件存在外购件、自制件或两 者结合的情况,相应的电磁兼容设计时关注点不尽相同,图2给出了工业机器人示教器、控制柜和本体 与本标准章条对照图
GB/39004一2020 工业机器人电磁 兼容设计 示教器 控制柜 机器人本体 示教电做 示教器电础 机器人本体内 控制柜内关健 兼容指标要 兼容设计要 控制柜系统 机器人本体系统 零部件 关键零部件 求 控制和零邢 控制柜零部 本体零部件 本体零部件 件电磁兼容 件电磁兼容 电磁兼容指 电磁兼容设 设计要求 指标要求 标要求 计要求 6.3 7.2 7.3.1 7.3.2 8.2 8.3.1 8.3.2 图2工业机器人电磁兼容设计章条对照图 示教器 6.1概述 工业机器人的示教器可以由机器人制造商自行设计或采购 其电磁兼容指标要求见6.2,电磁兼容 设计要求见6.3 6.2示教器电磁兼容技术指标要求 对于外购的示教器,工业机器人厂家宜采用设置电磁兼容指标的形式,对采购的示教器的电磁兼容 水平加以控制,其电磁兼容指标要求见表1 示教器宜选用制造厂商推荐的典型工作状态,参照台式设备进行布置,并运行制造厂商规定的 功能 在进行抗扰度试验时,表1中给出的性能判据应参照GB/T17799.2进行
GB/T39004一2020 表1示教器电磁兼容指标要求 测试方法参考 测试端口 限值 性能判据等级 项目 频率范围 标准 电磁辐射骚扰 30MHz1GHz见GB4824一2019表6GB/T6113.203 士6kV(接触 静电放电抗扰度 GB/T17626.2 士8kV空气 外壳端口 射频电磁场辐 80MHz~ 10V/m GB/T17626.3 l000MHz 射抗扰度 电快速瞬变脉 士1kV B GB/T17626. 冲群抗扰度 100kHz重复频率 kv(共模,电压逐 士2 GB/T17626.5 级施加 浪涌抗扰度 信号和控制端口 士1kV差模,电压逐 GB/T17626.5 级施加) 射频共模/射 alaMttc 10V GB/T17626,6 频连续波传导 80MHz 抗扰度 6.3示教器电磁兼容设计要求 6.3.1概述 示教器机械架构电磁兼容设计要求会提升工业机器人示教器的电磁兼容性,设计时,若只采用本标 准的部分要求,电磁兼容测试过程中存在测试不通过的风险 6.3.2示教器机械架构设计 6.3.2.1示教器中电缆连接器的相对位置 电缆连接器宜集中放置在电路板的同一侧,这样可使流经整个电路板及其工作地(GND)的共模干 扰电流变小,也可减小流经产品等效天线(如电缆)的共模干扰电流,在电路板中分散放置连接器的方式 会提高EMC风险 6.3.2.2示教器屏蔽电缆屏蔽层的搭接 当示教器输出电缆采用屏蔽电缆时,屏蔽电缆的连接位置应满足如下要求 金属外壳示教器,电缆屏蔽层在连接器人口处与接地的金属板或金属连接器外壳相连,并形成 a 3860'搭接; b 对于非金属外壳示教器,以最短距离与GND搭接 6.3.2.3示教器内部CB的电源和信号输入端口的滤波及防护 示教器与控制柜之间的互联电缆未屏蔽且该电缆需要通过浪涌测试时,则应增加滤波电路 示教器内有开关电源时,其电源端口一定要进行EM滤波
