CN111723543A - 一种电动缸的电磁兼容设计方法、电磁兼容电动缸及应用 - Google Patents

Abstract

一种电动缸的电磁兼容设计方法、电磁兼容电动缸及应用，针对电动缸产品特点提出了贯穿在其原有设计始末的电磁兼容设计方法，实现了正向电磁兼容设计。该设计方法包括电动缸的电磁兼容总体规划，电动缸的电气原理电磁兼容设计，电动缸的PCB电磁兼容设计，电动缸的结构电磁兼容设计。涉及辨识电动缸电气干扰源和受扰源，根据电动缸电气特点进行原理级地***划分，基于信号流向的电动缸印制板的布局、布线设计，电动缸印制板的静地设计，晶振的局部地平面设计，电动缸壳体结构半包围设计，通过本发明可在电动缸功能设计中有机融入完备的电磁兼容设计方法，有效提高电动缸产品的电磁兼容性，该电动缸可作为射电天文望远镜主动面***的促动器。

Description

一种电动缸的电磁兼容设计方法、电磁兼容电动缸及应用

技术领域

本发明属于电动缸设计领域，具体涉及一种电动缸的电磁兼容设计方法、电磁兼容电动缸及应用。

背景技术

电动缸产品作为高精度直线位移的机电输出装置，被广泛应用于射电天文、机床控制及医疗器械等领域。电动缸分***作为全***的重要组成部分，其电磁兼容性对全***的稳定运行具有重要作用，因而电动缸的电磁兼容性要求逐渐严苛。传统的电动缸设计中虽含有电气设计、结构设计及传动设计，但电磁兼容设计没有***地贯穿其中。往往在电动缸产品调试完成后，经历电磁兼容考核试验时发现，产品难以通过电磁兼容要求。此时仅能通过临时措施进行电磁兼容整改，整改后的效果、工艺性及美观性势必不如一次成型产品。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中电动缸调试完成后难以通过电磁兼容要求的问题，提供一种电动缸的电磁兼容设计方法、电磁兼容电动缸及应用，实现电磁兼容的正向设计，有效地提高电动缸产品的电磁兼容性，避免破坏产品工艺性和美观性，降低产品开发成本。

为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：

一种电动缸的电磁兼容设计方法，包括以下步骤：

S1、电动缸电磁兼容总体设计；

从供电形式和通信形式两方面进行规划；供电形式避免工频220V供电引入电动缸后所增加的直流/直流转换模块形成时钟干扰源，同时避免工频220V供电引入的电源线谐波干扰；通信形式既能搭载不同通信协议实现组网需求，又能规避铜线造成的共模辐射和差模辐射；

S2、电动缸电磁兼容电路原理设计；

设计对象包括处理器、二次电源、以太网通信、模拟量采集及电机驱动；

2.1)进行电磁兼容干扰源、受扰源辨识；

2.2)进行原理级地***分配；

2.3)选用功能丰富的器件，对干扰源和受扰源进行电磁兼容设计优化；

2.4)对干扰源和受扰源进行电磁兼容滤波设计；

2.5)检查针对干扰源和受扰源采取的所示是否有效，若有遗漏，则返回步骤2.2)重新执行步骤2.2)至步骤2.4)，若均覆盖到位，则电动缸的电磁兼容原理设计结束；

S3、电动缸电磁兼容PCB设计；

3.1)印制板层设计；

最大限度利用印制板层形成的屏蔽腔体，并为信号回路构成最小面积；

3.2)印制板上的器件布局设计；

3.3)印制板的布线设计；

3.4)按照干扰源和受扰源划分，对电动缸的印制板地层、布局、布线进行电磁兼容设计检查，若有遗漏，则返回步骤3.1)重新执行步骤3.1)至步骤3.3)，直至均满足要求；

S4、电动缸壳体电磁兼容设计，包括对壳体内部布局和走线设计、壳体结构设计，以及孔、缝抑制设计，检查机箱走线以及壳体形成的孔、缝均已经处理完为止。

所述的步骤2.1)依据下表进行原理图信号分类排列：

信号截至频率依据以下公式进行推算：

若已知信号时域上升时间τ，则信号截止频率

若仅知信号1bit的持续时间T，则信号时域上升时间

然后依据再推算信号截止频率；

辨识方法为：信号功率高且电平高且截至频率高且为单端信号的为最强干扰源；信号功率低且电平低且为单端信号的为最敏感受扰源。

步骤2.2)进行原理级地***分配的方法为：数字***地、模拟***地及伺服驱动***地分别保持物理隔离；当两个地***存在相互干扰但地平面需要相同静态工作点才能工作时，该两个地***除物理隔离外，在就近位置通过磁珠相连；当两个地***按功能设计需物理隔离，但其中一个地***能形成更大的分布电容时，将两个地***通过电容就近相连。

