割草機(jī)器人EMC要求與設(shè)計(jì)對(duì)策

周國(guó)楊

（ 江蘇蘇美達(dá)五金工具有限公司，江蘇 南京　210061 ）

割草機(jī)器人EMC要求與設(shè)計(jì)對(duì)策

周國(guó)楊

（ 江蘇蘇美達(dá)五金工具有限公司，江蘇 南京210061 ）

基于割草機(jī)器人系統(tǒng)EMC設(shè)計(jì)的技術(shù)總結(jié)，分析邊界線負(fù)載端子騷擾電壓形成機(jī)理和特點(diǎn)，采取將邊界信號(hào)由方波調(diào)整為梯形脈沖，串聯(lián)電阻均衡邊界線阻抗并加強(qiáng)電源端和邊界線負(fù)載電路濾波的方法抑制傳導(dǎo)輻射。經(jīng)檢測(cè)，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到歐盟相關(guān)EMC標(biāo)準(zhǔn)要求。

割草機(jī)器人；電磁兼容；電子邊界線

0　引言

電磁兼容性（EMC）是指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中符合要求運(yùn)行，不對(duì)其環(huán)境中的其它設(shè)備產(chǎn)生有害的電磁干擾及自身在電磁環(huán)境中的抗干擾能力。隨著電子技術(shù)不斷發(fā)展，電磁頻譜的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，不可避免帶來(lái)更多電磁污染。在產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中，EMC設(shè)計(jì)技術(shù)顯得至關(guān)重要，其應(yīng)用也更加深入和注重細(xì)節(jié)。本文就此對(duì)割草機(jī)器人系統(tǒng)的EMC設(shè)計(jì)做簡(jiǎn)單介紹。

1　概述

割草機(jī)器人作為我國(guó)機(jī)電類產(chǎn)品中的一種，目前主要出口歐美市場(chǎng)，具有巨大市場(chǎng)潛力。出口歐洲產(chǎn)品應(yīng)滿足歐盟EN 55014-1：2006 +A1：2009+A2：2011、EN 55014-2：2015、EN 61000-3-2：2014和 EN 61000-3-3：2013的EMC標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)目的是對(duì)家用電器、電動(dòng)工具和類似器具的射頻騷擾電平建立一個(gè)統(tǒng)一的要求，確定騷擾限值、描述測(cè)量方法、使運(yùn)行條件和結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)化?？量痰腅MC標(biāo)準(zhǔn)成為了外銷企業(yè)的技術(shù)瓶頸。一些企業(yè)在產(chǎn)品研發(fā)初期，僅僅關(guān)注產(chǎn)品的功能設(shè)計(jì)而忽視產(chǎn)品EMC，最終導(dǎo)致企業(yè)因此遭受損失。

2　產(chǎn)品原理

割草機(jī)器人被廣泛應(yīng)用于庭院草坪的修剪和維護(hù)，電池驅(qū)動(dòng)的高速切削系統(tǒng)將草打成細(xì)小碎片并均勻地散落到草的根部，自然分解腐爛，省去了碎草收集和清除工作。割草機(jī)器人的出現(xiàn)節(jié)省了人力，解決了以往汽油割草機(jī)的噪聲和燃油污染問(wèn)題。

割草機(jī)器人可自主工作，以單片機(jī)為系統(tǒng)控制核心，融合運(yùn)動(dòng)控制、多傳感器檢測(cè)和路徑規(guī)劃等技術(shù)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)由割草機(jī)器人、基站和邊界線組成?；居砷_(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源、充電模塊和邊界信號(hào)模塊組成；割草機(jī)器人由主控單片機(jī)、傳感器模塊、割草與行走電機(jī)驅(qū)動(dòng)、通信模塊及電池模塊組成。主控單片機(jī)是割草機(jī)器人的核心部分，處理傳感器模塊收集到的信息，將較為復(fù)雜的環(huán)境變量轉(zhuǎn)化為相對(duì)簡(jiǎn)單的信號(hào)反饋給電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并按單片機(jī)程序設(shè)定規(guī)劃路徑運(yùn)行。

圖1　割草機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3　輻射分析

根據(jù)EMC理論及檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，騷擾輻射按其傳播途徑分為通過(guò)電源線、信號(hào)線等導(dǎo)體傳播的傳導(dǎo)騷擾和以電磁波形式向周圍空間發(fā)射的輻射騷擾。

3.1 傳導(dǎo)騷擾

1）邊界線傳導(dǎo)騷擾采用測(cè)量邊界線端子的騷擾電壓來(lái)評(píng)測(cè)