GB/39004一2020 6.3.2.4示教器CB板的工作地与金属壳体之间的互连 示教器PCB板的工作地与金属壳体(包括连接器金属壳)之间的互连应满足以下要求 对于sEIV电路,PCB板的工作地与金属壳体之间在连接器附近直接等电位互连 aa b)对于非sELV电路,PCB板的工作地与金属壳体之间在连接器附近则通过Y电容与金属壳体 连接 6.3.2.5示教器内不同PCB板之间的工作地的互连 由于互连排针/排线上存在的寄生电感,所以PCB板之间的地互连对所传高速信号是一种高阻抗 的互连,当高速信号电流经过互连排针/排线时会产生压降 针对PCB板之间的工作地互连宜采用如 下方式 连接器中的地与连接器的金属外壳在互连线的两端直接相连或通过电容相连 a b 或对于排线扁平电缆或类似互连电缆有地平面存在; 或通过长宽比小于5的金属体互连 c 6.3.2.6示教器内部CB互连信号 PCB互连信号是产品抗干扰性能最薄弱的环节,如果PCB板之间互连线两边的工作地未通过低阻 抗的金属体进行互连,就意味着干扰电流一定会流经互连排线/针,则应对互连连接器中所有信号进行 滤波处理 PCB板上的周期性信号(如时钟/PwM信号等)的回流,在流经互连排线/针时,就会产生EM1共 模压降,产生EMI问题 PCB板之间的互连信号中不宜存在时钟信号或PwM信号 示教器壳体各个金属部件之间的搭接(考虑阻抗与缝隙处理)方式 6.3.2.7 示教器的壳体应是一个完善的屏蔽体,为此应 屏蔽体各金属表面之间实施面与面的连接 b 屏蔽体中各金属体长宽比小于3:1 孔缝的最大尺寸不超过以下两种情况下的最小尺寸 1电路最大工作频率波长的1/100; 2 当这个屏蔽体有共模干扰电流流经时,小于0.15m d 严禁屏蔽电缆不与屏蔽体连接直穿屏蔽体(此时,电缆屏蔽层应与屏蔽体做360"搭接) 6.3.2.8进入示教器壳体后的电缆、连接器、PCB板的工作地与金属壳体之间的互连及产品金属壳体 之间所组成的回路面积控制 如图3所示输人回路面(回路H)与和后续回路(回路K)之间的耦合,他们在信号传输时会产生互 感,当流向地平面的干扰电流经过此互感后,会形成压降,并对外进行干扰 为了使互连电感最小,示教器设计时,回路H面积应趋于零 注:回路面积越大寄生电感越大,大的电感将阻挠干扰电流的泄放
GB/T39004一2020 77 图3输入回路与和后续回路之间的耦台 6.3.2.9示教器防EsD击穿设计 对于非金属外壳的示教器,示教器的可接触表面与内部的任何金属体之间宜具有足够的爬电距离 金属体可接触表面之间沿绝缘体表面的最短距离),如6mm爬电距离,壳体可承受士8kV的空气放 电,10mm爬电距离,壳体可承受士15kV的空气放电 6.3.2.10示教器电路板设计 示教器电路板设计见第9章 控制柜 7.1概述 业机器人控制柜电磁兼容设计需要考虑关键零部件系统集成的电磁兼容性,其电磁兼容要求见 工 7.2 工业机器人的控制柜中开关电源、控制器、伺服驱动器等关健零部件,应满足7.3的电磁兼容要求 控制柜电磁兼容设计要求将会提升工业机器人控制柜的电磁兼容性,若设计时只采用部分内容,这 将存在控制柜通不过电磁兼容测试的风险 7.2控制柜系统电磁兼容设计要求 7.2.1控制柜内电缆 电缆中传输的信号和能量,能在其附近产生电磁场 同时电缆也会从周围的环境中吸收电磁信号 并将其传输给设备,是辐射干扰的主要来源,也是电磁干扰的接收器 控制柜内的电缆根据电缆上的信号共分为4类(如有),分别为 敏感信号线;EtherCAT通信线、CAN/Modbus信号线、编码器信号线、示教器通信线缆(常与 a 示教器电源线共同组成线束); b 带快速开关切换的功率信号线;电机动力线(含三相电源线和抱闸信号线,PwM信号排线; 电源线;控制柜供电线缆、伺服驱动器供电线缆、各模块供电电缆(典型为24V,有主控模块供 电、通信模块供电、I/0模块供电、安全模块供电等，上述模块在有些控制柜中是分立供电、有 些控制柜中是合并供电); -般信号线:指示灯/按键相关线缆、风扇控制信号线常与风扇电源线共同组成线束),驱动 控制信号线(与功率模块之间的信号连接,常与PwM信号线共同组成线束),驱动控制上位机 接口I/O信号线除通信总线外的硬件连接线