步骤2.4)针对晶振进行电磁兼容滤波设计如下：在晶振供电入口分别设计去耦电容，去耦电容包括钽电解电容C1、多层瓷介电容C2、串联磁珠L1的电容C3，晶振输出端串联RC滤波，设计电容C4和电阻R1，电容C4选用多层瓷介表贴电容，电阻R1为表贴电阻。

所述步骤3.1)的设计原则包括：

优选多层级印制板；层数采用偶数层；在第二层或倒数第二层设置较大面积铺地；地平面保持完整；减少多边形的边数，凸多边形优于凹多边形；优先在内层布线；优先在无相邻布线层布线，或虽有相邻布线层，但相邻布线层垂直走线或对应布线区域下方无走线；关键信号线的布线层有相邻的参考地层，并确保关键走线未跨越地分割区；

为使印制板上的共模干扰能通过低阻抗路径泄放，降低印制板上对外的辐射效能，在印制板四周设计静地，形成封闭环形敷铜，并与金属机箱实现电气连接；

静地设计方法包括：在印制板上每一层均设计同样形状的静地；静地区域不能有其它地层、电源层及走线信号；静地的宽度既能达到将内部高频噪声泄放，又能避免干扰侵扰印制板内部；静地借助印制板结构紧固方式与金属机壳构成电气连接，兼顾印制板强度；板上接插件的金属紧固件应在静地区域内打孔，并实现电气连接；如果该PCB设计金属屏蔽罩，金属屏蔽罩的长宽贴合在静地上，并保证金属屏蔽罩、静地及金属机壳电气连接。

步骤3.2)的器件布局设计方法为：重要元器件、强辐射源、易敏感源优先布局；基于信号流向的布局思想进行布局，保证干扰信号和受扰信号走线最短，回路面积最小，干扰信号和受扰信号平行路径最短；针对干扰源、受扰源进行分区域布置，数字电路、模拟电路及电机驱动电路分区域布置；关键干扰源沿板中心附近放置；对于辅助电路，以每个功能电路的核心器件为中心，以就近原则，围绕其进行布局；接口防护电路紧邻接插件，实现走线最短，并且并排放置；针对特定芯片的滤波电容剪短引脚长度并紧邻特定芯片管脚；多个电容滤波时，容值越小越靠近芯片引脚；晶振的串联匹配电阻靠近源端。

步骤3.3)的布线设计方法为：

首先为高速信号、高频信号、强功率信号、易敏感信号、低噪声容限信号布线，其次为其他信号布线；布线避免换层，当必须换走线层时，选择同一参考地平面两侧的布线层，避免变换参考地平面；如果布线参考地平面从一个地层到另一个地层，则在布线换层的过孔附近设置一个地过孔连接两个地层，地层过孔尺寸与此信号过孔尺寸相同；强干扰源在器件下方铺局部地平面，局部地平面通过多个过孔与相邻层的地层相连，时钟信号走内层，必须走表面层时，最大允许的表层时钟线长度为时钟信号波长的1/20；强干扰信号和易敏感信号设计护送地线，护送地线和被护送信号间距为其3倍线宽；时钟的护送地线每隔λ/10打过孔与地层连接，λ为时钟信号的波长；线圈、共模电感、隔离变压器、隔离运放器件下方不走高速信号或易受扰信号；禁止地线铜皮上伸出多余线头或悬空的分支地线，避免天线效应；信号差分对或电源正负线走线时，在满足工艺性的前提下，尽可能减小线间距，减小回路面积。

本发明同时提供一种电磁兼容电动缸，采用直流28V输入供电，通信组网的物理介质为光导纤维，处理器部分以DSP为核心，外部电路包括晶振电路、电源管理电路及复位电路，二次电源根据地***的设计，由若干直流/直流变换器及直流稳压源组成，以太网通信模块由以太网协议芯片，物理层芯片及光模块组成，模拟量采集模块以模拟量采集芯片为基础构成，电机驱动模块由电机驱动集成芯片和场效应管驱动桥构成；针对不同地***，对一次电源进行分配，使相应地***接地点保持隔离；印制板层最大限度利用印制板层形成的屏蔽腔体，并为信号回路构成最小面积，在印制板四周设计静地，器件布局保证各信号流向以最小路径返回，并实现干扰电路与受扰电路分区域布置，最大程度降低板内电磁兼容性及对外辐射；布线避免换层，当必须换走线层时，选择同一参考地平面两侧的布线层，避免变换参考地平面；如果布线参考地平面从一个地层到另一个地层，则在布线换层的过孔附近设置一个地过孔连接两个地层，地层过孔尺寸与此信号过孔尺寸相同，强干扰信号和易敏感信号设计护送地线；壳体结构采用半包围设计满足装配要求，安装导电橡胶以保证屏蔽连续性。