割草機(jī)器人普遍采用電子邊界為邊界傳感器提供邊界信號(hào)，規(guī)劃割草機(jī)器人的工作范圍。電子邊界由一根長(zhǎng)導(dǎo)線圍成，導(dǎo)線長(zhǎng)度一般大于100m，其電氣特性是感性負(fù)載，即RB+LB。圖2所示為信號(hào)時(shí)序和邊界線輸出電路。邊界信號(hào)特征是：周期20ms、發(fā)送2個(gè)間隔200us、脈寬100us電流脈沖，用傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)其有很豐富的頻譜分量。

圖2　信號(hào)時(shí)序和邊界線輸出電路

實(shí)際工作時(shí)，邊界信號(hào)采用間歇式、方波脈沖方式通過(guò)MOS功率管驅(qū)動(dòng)邊界線，開(kāi)關(guān)脈沖上升和下降時(shí)間很短，峰值電流可達(dá)數(shù)安培，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，LBdi/dt值會(huì)很大，由此邊界線輸出電路產(chǎn)生較強(qiáng)電磁干擾（EMI）。邊界線的長(zhǎng)度使得0.15MHz～30MHz帶寬內(nèi)有較多頻率點(diǎn)滿足1/4λ或1/2λ產(chǎn)生天線效應(yīng)的條件，其結(jié)果使傳導(dǎo)輻射功率大幅增強(qiáng)，試驗(yàn)中邊界線附近中短波廣播接收機(jī)均受到干擾。此外，通過(guò)傳導(dǎo)方式反饋到電源輸入端，影響系統(tǒng)的EMC性能指標(biāo)。

值得注意的是EN 55014-1：2006+A1：20 09+A2：2011中并沒(méi)有對(duì)割草機(jī)器人邊界線的EMC作明確要求，產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員若在此處疏忽大意，則只能通過(guò)事后整改加以彌補(bǔ)，增加時(shí)間成本和制造成本。

2）交流電源端傳導(dǎo)騷擾用測(cè)量電源端子的騷擾電壓來(lái)評(píng)測(cè)

系統(tǒng)由開(kāi)關(guān)電源供電，開(kāi)關(guān)電源工作在脈沖狀態(tài)，自身會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁騷擾，這種干擾既有共模，也有差模。在1MHz以下以差模為主；在1MHz以上以共模為主，這種干擾反向傳輸?shù)浇涣麟娫淳€輸入端子向外發(fā)射，影響其它電子設(shè)備。除此之外，交流電源端的騷擾電壓還受到邊界線信號(hào)的影響。

3.2 系統(tǒng)輻射

割草機(jī)采用塑料機(jī)體且是一個(gè)移動(dòng)電子設(shè)備，其內(nèi)含高速數(shù)字信號(hào)處理等電子電路，多個(gè)功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)，各種電磁騷擾通過(guò)PCB走線、內(nèi)部互連線與接口線電纜向空間輻射電磁波，形成輻射騷擾。由于割草機(jī)采用塑料機(jī)殼，常用的接地和屏蔽方法較難有效實(shí)施，無(wú)法對(duì)電磁輻射騷擾進(jìn)行抑制。

4　解決方法

傳導(dǎo)騷擾檢測(cè)頻率范圍為0.15MHz～30MHz，對(duì)應(yīng)割草機(jī)器人來(lái)說(shuō)，需要抑制開(kāi)關(guān)電源、邊界信號(hào)產(chǎn)生的高di/dt干擾在交流電源端子產(chǎn)生的連續(xù)騷擾和邊界線負(fù)載端連續(xù)騷擾。相對(duì)于傳導(dǎo)騷擾來(lái)說(shuō)，割草機(jī)器人輻射騷擾頻率范圍為30MHz～1GHz，較易滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.1 邊界線傳導(dǎo)騷擾抑制對(duì)策

針對(duì)上述分析，邊界線負(fù)載端子騷擾電壓采取以下措施降低：

1）將方波邊界信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)樘菪涡盘?hào)，降低諧波分量的幅值。MOS管驅(qū)動(dòng)端串接電阻R1，與MOS管輸入電容Ciss構(gòu)成積分電路，調(diào)整R1可增加方波脈沖上升和下降時(shí)間并形成梯形脈沖。

2）根據(jù)邊界線長(zhǎng)度，通過(guò)串聯(lián)小阻值功率電阻方式，對(duì)其阻抗參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)均衡處理，防止邊界線負(fù)載電流幅值大幅波動(dòng)。

3）邊界線輸出端、MOS管輸出端與邊界線之間分別串接EMI濾波器，防止邊界信號(hào)的EMI干擾反饋到系統(tǒng)電源輸入端以及邊界線上。

改進(jìn)后邊界信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。

圖3　改進(jìn)后邊界信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路

4.2 電源輸入端子傳導(dǎo)騷擾抑制對(duì)策

在電源輸入口處安裝電源濾波器是保證通過(guò)射頻傳導(dǎo)發(fā)射試驗(yàn)測(cè)試的有效方法，一種應(yīng)用于開(kāi)關(guān)電源的典型電源濾波器如圖4所示。