GB/39004一2020 7.2.2控制柜内电缆加装EMC装置 电缆中的EMC装置是放置在电缆上用来增加电缆共模阻抗或旁路共模电流的装置,如套在线缆 上的铁氧体磁环,串联在线缆上的滤波器等 控制柜内电缆应根据表2中的分类,对于其中敏感信号线和快速开关功率信号线,应考虑加装 EMC装置,并采用屏蔽电缆 表2电缆EMC装置要求表 电缆属性 是否需要EMC装置 线缆类型要求 典型装置列举 EtherCATEtherCAT通信线、 CAN/MoDBUS信号线,编码器 屏蔽电缆 屏蔽、磁环 是 信号线、示教器通信线缆 电机动力线(含三相电源线 屏蔽电缆 屏蔽,磁环 和抱闸信号线),PwM信号排线 控制柜供电线缆、伺服驱动 否 器供电线缆、各模块供电电缆 指示灯/按键相关线缆、风 扇控制信号、驱动控制信号 否 驱动控制上位机接口1/o信号 7.2.3控制柜内屏蔽电缆屏蔽层连接 控制柜输出的动力电缆、编码器电缆宜采用屏蔽电缆,其输出端口宜靠近控制柜壳体处放置 采用屏蔽电缆时,其屏蔽层在输人和输出端口处,应与接地的金属板或金属连接器外壳形成360" 搭接 对于浮地关键零部件,其屏蔽电缆应与公共地360"搭接 屏蔽电缆在穿过屏蔽壳体时,电缆屏蔽层应与屏蔽体形成360"搭接 7.2.4控制柜内关键零部件接地 为使流经关键零部件的共模干扰(电流)就近流向大地,关健零部件接地要求如下 零部件的壳体应就近与控制柜金属壳体低阻抗连接; a b 接地采用接地导体时,其长宽比应小于3:1 7.2.5控制柜内电缆间串扰 表2所述各类线缆之间应有串扰抑制措施,以有效降低各类电路之间通过寄生参数传递的干扰信 号,不同电缆之间是否需要串扰抑制见表3
GB/T39004一2020 表3不同类型电缆之间的串扰抑制需求 指示灯/按键相关线 EtherCATEtherCAT通电机动力线(含控制柜供电线 缆、风扇控制信号线、 信线,CAN/MODBUS三相电源线和抱缆、伺服驱动器 类型 驱动控制信号线,驱动 信号线、编码器信号闸信号线)PwM供电线缆、各模 控制上位机接口I/0信 线,示教器通信线缆 信号排线 块供电电缆 号线 EtherCATEtherCAT通信线、 CAN N/MoDBUs信号线,编叫 需要 需要 需要 需要 器信号线、示教器通信线缆 电机动力线(含三相电源 线和抱闸信号线)、,PwM 需要 不需要 需要 需要 信号排级 控制柜供电线缆、伺服驱 动器供电线缆、各模块供电 需要 需要 不需要 不需要 电缆 指示灯/按键相关线缆、风 扇控制信号线、驱动控制信 需要 需要 不需要 不需要 号线,驱动控制上位机 接口1/O信号线 表3中电缆之间需要串扰抑制处理的,其措施方法有 电缆间距离宜在0.3m以上,如动力电缆和编码器电缆在控制柜内部走线时,宜保持与内部数 a 据控制电缆0.3m以上; 线缆间垂直布线; b 相邻两条平行布置的电缆,至少其中有一条为屏蔽电缆 c 7.2.6控制柜系统地阻抗或壳体金属部件间阻抗 控制柜系统的地阻抗是一个完善的屏蔽体的各金属部件之间的阻抗,为满足控制柜壳体的屏蔽性 能要求,应考虑如下内容: 控制柜各金属表面之间实现完整、连续的低阻抗搭接; a b 各金属体长宽比都小于5;l; 控制柜壳体上孔缝的最大尺寸不应超过以下两种情况下的最小尺寸; c 1 电路中有源器件的最大工作频率波长的1/100 当这个屏蔽体有共模干扰电流流经时,其孔缝小于0.15m 2 7.2.7线缆环路 电缆与参考地或大地组成的环路面积直接与电缆的辐射发射大小相关,环路面积越大辐射越大 同样,环路面积越大,也越容易稠合外部的电磁场在电缆中感应较高的共模电压和共模电流 控制柜内部电缆设计时,电缆与参考地或大地之间组成的环路面积应趋近于零,为满足以上要求， 电缆宜靠近控制柜壳体走线 10