优选的，本发明的电磁兼容电动缸实现同等功能，选用多功能器件减少干扰源器件的数量和种类；选用W5300芯片实现以太网协议芯片和物理层芯片的功能。

壳体前后侧盖与底盖一体成型，避免两条长边缝隙，降低缝隙辐射；左侧盖和上盖可拆卸，满足印制板和接插件的工艺装配要求，右侧为电动缸控制器壳体与传动部分的衔接部位；在上盖接合位置、左侧盖及右侧接合部位以开槽方式嵌装导电橡胶；在壳体前后侧盖壁面粘贴背胶式吸波贴片，左侧盖上设置对外连接的接插件，且其尾罩能满足360°的全屏蔽。

本发明同时提供一种射电天文望远镜主动面***，采用上述的电磁兼容电动缸作为主动面***的促动器。

相较于现有技术，本发明具有如下的有益效果：在电动缸产品的传统功能设计中有机融入电动缸电磁兼容设计方法，包括电动缸的电磁兼容总体规划、电动缸的电气原理电磁兼容设计流程、电动缸的PCB电磁兼容设计流程、电动缸的结构电磁兼容设计流程，针对电动缸产品的特点，站在电磁兼容角度并考虑电动缸自身特点，提出贯穿于其功能设计的***性电磁兼容设计方法，实现了电磁兼容的正向设计，有效提高了电动缸产品的电磁兼容性，避免破坏产品工艺性和美观性，并有效降低产品的开发成本，便捷可行，具有较强的应用价值。

进一步的，针对电动缸控制板中的晶振提出专用滤波设计方法，针对晶振供电采用并联三级电容滤波且串联磁珠的拓扑结构，同时针对时钟信号输出进行RC网络滤波的拓扑结构；针对电动缸控制板中的晶振等辐射器件布线时提出的局部地平面设计方法，包括地平面的大小及地平面与其他器件、板层的关系设计；针对电动缸控制板中的静地设计方法，静地的位置、尺寸设计方法，及静地与其他器件的摆放关系；电动缸印制板基于信号流向的布局、布线思想，根据电动缸产品的电路特点，归纳信号流向，并依据信号流向走线最短，回路面积最小的规则进行布局设计，有机融入完备的电磁兼容环节，提高电动缸产品的电磁兼容性。

进一步的，壳体采用半包围式设计方法，三面一体成型，减少了缝隙的电磁泄漏。

附图说明

图1电动缸产品功能设计总体框图；

图2电动缸的电磁兼容原理设计流程图；

图3原理级地***设计规划框图；

图4地***之间连接关系设计图；

图5针对晶振提出专用滤波设计电路图；

图6晶振产生的周期性时钟输出滤波前后对照图；

图7磁珠的连接关系示意图；

图8电动缸的电磁兼容PCB设计流程图；

图9印制板四周设计静地的示意图；

图10印制板上的器件布局设计示意图；

图11印制板上的器件布线设计示意图；

图12布线换层设置一个地过孔连接两个地层示意图；

图13局部地平面通过多个过孔与相邻层的地层相连示意图；

图14壳体电磁兼容设计流程图；

图15电动缸的壳体结构示意图；

图16导电橡胶的嵌装示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

参见图1，电动缸是用电能实现高精度直线位移进给的机电装置。针对电动缸的设计内容包含总体设计、电气设计、控制器结构设计及传动设计。

总体设计是为实现功能确定的总体方案，明确闭环控制策略，明确电机类型，明确电动缸与上位机的通信连接关系及物理介质，明确电气功能实现框架，明确传动设计框架等。

电气设计是实现通信响应上位机的控制指令，传感器采集位置并反馈，并在DSP上实现闭环控制策略，最终实现控制器对电机的功率输出。

结构设计指控制器壳体设计。

传动设计指涡轮蜗杆设计、丝杠设计及端盖设计。

本发明电动缸的电磁兼容设计方法在传统电动缸功能设计步骤的基础上，站在电磁兼容角度并考虑电动缸自身特点，提出了以下新的精细化思路和方法并贯穿在功能设计中。

1.电动缸的电磁兼容总体规划；

电动缸电磁兼容总体规划属于总体设计的一部分，是在产品详细设计之初所要规划的内容。电动缸电磁兼容总体规划在产品总体设计的基础上，从供电形式和通信形式两方面进行规划。为了避免工频220V供电引入电动缸后所增加的直流/直流转换模块(DC/DC)形成时钟干扰源，同时也避免工频220V供电引入的电源线谐波干扰，电动缸采用直流28V输入供电。电动缸通过通信指令完成自身动作。传统铜线形成的物理传输介质虽然满足了不同通信协议要求，但是铜线在走线路径中不可避免地耦合外界电磁波并通过传导影响电动缸内部，因此，本发明电动缸的电磁兼容设计方法采用光导纤维作为电动缸通信组网的物理介质，既能搭载不同通信协议实现组网需求，又能有效地规避铜线造成的共模辐射和差模辐射。

