一款以伺服系統(tǒng)為主的醫(yī)療機(jī)器人各方面簡(jiǎn)單闡述

一、引言

今天，伺服系統(tǒng)和CNC、PLC、變頻器等其它自動(dòng)化產(chǎn)品一樣，已經(jīng)成熟應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域。伺服驅(qū)動(dòng)器是集強(qiáng)電和弱電，數(shù)字和模擬信號(hào)于一體的電能變換裝置，不可避免的存在電磁干擾問題。尤其2015年YY0505-2012標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)制執(zhí)行，更促進(jìn)了醫(yī)療器械行業(yè)對(duì)電磁兼容問題的重視。

針對(duì)伺服系統(tǒng)的電磁兼容性問題本文以某公司設(shè)計(jì)的一款以伺服系統(tǒng)為主的醫(yī)療機(jī)器人的EMC干擾類型、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估以及抵制方法等幾個(gè)方面進(jìn)行闡述。

二、醫(yī)療機(jī)器人功能板塊布置框架

醫(yī)療機(jī)器人功能板塊布置框圖見下圖：

醫(yī)療機(jī)器人功能板塊布置框圖

三、醫(yī)療機(jī)器人干擾類型及風(fēng)險(xiǎn)

1.來自空間的輻射干擾

來自空間的輻射干擾分布極為復(fù)雜，通常都是電磁感應(yīng)的形式在空間傳播的。這類干擾像空氣一樣也無處不在，如打手機(jī)時(shí)，電視機(jī)的圖像會(huì)產(chǎn)生雪花點(diǎn)。飛機(jī)飛行中禁止使用手機(jī)等也是基于避免輻射干擾的考慮。

那么，對(duì)于醫(yī)療標(biāo)準(zhǔn)YY0505里這類干擾主要是以輻射抗擾度為主，風(fēng)險(xiǎn)在于輻射干擾存在時(shí)可能會(huì)引起PC工作的不正常，例如，PC機(jī)損壞，液晶顯示器顯示異常，機(jī)械手臂的動(dòng)作不受控等。機(jī)械手臂作為醫(yī)療機(jī)器人的主要功能不能有任何異常，尤其不受控的動(dòng)作是絕對(duì)不允許的。

2.來自系統(tǒng)內(nèi)部配線間的輻射干擾

這類干擾的途徑多為自控系統(tǒng)中的變頻器和伺服驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的噪音，經(jīng)由電源電纜、信號(hào)電纜或者錯(cuò)誤的接地電纜等，輻射到系統(tǒng)中的其它電纜，從而影響到機(jī)械設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

根據(jù)框圖，我們可以分析到低壓直流配線與AC220V配線間的輻射干擾，主板接口線、絕對(duì)位置編碼器線、CAN通信線、直流電源線、電機(jī)線、編碼線等線間相互干擾等。都可能會(huì)干擾PC和機(jī)械手臂的正常工作。

3.來自系統(tǒng)外部的傳導(dǎo)干擾

● 所使用的電網(wǎng)中可能會(huì)由于主要的電力系統(tǒng)開關(guān)瞬態(tài)及雷電瞬態(tài)產(chǎn)生的浪涌干擾；浪涌的能力相對(duì)較大，極有可能把沒有防護(hù)的機(jī)器人的電源部分打壞。

● 由導(dǎo)體中的工頻電流產(chǎn)生的，或由附近的其他裝置（如變壓器的漏磁通）所產(chǎn)生的工頻磁場(chǎng)干擾。一般會(huì)影響機(jī)器人的傳感器采集傳輸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，影響機(jī)器人的正常工作。

● 由電網(wǎng)（主要是短路）或負(fù)荷突然出現(xiàn)大的變化引起的。在某些情況下會(huì)出現(xiàn)兩次或多次連續(xù)的暫降或中斷，會(huì)引起機(jī)器人內(nèi)部某些電路復(fù)位不成功、數(shù)據(jù)保存出錯(cuò)。由來自射頻發(fā)射機(jī)的電磁場(chǎng)，該電磁場(chǎng)可能作用于連接安裝設(shè)備的整個(gè)電纜上。通過線纜傳導(dǎo)的方式可能會(huì)影響機(jī)器人的正常工作。

● 當(dāng)人體攜帶的靜電靠近或接觸機(jī)器人時(shí)對(duì)機(jī)器人的放電，也可能會(huì)影響機(jī)器人的正常工作，元器件打壞等等。

4.系統(tǒng)向空間的發(fā)射

在機(jī)器人內(nèi)部，開關(guān)電源和伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部的整流部分多采用非線性整流二極管，其產(chǎn)生的諧波電流勢(shì)必會(huì)引起網(wǎng)側(cè)電壓的畸變。其中諧波電流引起的差模電流為導(dǎo)線直接耦合的方式在電氣線路中傳輸，共模電壓則通過和寄生電容之間的容性耦合形成共模干擾回路。同時(shí)功率模開關(guān)所產(chǎn)生的高頻的電磁噪聲則通過能量輻射的形式對(duì)外線路產(chǎn)生干擾。