GB/39004一2020 7.3控制柜内关键零部件电磁兼容设计要求 7.3.1控制柜内关键零部件电磁兼容技术指标要求 对于购置的控制柜内关键零部件,工业机器人厂家宜采用设置电磁兼容指标的形式,对采购的关键 零部件的电磁兼容水平加以控制,其电磁兼容指标要求见表4和表5 关键零部件应依照制造厂商规定的典型工作状态,参照台式设备进行布置,并运行制造厂商规定的 功能 在进行抗扰度试验时,表4和表5中给出的性能判据等级应按照GB/T17799.2执行 表4开关电源的电磁兼容指标要求 测试端口 项目 频率范围 限值 测试方法 性能判据等级 30MHz1GHz 电磁辐射骚扰 见(GB4824一2D19表6GB/T6113.203 士6kV接触 GB/T！ 静电放电抗扰度 17626.2 士8kV空气 外壳端口 射频电磁场辐 80MHz 10V/m GB/T17626.3 射抗扰度 1000MHz 传导骚扰 150kHz一30MHa见(B482t一2019表2GB/T6113.201 士2kV 电快速瞬变脉 GB/T17626.4 冲群抗扰度 l00kHz重复频率 士2kV共模,电压 GB/T17626.5 逐级施加) 浪涌抗扰度 士1kV差模,电压 GB/T17626.5 逐级施加 射频共模/射 MHz80MH210V GB/T17626.6 频连续波传导o.15 抗扰度 交流电源输人 端口 40%,持续10周期 暂降 70%,持续25周期 电压暂降和短 暂降 GB/T17626.11 时中断抗扰度 80%,持续250周期 暂降 0%,持续250周期 中断 GB/T17626.14 GB/T17626.14 电压波动抗 2005表1等级8 扰度 2005 1
GB/T39004一2020 表5控制器、伺服驱动器等的电磁兼容指标要求 性能判据等级 测试端口 测试项目 频率范围 限值 测试方法 电磁辐射骚扰 30MHz~1GHa见 GB4824一2019表6 GB/T6113.203 静电放电抗 士6kV(接触 GB/T17626.2 k 扰度 空气 外壳端口 士8 射频电磁场辐 80MHz 10V/m GB/T17626.3 000MHz 射抗扰度 电快速瞬变脉 士2kV GB/T17626. B 100kHz重复频率 冲群抗扰度 士2kV共模,电压逐 GB/T17626.5 级施加 浪涌抗扰度 直流电源端口 士1kV差模,电压逐 GB/T17626.5 级施加 射频共模/射 0.15MHz 频连续波传导 10V GB/T17626.6 A 80MHz 抗扰度 电快速瞬变脉 士1kV GB/T17626.4 B 冲群抗扰度 00kHz重复频率 kV共模,电压逐 士2 B GB/T17626.5 级施加) 信号和控制 浪涌抗扰度 士1kv差模,电压逐 端口 GB/T17626.5 级施加 射频共模/射 0.15MHz" 10V GB/T17626.6 频连续波传导 80MHz么 抗扰度 7.3.2控制柜内关键零部件电磁兼容设计要求 7.3.2.1控制柜内关键零部件机械架构设计要求 7.3.2.1.1概述 控制柜内关键零部件机械架构设计可参考6.3.2,还宜考虑7.3.2.1.2 7.3.2.1.2控制柜内关键零部件壳体接地 为了让共模干扰(电流)就近流向大地,避免共模电流流经产品内部PCB的工作地平面或扁平电缆 等内部互连电缆,控制柜壳体应有接地线或与地直接搭接 7.3.2.2控制柜内关键零部件电路板设计要求 控制柜内关键零部件电路板设计见第9章 12