2.电动缸的电气原理电磁兼容设计；

结合电动缸功能设计原理实现框图可知，电气部分由处理器、二次电源、以太网通信、模拟量采集及电机驱动等组成。处理器部分以DSP为核心，辅以晶振电路、电源管理电路及复位电路等。二次电源根据地***的设计，由若干直流/直流变换器(DC/DC)及直流稳压源组成。以太网通信由以太网协议芯片(Mac)、物理层芯片(PHY)及光模块组成，其中包含晶振电路。模拟量采集以模拟量采集芯片(AD)为基础构成。电机驱动主要由电机驱动集成芯片和场效应管(MOS管)驱动桥构成。参见图2，由此提出电动缸电磁兼容原理设计流程。

根据流程，首先进行电磁兼容干扰源、受扰源辨识。

依据下表进行原理图信号分类排列：

其中，信号截至频率可依据两个经验公式进行推算。

若已知信号时域上升时间τ，则信号截止频率

若仅知信号1bit的持续时间T，则信号时域上升时间

再推算信号截止频率。

辨识方法：信号功率高且电平高且截至频率高且为单端信号的为最强干扰源，信号功率低且电平低且为单端信号的为最敏感受扰源。反之亦然。

该电气***采用该方法评估后，干扰源为晶振电路及直线传感器输入信号。受扰源为AD采集电路。为避免不同功率、不同电平的信号在公共回路上形成地弹，造成数字量误判或模拟量性能降级，接下来进行原理级地***分配。

电磁兼容原理级地分配方法为：数字***地、模拟***地及伺服驱动***地分别保持物理隔离；当两个地***存在相互干扰但地平面需要相同静态工作点才能工作时，该两个地***除物理隔离外，在就近位置通过磁珠相连；当两个地***按功能设计需物理隔离，但其中一个地***(一般指机壳地)能形成更大的分布电容时，将两个地***通过电容就近相连。根据原理级地***设计方法，并结合控制***用电实际，规划以下方案，如图3所示：

其中GND为DSP、Mac、PHY等芯片的地，AGND为位移传感器、温度传感器等模拟量的地，36VGND为步进驱动芯片、驱动桥及步进电机的地，EGND为机壳地。

针对不同地***，需采用隔离DC/DC对一次电源进行分配，保证相应地***接地点保持隔离。如遇到不同地***之间存在模拟量交互，则需采用隔离运算放大器(例如ISO124)、光电耦合器(例如HCNR201)等隔离器件实现。如遇到不同地***之间存在数字量交互，则需采用数字隔离器(例如ADuM2400)、隔离变压器等实现。

同时，地***之间连接关系设计如图3所示：

L1选用100MHz时500Ω的磁珠连接GND和AGND，在抑制共模干扰的同时，保证AD采集芯片(AD7606)共有一个直流工作点。因电机驱动信号频率范围达100kHz，根据时间常数公式估算：τ＝RC，C取10μF，R估算时可取1Ω；因数字***工作频率从25MHz～1GHz均覆盖，这里取1GHz计算，根据时间常数公式，C取1000pF，表贴电容；理论和实测表明：传感器外接电缆能耦合频率100MHz～500MHz的干扰电磁波(外置的位移传感器为塑料壳体，屏蔽线缆难实现全屏蔽接触)，且幅度在该范围内连续，由于模拟地通过外接线缆连接至外置直线传感器上，根据时间常数公式，C3取10nF表贴电容。

接下来是对干扰源和受扰源做原理级电磁兼容优化。

首先指出：实现同等功能，选用功能丰富的器件，以减少晶振、接口隔离器等干扰源的数量种类。高集成度、多功能的芯片比分离式功能实现的电路电磁兼容性能优异，因为高集成度芯片具有更短的走线距离和灵活的封装形式。因此，在本电气***中，为实现以太网通信，选取集成Mac及PHY功能的单一芯片电磁兼容性优于采用两个芯片(有效避免了高速信号在印制板上的走线长度，降低辐射)，因此选用W5300芯片实现Mac和PHY功能。

未使用的芯片输入/输出信号不能悬空，应通过低阻抗接工作地。

晶体振荡器是数字电路正常工作不可或缺的元件，但晶振产生的周期性时钟抖动也是板级电磁干扰(EMI)的最严重的源头之一，这里针对晶振(干扰源)的电磁兼容设计提出方法：