兩級(jí)電源濾波器能夠?qū)Σ钅：凸材Ｔ肼曁峁└蟮淖杩共贿B續(xù)性，從而得到更大的衰減量?？缃佑谙嗑€與中線間的電容C1（0.22μF）、C4（0.1μF）用來(lái)抑制差模噪聲，由于兩線間屬于低阻狀態(tài)，電容取值較大；相線或中線與地并聯(lián)電容C2與C3、C5與C6旁路高頻共模噪聲到地，由于兩線與地間屬于高阻狀態(tài)，電容取值較小，還可以減小并聯(lián)電容產(chǎn)生的漏電流，提高安全性。濾波器在0.2MHz～20MHz帶寬內(nèi)有較大的插入損耗，可達(dá)到40dB以上，可有效抑制噪聲。

圖4　一種典型的電源濾波器電路

4.3 系統(tǒng)輻射騷擾抑制對(duì)策

割草機(jī)具有非屏蔽結(jié)構(gòu)的移動(dòng)設(shè)備特點(diǎn)，接地和屏蔽措施較難達(dá)到良好效果，需通過(guò)PCB設(shè)計(jì)、內(nèi)部電纜線布局及長(zhǎng)度控制等措施以達(dá)到EMC標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.3.1 電路板抗干擾設(shè)計(jì)

1）電路板

系統(tǒng)主板采用四層PCB板，1、4層為信號(hào)層，3層為地線層，2層為電源層。多層板提供最短的回流路徑，減小耦合面積，抑制差模干擾；分配專門的地層和電源層，并且地層和電源層緊耦合，降低電源平面的公共交流阻抗，從而抑制共模干擾。頂層（TOP）下部為電源層，元器件的電源引腳可以直接接到電源，無(wú)須穿越地層。關(guān)鍵的信號(hào)，如時(shí)鐘線、電機(jī)功率線等，布在低層（BOTTOM），使得重要的信號(hào)走線空間更大，與地線層距離更近。器件盡可能選用貼片元件（SMT元件），減小引線電感和體積，有利于提高EMC性能。

2）布局

為獲得主板控制系統(tǒng)的最佳性能，元器件布局至關(guān)重要。電路進(jìn)行模塊化歸類，應(yīng)根據(jù)模塊的電路特性進(jìn)行布局。原則上，電機(jī)控制功率模塊靠近電源端，功率走線與地線盡可能寬；模擬小信號(hào)模塊遠(yuǎn)離數(shù)字控制模塊和功率模塊，并使模擬地與數(shù)字地在電源接地端交匯，以避免發(fā)生數(shù)字干擾模擬的現(xiàn)象；時(shí)鐘也是一個(gè)主要干擾源，晶振外殼接地，時(shí)鐘走線盡量短并與地線并行走線，起屏蔽效果可以吸收部分輻射干擾。

3）濾波

濾波是一種抑制電磁干擾最常用、最有效方法之一。在電源線或芯片電源端串接貼片鐵氧體磁珠，利用鐵氧體材料所體現(xiàn)的電感，在高頻下鐵氧體磁芯的渦流損耗轉(zhuǎn)換成焦耳熱，即可簡(jiǎn)便而有效消除存在于線上的高頻電磁噪聲。對(duì)PCB所涉及的集成電路（IC）的電源端加貼片鐵氧體磁珠，磁芯兩端加電容構(gòu)成П型濾波器，是典型有效抑制電源引入高頻噪聲的方法。

4.3.2 系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)

由前圖可知，系統(tǒng)干擾源主要來(lái)源是基站和割草機(jī)器人。在采取上述系列抗干擾措施基礎(chǔ)上，基站采取整改邊界信號(hào)特征，降低開(kāi)關(guān)速率；對(duì)邊界信號(hào)電流幅度加以限制，割草機(jī)充電時(shí)關(guān)停邊界信號(hào)，減小不必要的信號(hào)輻射。對(duì)割草機(jī)而言，精心布置模塊電纜走線及控制走線長(zhǎng)度；盡可能做好系統(tǒng)模塊之間接地，電機(jī)控制線遠(yuǎn)離控制線和通信接口線。

5　EMC測(cè)評(píng)

設(shè)計(jì)完成并經(jīng)過(guò)EMC整改的割草機(jī)器人系統(tǒng)，在試驗(yàn)室進(jìn)行了邊界線負(fù)載端子傳導(dǎo)騷擾電壓測(cè)評(píng)、電源輸入端子傳導(dǎo)騷擾電壓測(cè)評(píng)和系統(tǒng)輻射騷擾電場(chǎng)測(cè)評(píng)。

5.1 傳導(dǎo)騷擾電壓

1）邊界線負(fù)載端子傳導(dǎo)騷擾電壓測(cè)評(píng)

