一款以伺服系統(tǒng)為主的醫(yī)療機器人各方面簡單闡述

一、引言

今天，伺服系統(tǒng)和CNC、PLC、變頻器等其它自動化產品一樣，已經成熟應用于工業(yè)生產的各個領域。伺服驅動器是集強電和弱電，數(shù)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題。尤其2015年YY0505-2012標準的強制執(zhí)行，更促進了醫(yī)療器械行業(yè)對電磁兼容問題的重視。

針對伺服系統(tǒng)的電磁兼容性問題本文以某公司設計的一款以伺服系統(tǒng)為主的醫(yī)療機器人的EMC干擾類型、風險評估以及抵制方法等幾個方面進行闡述。

二、醫(yī)療機器人功能板塊布置框架

醫(yī)療機器人功能板塊布置框圖見下圖：

醫(yī)療機器人功能板塊布置框圖

三、醫(yī)療機器人干擾類型及風險

1.來自空間的輻射干擾

來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。這類干擾像空氣一樣也無處不在，如打手機時，電視機的圖像會產生雪花點。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(yī)療標準YY0505里這類干擾主要是以輻射抗擾度為主，風險在于輻射干擾存在時可能會引起PC工作的不正常，例如，PC機損壞，液晶顯示器顯示異常，機械手臂的動作不受控等。機械手臂作為醫(yī)療機器人的主要功能不能有任何異常，尤其不受控的動作是絕對不允許的。

2.來自系統(tǒng)內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動器產生的噪音，經由電源電纜、信號電纜或者錯誤的接地電纜等，輻射到系統(tǒng)中的其它電纜，從而影響到機械設備的穩(wěn)定運行。

根據框圖，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、絕對位置編碼器線、CAN通信線、直流電源線、電機線、編碼線等線間相互干擾等。都可能會干擾PC和機械手臂的正常工作。

3.來自系統(tǒng)外部的傳導干擾

● 所使用的電網中可能會由于主要的電力系統(tǒng)開關瞬態(tài)及雷電瞬態(tài)產生的浪涌干擾；浪涌的能力相對較大，極有可能把沒有防護的機器人的電源部分打壞。

● 由導體中的工頻電流產生的，或由附近的其他裝置（如變壓器的漏磁通）所產生的工頻磁場干擾。一般會影響機器人的傳感器采集傳輸數(shù)據的準確性，影響機器人的正常工作。

● 由電網（主要是短路）或負荷突然出現(xiàn)大的變化引起的。在某些情況下會出現(xiàn)兩次或多次連續(xù)的暫降或中斷，會引起機器人內部某些電路復位不成功、數(shù)據保存出錯。由來自射頻發(fā)射機的電磁場，該電磁場可能作用于連接安裝設備的整個電纜上。通過線纜傳導的方式可能會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對機器人的放電，也可能會影響機器人的正常工作，元器件打壞等等。

4.系統(tǒng)向空間的發(fā)射

在機器人內部，開關電源和伺服驅動器內部的整流部分多采用非線性整流二極管，其產生的諧波電流勢必會引起網側電壓的畸變。其中諧波電流引起的差模電流為導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。同時功率模開關所產生的高頻的電磁噪聲則通過能量輻射的形式對外線路產生干擾。

四、醫(yī)療機器人的干擾抑制技術

1.布局

電柜設計必須使用金屬材料，根據EMC的區(qū)域原則，合理的布局。將不同的設備規(guī)劃在不同的區(qū)域中，伺服驅動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(qū)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和散熱，不要阻擋風扇的正常流通。

電柜中布線應強弱分開，信號線和動力線要分開走線。

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，減少線圈吸合時噪音污染。

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，同時也會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可靠的連接到公共接地點或者接地母排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)。

驅動器的輸入的濾波，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

有刷電機在轉動的過程中，碳刷在不斷的拉電弧，電弧產生高頻噪聲。高頻噪聲通過電機引線及外殼縫隙往外輻射。電機金屬外殼能對內部輻射噪聲進行反射和吸收。抑制噪聲往外輻射。雖然這樣還是會有很多輻射噪聲通過電機引線往外輻射。因此我們對電機的輻射整改更多的是針對電機引線進行處理。重點介紹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(shù)據

使用1206，100nF BDL EMI濾波器后的測試數(shù)據

4.屏蔽

伺服驅動放大器單元到電機動力電纜應使用金屬屏蔽層的電纜，電纜線應該盡量的短，同時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。電柜通風開了要使用密集金屬網絡，切口越小越好。因為狹孔可能在電柜中輻射高頻座號。電柜的柜門和電纜的進線口要可靠接地，避免電柜內部的干擾磁場通過屏蔽電纜泄漏出去。柜門要使用有傳導性的密封墊，緊貼柜體。

伺服驅動、通信口，PC以及液晶顯示器進行有效的屏蔽，可有效減少EMI的影響。

五、結束語

控制系統(tǒng)中的干擾是一個十分復雜的問題，只有設計工程師在設計過程中做到“未雨綢繆，防微杜漸”，堅持“預防是最有效、最經濟的方法”的準則，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，從而保證設備穩(wěn)定可靠的運行。