晶振输出电平类型有：HCMOS、TTL、ACMOS、ECL和正弦波输出。当时钟频率小于70MHz时，建议使用HCMOS电平类型的晶振。当时钟频率大于70MHz时，可采用ECL型的晶振。针对晶振提出专用滤波设计如图5所示，接下来对关键干扰源提出滤波拓扑设计。

晶振产生周期性时钟的同时，也使所在的地回路上产生开关噪声，影响电源完整性。因此在晶振供电入口分别设计去耦电容(C1、C2、C3)，其中C1容值为4.7μF，选用钽电解电容；其中C2容值为0.1μF，选用多层瓷介电容；电容均选用表贴电容，有效降低ESL(串联等效电感)和ESR(串联等效电阻)其中C3容值为0.01μF，同时串联磁珠L1，选用100MHz时200Ω的磁珠。晶振产生的周期性时钟不是完美的方波，而是有限次谐波的叠加，实际中波形的过冲过大说明电路存在较大反射，如图6所示，因此在晶振输出端串联RC滤波，设计C4和R1，C4选用多层瓷介表贴电容，选用10pF即可；设计R1为表贴电阻，阻值一般取22Ω～51Ω，同时需根据实际PCB调试波形进行阻值优化。

磁珠可等效为电感和电阻的串联，针对高频干扰抑制具有明显效果，且由于其封装形式灵活，既可表面贴装又能通孔插装。因此，在电动缸控制板原理设计中，抑制高频信号传输时产生的干扰可串联磁珠；抑制对外单端接口引入的干扰也通过串联磁珠解决。