按照傳導(dǎo)騷擾電壓測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測(cè)量、設(shè)施及要求，測(cè)量頻率范圍為0.15MHz～30MHz。對(duì)割草機(jī)器人系統(tǒng)的邊界線負(fù)載端子傳導(dǎo)騷擾電壓進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)邊界信號(hào)輸出電路的電阻R1阻值進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)R1=3.0K～3.6K時(shí)，邊界線負(fù)載端子傳導(dǎo)騷擾電壓抑制達(dá)到最佳效果。邊界線負(fù)載端子傳導(dǎo)騷擾電壓頻譜如圖5所示，整個(gè)帶寬內(nèi)滿足EMC標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)要求。

2）電源輸入端子騷擾電壓測(cè)評(píng)

按照傳導(dǎo)騷擾電壓測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測(cè)量、設(shè)施及要求，測(cè)量頻率范圍為0.15MHz～30MHz。對(duì)割草機(jī)器人系統(tǒng)的電源輸入端子傳導(dǎo)騷擾電壓進(jìn)行測(cè)量，電源輸入端子傳導(dǎo)騷擾電壓頻譜如圖6所示。測(cè)量結(jié)果表明，整個(gè)帶寬內(nèi)滿足EMC標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)要求。

5.2 系統(tǒng)輻射電場(chǎng)

按照輻射騷擾電場(chǎng)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測(cè)量、設(shè)施及要求，測(cè)量頻率范圍為30MHz～1GHz。對(duì)割草機(jī)器人系統(tǒng)輻射的騷擾電壓進(jìn)行測(cè)量，系統(tǒng)輻射騷擾電壓頻譜如圖7所示。由圖可知，EMC輻射騷擾指標(biāo)高端余量較大，低端相對(duì)小點(diǎn)，顯示系統(tǒng)電磁干擾主要在中低頻段。

圖7　系統(tǒng)輻射騷擾電壓頻譜

6　結(jié)語(yǔ)

本文試對(duì)割草機(jī)器人系統(tǒng)EMC設(shè)計(jì)技術(shù)總結(jié)，特別是對(duì)邊界線負(fù)載端子騷擾電壓形成機(jī)理和特點(diǎn)進(jìn)行分析，通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)、電路參數(shù)調(diào)整及整改，傳導(dǎo)輻射騷擾電壓得到有效抑制。系統(tǒng)EMC經(jīng)有關(guān)檢測(cè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到了歐盟EMC標(biāo)準(zhǔn)要求，保證了系統(tǒng)的正常運(yùn)行，產(chǎn)品使用效果良好。

［1］朱文立.電磁兼容設(shè)計(jì)與整改對(duì)策及案例分析［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2012.

［2］Keith Armstrong.電子產(chǎn)品實(shí)用EMC設(shè)計(jì)技術(shù)［M］.李曉輝，譯.北京：清華大學(xué)出版社，2013.

［3］黃杰，蘇謝祖.自動(dòng)割草機(jī)的設(shè)計(jì)［J］.嵌入式技術(shù)，2010，36（8）：33-37.

［4］汪泉弟，安宗裕，鄭亞利，等.電動(dòng)汽車開(kāi)關(guān)電源電磁兼容優(yōu)化設(shè)計(jì)方法［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2014，29（9）：225-230.

［5］Abraham I，Pressman.開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)［M］.王志強(qiáng)，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2006.

［6］白同云.嵌入式機(jī)器人控制器的電磁兼容設(shè)計(jì)［J］.安全與電磁兼容，2010（5）：70-72.

［7］李曉輝.衛(wèi)星射頻接收機(jī)電磁兼容防護(hù)設(shè)計(jì)方法［J］.空間電子技術(shù)，2014（3）：91-93.

［8］史建華，錢振宇.片式鐵氧體磁珠及其應(yīng)用［J］.電源技術(shù)應(yīng)用，2009，12（7）：17-23.

Requirements and Design Strategy for EMC of Robotic Lawnmowers

Zhou Guoyang
（Jiangsu SUMEC hardware & tools Co.， LTD.， Nanjing， 210061， China）

Based on the summary of EMC design technology of robotic lawnmowers system，analyzes the formation mechanism and characteristics of the disturbance voltage of the load terminals on the boundary line. Then the boundary signal is adjusted to trapezoidal pulse instead of square wave， series resistance balances boundary wire impedance， and filter is strengthened for the power supply port and the boundary wire load circuit. Professional testing results show that， the EMC technical target of the robotic lawnmower has reached the EU standards.

robotic lawnmower； EMC； electronic boundary wire

TM930.12

A

1674-2796（2016）04-0004-05

2016-05-20

周國(guó)揚(yáng)（1964-），男，大學(xué)本科，高級(jí)工程師，主要從事智能化家電等方向研究。