GB/39004一2020 工业机器人本体 8.1概述 工业机器人的本体电磁兼容设计需要考虑关键零部件系统集成的电磁兼容性,其电磁兼容要求见 8,2 工业机器人的本体中伺服电机、编码器等关键零部件,应满足8.3的电磁兼容要求 8.2工业机器人本体系统电磁兼容设计 8.2.1本体内屏蔽电缆屏蔽层连接 连接到本体的动力电缆、编码器的输人端口宜放置在靠近本体壳体处 采用屏蔽电缆时,其屏蔽层在输人和输出端口处,应与接地的金属板或金属连接器外壳形成360 搭接 8.2.2本体内关键零部件接地 为使流经关键零部件的共模干扰(电流)就近流向大地,关键零部件接地要求如下 零部件的壳体应就近与控制柜金属壳体低阻抗连接; a b)接地采用接地导体时,其长宽比应小于3:1 8.2.3本体内电缆间串扰 本体内电缆之间宜进行串扰抑制处理,其措施方法如下: 线缆间宜尽可能远布线; a b) 线缆间垂直布线 相邻两条平行布置的线缆,至少其中有一条为屏蔽电缆 c 8.2.4本体系统地阻抗或壳体金属部件间阻抗 本体系统的地阻抗是一个完善的屏蔽体的各金属部件之间的阻抗,为满足本体壳体的屏蔽性能要 求,应考虑如下内容 本体各金属表面之间实现完整,连续的低阻抗搭接; a b 各金属体长宽比都小于5:1; 本体壳体上孔缝的最大尺寸不能超过以下两种情况下的最小尺寸 c 1)电路中有源器件的最大工作频率波长的1/100 2 当这个屏蔽体有共模干扰电流流经时,其孔缝小于0.15m. 8.2.5本体内线缆环路 电缆与参考地或大地组成的环路面积直接与电缆的辐射发射大小相关,环路面积越大辐射越大 同样,环路面积越大,也越容易合外部的电磁场,在电缆中感应较高的共模电压和共模电流 本体内部电缆设计时,电缆与参考地或大地之间组成的环路面积应趋近于零 为满足以上要求,电 缆宜靠近控制柜壳体走线 8.3本体内关键零部件电磁兼容设计要求 8.3.1本体内关键零部件电磁兼容技术指标要求 对于购置的本体内关键零部件,工业机器人厂家宜采用设置电磁兼容指标的形式,对采购的关键零 13
GB/T39004一2020 部件的电磁兼容水平加以控制,其电磁兼容指标要求见表5 8.3.2本体内关键零部件设计要求 8.3.2.1本体内关键零部件机械架构设计要求 8.3.2.1.1概述 控制柜内关键零部件机械架构设计可参考6.3.2,还宜考虑8.3.2.1.2 8.3.2.1.2本体内关键零部件壳体接地 为了让共模干扰(电流)就近流向大地,避免共模电流流经产品内部PCB的工作地平面或扁平电缆 等内部互连电缆,因此机器人本体应有接地线或与地直接搭接 8.3.2.2本体内关键零部件电路板设计 本体内关键零部件的电路板设计见第9章 工业机器人的PCB电磁兼容设计 9.1概述 PCB的EMC设计可分为电路原理图设计和PCB布局布线设计 -份EMC性能良好的电路原理图可明确识别以下各个电路部分并在PCB布局布线时分区设计: A区域;电路中易被外部干扰注人或产生电磁发射的信号线和元器件,包括PCB连接器中的 信号延伸至电缆部分的导体,如电源端口的电路,通信端口的电路,其他输人输出口的电路 B区域;PCB中易被电磁干扰的信号和元器件是电路中比较特殊的部分,通常是极其敏感的电 路,会引起EMs问题而需做特殊处理,如复位电路、低电压/低电流检测电路、低电压模拟电 路和高输人阻抗电路等; C区域:PCB中易产生电磁发射干扰的信号和元器件,是电路中比较特殊的部分,通常会引起 EMI问题而需做特殊处理,如时钟信号,PwM信号,晶振及其他周期信号; -D区域:电路中既不容易受到干扰也不会产生EMI噪声的信号线和元器件,如,为实现隔离功 能的器件,包括光耦、磁耦、变压器、继电器等 