针对直线传感器的干扰信号，这里选取信号线上串联磁珠进行抑制共模干扰。选取磁珠特性为100MHz时500Ω，且自谐振频率大于800Mhz。连接关系如图7所示。

接插件点位排布设计时，建议设计地针与信号针交错排列。

最后，检查针对干扰源、受扰源是否均采取有效措施。若有遗漏，则重新进行流程设计；若均覆盖到位，则电动缸电磁兼容原理设计结束。

针对敏感器件AD采集芯片的设计措施由前述地***设计保证。

3.电动缸的PCB电磁兼容设计；

在电动缸电气原理设计完成后，需经过PCB设计形成电路板图，方能工程实现。因此提出电动缸的电磁兼容PCB设计流程。

参见图8，基于电动缸原理级干扰源、受扰源辨识结果进行PCB级电磁兼容设计。

电动缸中印制板层的设计方法：

1)多层级印制板的电磁兼容性明显优于单层印制板；

2)层数采用偶数层；

3)在第二层或倒数第二层设置大面积铺地；

4)地平面尽可能保持完整，矩形形状且长宽比小于3最佳；

5)如果由于工艺性等原因，地平面无法保持矩形，那么尽可能减少多边形的边数。并且，凸多边形形状优于凹多边形；

6)优先在内层布线；

7)优先在无相邻布线层布线，或虽有相邻布线层，但相邻布线层垂直走线或对应布线区域下方无走线；

8)关键信号线的布线层应有相邻的参考地层，并确保关键走线未跨越地分割区。

四层板的层优化设计：S1/G/P/S2；

六层板的层优化设计：S1/G1/S2/P/G2/S3；

八层板的层优化设计：S1/G1/S2/G2/P/S3/G3/S4；

十层板的层优化设计：S1/G1/S2/P1/S3/G2/P2/S4/G3/S5；

其中，S代表信号层，G代表地层，P代表电源层；

以上层数设计符合印制板层的设计方法，最大限度利用了印制板层形成的屏蔽腔体，并为信号回路构成最小面积。

在本发明电动缸印制板设计中，采用上述的八层板板层设计。

为使印制板上的共模干扰能通过低阻抗路径泄放，降低印制板上对外辐射效能，在印制板四周设计“静地”，形成封闭环形敷铜，并通过多个结构螺钉紧固与金属机箱实现电气连接。

本发明的静地设计方法如下：

1)在印制板上每一层均设计同样形状的静地；

2)静地区域不能有其他地层、电源层及走线信号；

3)静地的宽度一般取2mm～7mm，既达到将内部高频噪声泄放，又能避免外部雷电等干扰侵扰印制板内部；

4)静地必须借助印制板安装螺钉等结构紧固方式与金属机壳构成电气连接，兼顾印制板强度考虑，一般至少使用6～8个螺钉进行印制板紧固；螺孔均为金属化孔；

5)板上接插件和静地的位置关系参考图9，板上接插件的金属紧固件应在静地区域内打孔，并通过螺钉实现电气连接；

6)如果该PCB需设计金属屏蔽罩，那么金属屏蔽罩的长宽应恰好贴合在静地上，并通过焊接、螺接等工艺保证金属屏蔽罩、静地及金属机壳电气连接。

在本电动缸的印制板设计中，采用图9所示的静地设计，静地宽度选取5mm。

参见图10，本发明电动缸印制板布局方法如下：

1)“先大后小，先难后易”的布局原则，重要元器件、强辐射源、易敏感源优先布局；

2)基于信号流向的布局思想进行布局，首先保证干扰信号和受扰信号走线最短，回路面积最小，干扰信号和受扰信号平行路径最短；

3)针对干扰源、受扰源分区域布置，数字电路、模拟电路及电机驱动电路分区域布置；

4)晶振、DSP等关键干扰源沿板中心附近放置；

5)对于辅助电路，以每个功能电路的核心器件为中心，以就近原则，围绕其进行布局；

6)接口防护电路，如防雷击电路，电源滤波电路，信号滤波电路等，务必紧邻接插件，实现走线最短，并且并排放置；

7)针对特定芯片的滤波电容应剪短引脚长度(剪平焊)并紧邻特定芯片管脚；多个电容滤波时，容值越小越靠近芯片引脚；

8)晶振的串联匹配电阻应靠近源端；

在本发明电动缸PCB布局设计中，以太网通信信号流向为从接插件进入，分别经过接口防护电路、58100、DSP，然后由DSP、58100、防护电路及接插件返回；AD采集信号通过接插件、接口防护电路、AD芯片，至DSP结束；电机驱动信号由DSP、步进电机驱动芯片至驱动桥，最后通过接插件输出，同时驱动桥由就近接插件提供36V伺服电。

电动缸印制板采用图11所示的布局设计，保证了各信号流向以最小路径返回，并实现了干扰电路与受扰电路分区域布置，最大程度降低板内电磁兼容性及对外辐射。

在布局完成的基础上，进行电动缸印制板布线设计。

电动缸的印制板布线设计方法如下：

1)首先为高速信号、高频信号、强功率信号、易敏感信号、低噪声容限信号布线，其次为其他信号布线；

2)布线要避免换层，当必须要换走线层时，尽量选择同一参考地平面两侧的布线层，避免变换参考地平面；

3)如果布线参考地平面从一个地层到另一个地层，则必须在布线换层的过孔附近设置一个地过孔连接两个地层，地层过孔尺寸与此信号过孔尺寸相同，如图12所示；

4)强干扰源，如晶振、晶体等器件，在器件下方铺局部地平面，局部地平面长宽尺寸大于器件本身约2mm；局部地平面通过多个过孔与相邻层的地层相连；时钟信号走内层；必须走表面层时，最大允许的表层时钟线长度为时钟信号波长的1/20，如图13所示；

5)强干扰信号和易敏感信号应设计护送地线，护送地线和被护送信号间距为其3倍线宽；时钟的护送地线应每隔λ/10打过孔与地层连接；其中λ为时钟信号的波长；

6)线圈、共模电感、隔离变压器、隔离运放等器件下方不能走高速信号或易受扰信号；

7)禁止地线铜皮上伸出多余线头或悬空的分支地线，避免天线效应；

8)信号差分对或电源正负线走线时，在满足工艺性的前提下，尽可能减小线间距。，减小回路面积。

最后，按照干扰源和受扰源划分，对电动缸印制板地层、布局、布线进行电磁兼容设计检查，检查印制板设计是否满足相应方法要求，如有遗漏，重新从地层开始设计迭代，直至均满足要求，则电动缸电磁兼容PCB设计结束。

参见图14，本发明电动缸的壳体结构电磁兼容设计方法如下；

由于电动缸的控制器壳体有小型化要求，壳体的三维尺寸受限于控制板的长、宽、高，为保证工艺性，留走线距离及钳装距离即可。

印制板平铺于壳体内放置，印制板安装高度以安装接插件高度平齐为限。

参见图15，本发明电动缸控制器壳体的电磁兼容设计方法如下：

1)壳体结构采用半包围设计，前后侧盖(ZY面)与底盖一体成型，避免了两条长边缝隙(Z方向)，有效降低缝隙辐射；左侧盖和上盖实现可拆卸，满足印制板和接插件的工艺装配要求，右侧为电动缸控制器壳体与传动部分的衔接部位；

2)为了保证屏蔽连续性，在上盖接合位置(XY面)、左侧盖及右侧接合部位(XZ面)设计安装导电橡胶；以开槽方式进行嵌装，安装位置如图16所示；

3)为了避免壳体内电磁谐振，放大内部干扰信号，在机箱壁ZY面上粘贴背胶式吸波贴片；所选的吸波贴片最佳工作频段应在1GHz～4GHz,全频段吸收性能不低于-10dB；

