1 引言

 

今天，伺服系統和CNC、PLC、變頻器等其它自動(dòng)化產(chǎn)品一樣，已經(jīng)成熟應用于工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域。伺服驅動(dòng)器是集強電和弱電，數字和模擬信號于一體的電能變換裝置，不可避免的存在電磁干擾問(wèn)題。尤其2015年YY0505-2012標準的強制執行，更促進(jìn)了醫療器械行業(yè)對電磁兼容問(wèn)題的重視。

 

針對伺服系統的電磁兼容性問(wèn)題本文以某公司設計的一款以伺服系統為主的醫療機器人的EMC干擾類(lèi)型、風(fēng)險評估以及抵制方法等幾個(gè)方面進(jìn)行闡述。

 

 

2 醫療機器人功能板塊布置框架

 

醫療機器人功能板塊布置框圖見(jiàn)下圖：

 

醫療機器人功能板塊布置框圖

 

3 醫療機器人干擾類(lèi)型及風(fēng)險

 

1.來(lái)自空間的輻射干擾

 

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

 

那么，對于醫療標準YY0505里這類(lèi)干擾主要是以輻射抗擾度為主，風(fēng)險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機損壞，液晶顯示器顯示異常，機械手臂的動(dòng)作不受控等。機械手臂作為醫療機器人的主要功能不能有任何異常，尤其不受控的動(dòng)作是絕對不允許的。

 

2.來(lái)自系統內部配線(xiàn)間的輻射干擾

 

這類(lèi)干擾的途徑多為自控系統中的變頻器和伺服驅動(dòng)器產(chǎn)生的噪音，經(jīng)由電源電纜、信號電纜或者錯誤的接地電纜等，輻射到系統中的其它電纜，從而影響到機械設備的穩定運行。

 

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

 

3.來(lái)自系統外部的傳導干擾

 

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

 

● 由導體中的工頻電流產(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 )影響機器人的傳感器采集傳輸數據的準確性，影響機器人的正常工作。

 

● 由電網(wǎng)（主要是短路）或負荷突然出現大的變化引起的。在某些情況下會(huì )出現兩次或多次連續的暫降或中斷，會(huì )引起機器人內部某些電路復位不成功、數據保存出錯。由來(lái)自射頻發(fā)射機的電磁場(chǎng)，該電磁場(chǎng)可能作用于連接安裝設備的整個(gè)電纜上。通過(guò)線(xiàn)纜傳導的方式可能會(huì )影響機器人的正常工作。

 

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

 

4.系統向空間的發(fā)射

 

在機器人內部，開(kāi)關(guān)電源和伺服驅動(dòng)器內部的整流部分多采用非線(xiàn)性整流二極管，其產(chǎn)生的諧波電流勢必會(huì )引起網(wǎng)側電壓的畸變。其中諧波電流引起的差模電流為導線(xiàn)直接耦合的方式在電氣線(xiàn)路中傳輸，共模電壓則通過(guò)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(kāi)關(guān)所產(chǎn)生的高頻的電磁噪聲則通過(guò)能量輻射的形式對外線(xiàn)路產(chǎn)生干擾。

 

4 醫療機器人的干擾抑制技術(shù)

 

1.布局

 

電柜設計必須使用金屬材料，根據EMC的區域原則，合理的布局。將不同的設備規劃在不同的區域中，伺服驅動(dòng)器單元應盡量靠近安裝在柜子的底部，使用接地金屬隔離板將區域隔離，或者獨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(xiàn)應強弱分開(kāi)，信號線(xiàn)和動(dòng)力線(xiàn)要分開(kāi)走線(xiàn)。

 

AC接觸器和DC繼電器安裝要遠離I/O部件和信號電纜，并且要使用正確的RC抑制組件和二極管，減少線(xiàn)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“。

 

接地根據用途分類(lèi)可以分為信號地、屏蔽地、保護地。

 

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(xiàn)可靠的連接到公共接地點(diǎn)或者接地母排PE上。

機器人的框架的連接處不要有油漆隔離，實(shí)現有效連接后，接入系統地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。

 

信號端口濾波器

 

電源高頻濾波器

 

電機噪聲濾波

 

有刷電機在轉動(dòng)的過(guò)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(guò)電機引線(xiàn)及外殼縫隙往外輻射。電機金屬外殼能對內部輻射噪聲進(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(guò)電機引線(xiàn)往外輻射。因此我們對電機的輻射整改更多的是針對電機引線(xiàn)進(jìn)行處理。重點(diǎn)介紹BDL濾波器在電機的運用。

 

 

某24V/27W信號直流馬達未使用BDL EMI濾波器前測試數據

 

使用1206，100nF BDL EMI濾波器后的測試數據

 

4.屏蔽

 

伺服驅動(dòng)放大器單元到電機動(dòng)力電纜應使用金屬屏蔽層的電纜，電纜線(xiàn)應該盡量的短，同時(shí)屏蔽層用金屬夾子將電線(xiàn)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(kāi)了要使用密集金屬網(wǎng)絡(luò )，切口越小越好。因為狹孔可能在電柜中輻射高頻座號。電柜的柜門(mén)和電纜的進(jìn)線(xiàn)口要可靠接地，避免電柜內部的干擾磁場(chǎng)通過(guò)屏蔽電纜泄漏出去。柜門(mén)要使用有傳導性的密封墊，緊貼柜體。

 

伺服驅動(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。

 

5 結束語(yǔ)

 

控制系統中的干擾是一個(gè)十分復雜的問(wèn)題，只有設計工程師在設計過(guò)程中做到“未雨綢繆，防微杜漸”，堅持“預防是最有效、最經(jīng)濟的方法”的準則，來(lái)綜合和全面的考慮各方面的因素，才能夠有效地避免系統干擾的的發(fā)生，從而保證設備穩定可靠的運行。

本文轉載自韜略科技EMC。

 

 

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