PCB布局布线的EMC设计通过使得PCB完整地平面的阻抗最小化、不同类型的信号线之间无非 期望的串扰发生、信号层和电源边缘包地处理以防止边缘效应等措施来实现的 9.2基于PCB原理图部分的电磁兼容设计 9.2.1 PCB中A区域电磁兼容设计 PCB中A区域的电磁兼容设计要求是 若其中电路相连的I/电缆为非屏蔽线,那么这些信号端口处应具有滤波电容 a b 当端口需要通过浪涌测试时,还应增加对应等级的浪涌保护电路 -般不准许这类电路直接延伸到芯片端口 注，滤波电容不能影响信号质量 滤波与防护电路是介于A区域与D区域之间的,也是为了保护D区域电路,使其不受外界干扰的影响 滤波与防护电路的电磁兼容设计要求 a 端口信号线或敏感信号/电路上滤波在不影响信号质量的情况下,通常采用1nF100nF范 围内的电容 当不能使用电容滤波时,建议使用共模电感 如果后一级电路电平在10mV以 14
GB/39004一2020 下,则采用LC,RC或多级滤波 b)具有开关电源的电源端口采用EMI滤波 表6是金属壳体及带接地线塑胶壳体产品电源端口EMI抑制推荐滤波电路,表7是塑料壳体产品 电源端口EMI滤波电路理想模型 表6金属壳体及带接地线塑料壳体产品电源端口EM抑制推荐滤波电路 电源类型 电压/八V 电源0V是否接机壳 滤波模型 参数 是 Cx-lN LC谐振点小于50kHz 1224 共模和差模滤波电路1c谐 否 Cx-CMC-C 振点小于50kHz 是 Lc谐振点小于40kH2 Cx-lIM 24~60 共模和差模滤波电路IC谐 否 振点小于50kHH DC 共模和差模滤波电路lC谐 否 60l00 振点小于20kHz 共模和差模滤波电路Lc谐 00400 振点小于17kHz 共模和差模滤波电路IC谐 >400 Cx-CMC-Cy 振点小于15kH 共模和差模滤波电路LC谐 否 110220 振点小于20kHz 共模和差模滤波电路IC谓 AC 380 振点小于17kHz 共模和差模滤波电路1c谐 否 >380 振点小于15kH 注滤波电路可以采用单独的滤波器,安装在PCB外部,如控制柜电源人口处 表7塑料壳体产品电源端口EM滤波电路理想模型 电源类型 电压/V 滤波模型 参数 1224 C>22nF,CMC>1mH 24一6o >470nF,CMC>5mH DC 60~100 >0.1F,CMC>10mH 100200 >0.1AF,CMC>30mH C-CMC >200 0.1MF,CMC>30mH .cMc10mH 110220 0.14F C0.1EF,cMC>20mH 380 C>1F,CMCc>30mH 380 15
GB/T39004一2020 g.2.2PCB中B区域和c区域电磁兼容设计 9.2.2.1B区域电磁兼容设计 PCB中B区域的电磁兼容设计要求是对以下敏感信号线/电路进行电容滤波: a 高输人阻抗的信号线; b)低电平模拟信号线; e' 外部中断信号线; 复位信号线 d 9.2.2.2c区域电磁兼容设计 PCB中C区域的电磁兼容设计要求是 a 芯片电源应进行去鹏,去稠的要求如下: 芯片的每个电源管腿至少有一个去耦电容; 1) 2) PwM功率电路供电电源的电源与地之间至少有一个去耦电容 去鹏电容的大小通常由器件的工作频率决定 当频率小于20MHz,采用0.1F的去耦 3 电容,主频超过20MHz的电路中,采用0.01F(甚至0.001AF)的去耦电容 b 时钟线、高速信号线、PwM信号线等其他周期信号线采取的串扰防止的方法,可采用包地处 理的方式进行处理 此类区域电路同时也是A区域电路时,则连接的电缆需要进行屏蔽处理 注PCB中数字电路内部芯片的电源管腿与CB的电鄙网络之间的电路及CB中PwM功率电路供电电源的电 