4)左侧盖上含有对外连接的接插件，选用满足国军标要求的Y50X系列电连接器，且其尾罩能满足360°全屏蔽的工艺实现。

以上设计完成后，再进行检查是否对所有机箱走线进行处理，是否对壳体形成的孔、缝进行电磁优化，若已处理完成，则完成电动缸结构电磁兼容设计，否则重新进行设计流程。

本发明的电磁兼容电动缸可以作为大口径射电天文望远镜主动面***的促动器。

以上所述仅仅是本发明的较佳实施例，并不用以对本发明的技术方案进行任何限制，本领域技术人员应当理解的是，在不脱离本发明精神和原则的前提下，该技术方案还可以进行若干简单的修改和替换，这些修改和替换也均属于权利要求书所涵盖的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电动缸的电磁兼容设计方法，其特征在于，包括：

S1、电动缸电磁兼容总体设计；

从供电形式和通信形式两方面进行规划；供电形式避免工频220V供电引入电动缸后增加的直流/直流转换模块形成时钟干扰源，同时避免工频220V供电引入的电源线谐波干扰；通信形式既能搭载不同通信协议实现组网需求，又能规避铜线造成的共模辐射和差模辐射；

S2、电动缸电磁兼容电路原理设计；

设计对象包括处理器、二次电源、以太网通信、模拟量采集及电机驱动；

2.1)进行电磁兼容干扰源、受扰源辨识；

2.2)进行原理级地***分配；

2.3)选用复合功能的器件，对干扰源和受扰源进行电磁兼容设计优化；

2.4)对干扰源和受扰源进行电磁兼容滤波设计；

2.5)检查针对干扰源和受扰源采取的所示是否有效，若有遗漏，则返回步骤2.2)重新执行步骤2.2)至步骤2.4)，若均覆盖到位，则电动缸的电磁兼容原理设计结束；

S3、电动缸电磁兼容PCB设计；

3.1)印制板层设计；

最大限度利用印制板层形成的屏蔽腔体，并为信号回路构成最小面积；

3.2)印制板上的器件布局设计；

3.3)印制板的布线设计；

3.4)按照干扰源和受扰源划分，对电动缸的印制板地层、布局、布线进行电磁兼容设计检查，若有遗漏，则返回步骤3.1)重新执行步骤3.1)至步骤3.3)，直至均满足要求；

S4、电动缸壳体电磁兼容设计，包括对壳体内部布局和走线设计、壳体结构设计，以及孔、缝抑制设计，检查机箱走线以及壳体形成的孔、缝均已经处理完为止。

2.根据权利要求1所述电动缸的电磁兼容设计方法，其特征在于：

所述的步骤2.1)依据下表进行原理图信号分类排列：

信号截至频率依据以下公式进行推算：

若已知信号时域上升时间τ，则信号截止频率

若仅知信号1bit的持续时间T，则信号时域上升时间

然后再推算信号截止频率；

辨识方法为：信号功率高且电平高且截至频率高且为单端信号的为最强干扰源；信号功率低且电平低且为单端信号的为最敏感受扰源。

3.根据权利要求1所述电动缸的电磁兼容设计方法，其特征在于：

步骤2.2)进行原理级地***分配的方法为：数字***地、模拟***地及伺服驱动***地分别保持物理隔离；当两个地***存在相互干扰但地平面需要相同静态工作点才能工作时，该两个地***除物理隔离外，在就近位置通过磁珠相连；当两个地***按功能设计需物理隔离，但其中一个地***能形成更大的分布电容时，将两个地***通过电容就近相连。

4.根据权利要求1所述电动缸的电磁兼容设计方法，其特征在于：

步骤2.4)针对晶振进行电磁兼容滤波设计如下：在晶振供电入口分别设计去耦电容，去耦电容包括钽电解电容C1、多层瓷介电容C2、串联磁珠L1的电容C3，晶振输出端串联RC滤波，设计电容C4和电阻R1，电容C4选用多层瓷介表贴电容，电阻R1为表贴电阻。

5.根据权利要求1所述电动缸的电磁兼容设计方法，其特征在于：

所述步骤3.1)的设计原则包括：

优选多层级印制板；层数采用偶数层；在第二层或倒数第二层设置较大面积铺地；地平面保持完整；减少多边形的边数，凸多边形优于凹多边形；优先在内层布线；优先在无相邻布线层布线，或虽有相邻布线层，但相邻布线层垂直走线或对应布线区域下方无走线；关键信号线的布线层有相邻的参考地层，并确保关键走线未跨越地分割区；