四、醫(yī)療機(jī)器人的干擾抑制技術(shù)

1.布局

電柜設(shè)計(jì)必須使用金屬材料，根據(jù)EMC的區(qū)域原則，合理的布局。將不同的設(shè)備規(guī)劃在不同的區(qū)域中，伺服驅(qū)動(dòng)器單元應(yīng)盡量靠近安裝在柜子的底部，使用接地金屬隔離板將區(qū)域隔離，或者獨(dú)立安裝在金屬電柜中。

電柜中保證良好的通風(fēng)和散熱，不要阻擋風(fēng)扇的正常流通。

電柜中布線應(yīng)強(qiáng)弱分開，信號(hào)線和動(dòng)力線要分開走線。

AC接觸器和DC繼電器安裝要遠(yuǎn)離I/O部件和信號(hào)電纜，并且要使用正確的RC抑制組件和二極管，減少線圈吸合時(shí)噪音污染。

2.接地

合理和可靠的接地是解決傳導(dǎo)性干擾最為有效的方法，同時(shí)也會(huì)消除共模干擾的影響。錯(cuò)誤的接地不但不能減少干擾，反而成為干擾的“幫兇“。

接地根據(jù)用途分類可以分為信號(hào)地、屏蔽地、保護(hù)地。

電柜中所有的電氣組件接地端子（變頻器、PLC）都要使用短而粗的接地線可靠的連接到公共接地點(diǎn)或者接地母排PE上。

機(jī)器人的框架的連接處不要有油漆隔離，實(shí)現(xiàn)有效連接后，接入系統(tǒng)地PE，有效的接地，可以減少脈沖群、輻射騷擾的影響。

3.濾波

總電源和各分支電源輸入（AC380/220V）的濾波，主要使用EMI濾波器和磁環(huán)。

DC電源輸出的濾波，EMI濾波器和磁環(huán)。

驅(qū)動(dòng)器的輸入的濾波，EMI濾波器和磁環(huán)。

PCB的濾波，主要是低頻和高頻濾波，使用共模電感，RC，磁珠等。

信號(hào)端口濾波器

電源高頻濾波器

電機(jī)噪聲濾波

有刷電機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，碳刷在不斷的拉電弧，電弧產(chǎn)生高頻噪聲。高頻噪聲通過電機(jī)引線及外殼縫隙往外輻射。電機(jī)金屬外殼能對(duì)內(nèi)部輻射噪聲進(jìn)行反射和吸收。抑制噪聲往外輻射。雖然這樣還是會(huì)有很多輻射噪聲通過電機(jī)引線往外輻射。因此我們對(duì)電機(jī)的輻射整改更多的是針對(duì)電機(jī)引線進(jìn)行處理。重點(diǎn)介紹BDL濾波器在電機(jī)的運(yùn)用。

某24V/27W信號(hào)直流馬達(dá)未使用BDL EMI濾波器前測(cè)試數(shù)據(jù)

使用1206，100nF BDL EMI濾波器后的測(cè)試數(shù)據(jù)

4.屏蔽

伺服驅(qū)動(dòng)放大器單元到電機(jī)動(dòng)力電纜應(yīng)使用金屬屏蔽層的電纜，電纜線應(yīng)該盡量的短，同時(shí)屏蔽層用金屬夾子將電線屏蔽層固定在接地的安裝板上，以避免功率損耗，減少干擾。電柜通風(fēng)開了要使用密集金屬網(wǎng)絡(luò)，切口越小越好。因?yàn)楠M孔可能在電柜中輻射高頻座號(hào)。電柜的柜門和電纜的進(jìn)線口要可靠接地，避免電柜內(nèi)部的干擾磁場(chǎng)通過屏蔽電纜泄漏出去。柜門要使用有傳導(dǎo)性的密封墊，緊貼柜體。

伺服驅(qū)動(dòng)、通信口，PC以及液晶顯示器進(jìn)行有效的屏蔽，可有效減少EMI的影響。

五、結(jié)束語

控制系統(tǒng)中的干擾是一個(gè)十分復(fù)雜的問題，只有設(shè)計(jì)工程師在設(shè)計(jì)過程中做到“未雨綢繆，防微杜漸”，堅(jiān)持“預(yù)防是最有效、最經(jīng)濟(jì)的方法”的準(zhǔn)則，來綜合和全面的考慮各方面的因素，才能夠有效地避免系統(tǒng)干擾的的發(fā)生，從而保證設(shè)備穩(wěn)定可靠的運(yùn)行。