源与地之间如开关电源中的储能电容)的电路通常具有去稠作用 9.2.3PCB中D区域电磁兼容设计 PCB中D区域内悬空的金属、一端与电路相连另一端悬空的信号线或线缆应进行直接接地或通过 电阻接地处理,未用到的元器件(如多组封装器件中未用的与非门、二极管、LED等)引脚输人端直接或 通过电阻接电源或接地,输出端悬空不连接 9.2.4PCB中隔离电路电磁兼容设计 当隔离器件(如光耦、变压器、继电器)存在时,隔离电路电磁兼容设计要求如下 被分割在主电路之外的地平面需要通过Y电容旁路到地,不应有悬空的地平面 特别是1/o a 端口被隔离的地平面,如光耦、变压器、继电器隔离的地 Y电容容值范围为1nF10nF b 隔离的AC/DC或DC/DC开关电源的初级0V与次级所有的地之间需要接Y电容 注:虽然该Y电容在抑止EMI方面取得很好的效果,但是由于该电容的存在必然会导致外界共模电流通过该电容 进人变压器次级,这一点值得注意 (变压器初次级间的寄生电容已经足够大,也会使外界的共模干扰电流进 人变压器次级)尽管如此,没有特殊原因该电容宜保留 9.3CB布局布线电磁兼容设计 9.3.1PCB布线 良好的布线会防止PCB中不同区域之间可能存在串扰的影响 串扰防止是有效降低各类电路之间的干扰信号通过寄生电容或电感传递的有效方法,PCB中各区 域电路之间的串扰防止的需求表见表8 16
GB/39004一2020 表8不同区域电路之间的串扰防止要求 类型 B 不需要 不涉及 需要 需要 不涉及 不需要 不涉及 不涉及 B 不涉及 需要 不需要 需要 需要 不涉及 需要 不需要 PCB中不同区域防止串扰的方法如下 印制线间距离在5mm以上 a b 相邻层之间垂直布线; 带0V地平面,并印制线之间插人屏蔽地线,并将屏蔽地线用多个过孔与地平面互连 c d 不同层之间有地平面隔离 g.3.2PCB布层 PCB布局设计也认为是地平面设计的一部分,PCB层叠的理想模型按层数分,有如下几种 四层PCB板层的层叠排布设计见表9,其中优选方案1,可用方案3 a b 六层PCB板层的层叠排布设计见表10,其中优选方案3,可用方案1,备用方案2、4 表9四层CB板层的层排布方式 方案 电源层数 地层数 信号层数 注:方案1为四层PCB的首选层置方案,在元件面下有一地平面,关键信号优选布第一层 表10六层CB板层的层排布方式 方案 电源 地 信号 S1 S2 S3 P S4 s1 S2 S3 S4 s1 2 S3 G1 G2 1 G1 2 G2 P S3 从EMC方面考虑,除非2层板也能设计出较为完整地平面,否则最好采用带有地层和电源层的4 层以上的PCB板 2层板通常地平面很难设计完整 如果使用2层板,那么工程师者要特别注意地平 面的设计 注:实践证明,4层板与2层板相比,4层板能取得高于2层板100%的EMC性能(注意;4层板以上,并非层数越多 越好) 其他情况下,PCB布局需考虑 元件面下面(第二层)为地平面,提供器件屏蔽层以及为顶层布线提供参考平面; a 17
GB/T39004一2020 b 所有信号层尽可能与地平面相邻; c 尽量避免两信号层直接相邻; d 主电源尽可能与其对应地相邻; 层厚设置,满足阻抗控制的前提下越薄越好 e 9.3.3PCB中地平面电磁兼容设计 PCB完整的地平面将降低地阻抗 完整地平面意味着一块没有任何过孔、开槽、裂缝长宽比小于8 的PCB铜箱 PCB中地平面应考虑 a PCB具有地平面; b)以下几个区域电路还需要有完整的地平面 1)PwM信号线和时钟线下方; 2)端口上的滤波器电容、芯片去耦电容、旁路电容与地之间的互连线 