为使印制板上的共模干扰能通过低阻抗路径泄放，降低印制板上对外的辐射效能，在印制板四周设计静地，形成封闭环形敷铜，并与金属机箱实现电气连接；

静地设计方法包括：在印制板上每一层均设计同样形状的静地；静地区域不能有其它地层、电源层及走线信号；静地的宽度既能达到将内部高频噪声泄放，又能避免干扰侵扰印制板内部；静地借助印制板结构紧固方式与金属机壳构成电气连接，兼顾印制板强度；板上接插件的金属紧固件应在静地区域内打孔，并实现电气连接；如果该PCB设计金属屏蔽罩，金属屏蔽罩的长宽贴合在静地上，并保证金属屏蔽罩、静地及金属机壳电气连接。

6.根据权利要求1所述电动缸的电磁兼容设计方法，其特征在于：

步骤3.2)的器件布局设计方法为：重要元器件、强辐射源、易敏感源优先布局；基于信号流向的布局思想进行布局，保证干扰信号和受扰信号走线最短，回路面积最小，干扰信号和受扰信号平行路径最短；针对干扰源、受扰源进行分区域布置，数字电路、模拟电路及电机驱动电路分区域布置；关键干扰源沿板中心附近放置；对于辅助电路，以每个功能电路的核心器件为中心，以就近原则，围绕其进行布局；接口防护电路紧邻接插件，实现走线最短，并且并排放置；针对特定芯片的滤波电容剪短引脚长度并紧邻特定芯片管脚；多个电容滤波时，容值越小越靠近芯片引脚；晶振的串联匹配电阻靠近源端。

7.根据权利要求1所述电动缸的电磁兼容设计方法，其特征在于：

步骤3.3)的布线设计方法为：

首先为高速信号、高频信号、强功率信号、易敏感信号、低噪声容限信号布线，其次为其他信号布线；布线避免换层，当必须换走线层时，选择同一参考地平面两侧的布线层，避免变换参考地平面；如果布线参考地平面从一个地层到另一个地层，则在布线换层的过孔附近设置一个地过孔连接两个地层，地层过孔尺寸与此信号过孔尺寸相同；强干扰源在器件下方铺局部地平面，局部地平面通过多个过孔与相邻层的地层相连，时钟信号走内层，必须走表面层时，最大允许的表层时钟线长度为时钟信号波长的1/20；强干扰信号和易敏感信号设计护送地线，护送地线和被护送信号间距为其3倍线宽；时钟的护送地线每隔λ/10打过孔与地层连接，λ为时钟信号的波长；线圈、共模电感、隔离变压器、隔离运放器件下方不走高速信号或易受扰信号；禁止地线铜皮上伸出多余线头或悬空的分支地线，避免天线效应；信号差分对或电源正负线走线时，在满足工艺性的前提下，尽可能减小线间距，减小回路面积。

8.一种电磁兼容电动缸，其特征在于：采用直流28V输入供电，通信组网的物理介质为光导纤维，处理器部分以DSP为核心，外部电路包括晶振电路、电源管理电路及复位电路，二次电源根据地***的设计，由若干直流/直流变换器及直流稳压源组成，以太网通信模块由以太网协议芯片，物理层芯片及光模块组成，模拟量采集模块以模拟量采集芯片为基础构成，电机驱动模块由电机驱动集成芯片和场效应管驱动桥构成；针对不同地***，对一次电源进行分配，使相应地***接地点保持隔离；印制板层最大限度利用印制板层形成的屏蔽腔体，并为信号回路构成最小面积，在印制板四周设计静地，器件布局保证各信号流向以最小路径返回，并实现干扰电路与受扰电路分区域布置，最大程度降低板内电磁兼容性及对外辐射；布线避免换层，当必须换走线层时，选择同一参考地平面两侧的布线层，避免变换参考地平面；如果布线参考地平面从一个地层到另一个地层，则在布线换层的过孔附近设置一个地过孔连接两个地层，地层过孔尺寸与此信号过孔尺寸相同，强干扰信号和易敏感信号设计护送地线；壳体结构采用半包围设计满足装配要求，安装导电橡胶以保证屏蔽连续性。

9.根据权利要求8所述的电磁兼容电动缸，其特征在于：实现同等功能，选用多功能器件减少干扰源器件的数量和种类；选用W5300芯片实现以太网协议芯片和物理层芯片的功能；

壳体前后侧盖与底盖一体成型，避免两条长边缝隙，降低缝隙辐射；左侧盖和上盖可拆卸，满足印制板和接插件的工艺装配要求，右侧为电动缸控制器壳体与传动部分的衔接部位；在上盖接合位置、左侧盖及右侧接合部位以开槽方式嵌装导电橡胶；在壳体前后侧盖壁面粘贴背胶式吸波贴片，左侧盖上设置对外连接的接插件，且其尾罩能满足360°的全屏蔽。

10.一种射电天文望远镜主动面***，其特征在于：采用如权利要求8或9所述的电磁兼容电动缸作为主动面***的促动器。

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