9.3.4信号层和电源层的边缘处理 CB板边缘的印制线或电源线会与CB板之外的参考地之间形成较大的寄生电容,造成额外的共 模回路,PCB中信号层和电源层应考虑 信号层和电源层在PCB边缘增加屏蔽地线或铺铜 a 时钟线.PwM线等周期高逃信号线不应布线在PCB板的地层边缘 b 敏感信号/电路不应布线在PCB板边缘 c 10证实方法 10.1电磁兼容性测试方法 应用本标准进行电磁兼容设计的工业机器人,其电磁兼容设计结果可参考工业机器人电磁兼容测 试结果,测试方法见GB/T38326和GB/T38336 0.2设计过程记录 工业机器人EMC设计过程及结果记录在设计文档中,该文档应至少包括以下内容: 工业机器人的品牌,规格,型号等产品相关信息; 采用的设计要素; 设计要素在产品中的体现形式; 本标准进行了规定但在产品设计中未考虑的要素及其原因; 设计过程中的其他相关记录,如所采用的设计要素的变更等 电磁兼容设计的结果(可以是具体的测试结果) 18
GB/39004一2020 附 录 A 资料性附录 工业机器人EMcC设计的关键要素 概述 A.1 工业机器人通常由示教器、控制柜、机器人本体和连接线缆构成,其EMcC设计一般应考虑电磁骚 扰源、电磁耦合路径及电磁敏感部件三项关键要素 A.2工业机器人电磁骚扰源 工业机器人电磁骚扰源主要是高频信号或非线性结构的电子电气零部件,其中高频信号主要由控 制电路、驱动电路和通信电路等产生,电子电气零部件主要包含上位机、电机、示教器和供电电源等 工业机器人电磁耦合路径 工业机器人电磁鹏合路径包括两种模式:传导鹏合和辐射合 传导耦合是指一个设备中电压/电流变化通过电源线缆、信号线缆及其他导电结构传导并影响其他 设备的耦合模式 如,工业机器人通过电源线对交流电网的干扰 辐射耦合是指通过空间传播,并对其他设备电路产生电压/电流变化的耦合模式 如,工业机器人 伺服系统对无线通信产生的干扰 当骚扰源频率较低时,主要通过传导方式进行耦合;但骚扰源频率较高时,则主要以辐射方式对外 发射 瞬态骚扰,主要包括各类快速脉冲瞬变、各类浪涌、静电放电等,它既有可能通过传导方式传递,也 有可能通过辐射方式传递 A.4工业机器人敏感部件 工业机器人敏感部件包括:电机驱动电路、控制电路、通信电路、示教器、传感器等 19
GB/T39004一2020 考文献 参 [[1]GB/T7343一2017无源EMC滤波器件抑制特性的测量方法 20

工业机器人电磁兼容设计规范GB/T39004-2020解读

工业机器人是现代制造业中的重要装备，其应用领域包括汽车制造、电子制造、航空航天等诸多领域。然而由于机器人的高频电气和机械运动，容易产生较大的电磁干扰，对周围设备和人员的安全性和稳定性构成威胁。因此，电磁兼容设计变得越来越重要。

GB/T39004-2020规范是一份专门针对工业机器人电磁兼容设计的技术标准，包括机器人电气和机械部分的设计要求和测试方法。其中，电气部分主要包括机器人控制系统、电源系统、通讯系统等电气设备的设计和测试要求；机械部分主要包括机器人结构、运动部件等机械元件的设计和测试要求。

GB/T39004-2020规范还规定了机器人的使用环境和安全保护要求，包括机器人的工作场所、周围设备和人员的安全性要求等。同时，规范还对机器人的维护保养和故障排除提出了具体建议。

通过遵循GB/T39004-2020规范的要求，可以有效地降低工业机器人的电磁干扰和安全风险，提高机器人的可靠性和稳定性。因此，对于工业机器人的制造商和使用者而言，掌握并遵循这一规范是非常重要的。

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