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伺服系统中的电磁兼容性风险评估与干扰抑制技术

一、引言

今天,伺服系统和CNC、PLC、变频器等其它自动化产品一样,已经成熟应用于工业生产的各个领域。伺服驱动器是集强电和弱电,数字和模拟信号于一体的电能变换装置,不可避免的存在电磁干扰问题。尤其2015年YY0505-2012标准的强制执行,更促进了医疗器械行业对电磁兼容问题的重视。

针对伺服系统的电磁兼容性问题本文以某公司设计的一款以伺服系统为主的医疗机器人的EMC干扰类型、风险评估以及抵制方法等几个方面进行阐述。

伺服系统中的电磁兼容性风险评估与干扰抑制技术

二、医疗机器人功能板块布置框架

医疗机器人功能板块布置框图见下图:

伺服系统中的电磁兼容性风险评估与干扰抑制技术

医疗机器人功能板块布置框图

三、医疗机器人干扰类型及风险

1.来自空间的辐射干扰

来自空间的辐射干扰分布极为复杂,通常都是电磁感应的形式在空间传播的。这类干扰像空气一样也无处不在,如打手机时,电视机的图像会产生雪花点。飞机飞行中禁止使用手机等也是基于避免辐射干扰的考虑。

那么,对于医疗标准YY0505里这类干扰主要是以辐射抗扰度为主,风险在于辐射干扰存在时可能会引起PC工作的不正常,例如,PC机损坏,液晶显示器显示异常,机械手臂的动作不受控等。机械手臂作为医疗机器人的主要功能不能有任何异常,尤其不受控的动作是绝对不允许的。

2.来自系统内部配线间的辐射干扰

这类干扰的途径多为自控系统中的变频器和伺服驱动器产生的噪音,经由电源电缆、信号电缆或者错误的接地电缆等,辐射到系统中的其它电缆,从而影响到机械设备的稳定运行。

根据框图,我们可以分析到低压直流配线与AC220V配线间的辐射干扰,主板接口线、绝对位置编码器线、CAN通信线、直流电源线、电机线、编码线等线间相互干扰等。都可能会干扰PC和机械手臂的正常工作。

3.来自系统外部的传导干扰

● 所使用的电网中可能会由于主要的电力系统开关瞬态及雷电瞬态产生的浪涌干扰;浪涌的能力相对较大,极有可能把没有防护的机器人的电源部分打坏。

● 由导体中的工频电流产生的,或由附近的其他装置(如变压器的漏磁通)所产生的工频磁场干扰。一般会影响机器人的传感器采集传输数据的准确性,影响机器人的正常工作。

● 由电网(主要是短路)或负荷突然出现大的变化引起的。在某些情况下会出现两次或多次连续的暂降或中断,会引起机器人内部某些电路复位不成功、数据保存出错。由来自射频发射机的电磁场,该电磁场可能作用于连接安装设备的整个电缆上。通过线缆传导的方式可能会影响机器人的正常工作。

● 当人体携带的静电靠近或接触机器人时对机器人的放电,也可能会影响机器人的正常工作,元器件打坏等等。

4.系统向空间的发射

在机器人内部,开关电源和伺服驱动器内部的整流部分多采用非线性整流二极管,其产生的谐波电流势必会引起网侧电压的畸变。其中谐波电流引起的差模电流为导线直接耦合的方式在电气线路中传输,共模电压则通过和寄生电容之间的容性耦合形成共模干扰回路。同时功率模开关所产生的高频的电磁噪声则通过能量辐射的形式对外线路产生干扰。

四、医疗机器人的干扰抑制技术

1.布局

电柜设计必须使用金属材料,根据EMC的区域原则,合理的布局。将不同的设备规划在不同的区域中,伺服驱动器单元应尽量靠近安装在柜子的底部,使用接地金属隔离板将区域隔离,或者独立安装在金属电柜中。

电柜中保证良好的通风和散热,不要阻挡风扇的正常流通。

电柜中布线应强弱分开,信号线和动力线要分开走线。

AC接触器和DC继电器安装要远离I/O部件和信号电缆,并且要使用正确的RC抑制组件和二极管,减少线圈吸合时噪音污染。

2.接地

合理和可靠的接地是解决传导性干扰最为有效的方法,同时也会消除共模干扰的影响。错误的接地不但不能减少干扰,反而成为干扰的“帮凶“。

接地根据用途分类可以分为信号地、屏蔽地、保护地。

电柜中所有的电气组件接地端子(变频器、PLC)都要使用短而粗的接地线可靠的连接到公共接地点或者接地母排PE上。

机器人的框架的连接处不要有油漆隔离,实现有效连接后,接入系统地PE,有效的接地,可以减少脉冲群、辐射骚扰的影响。

3.滤波

总电源和各分支电源输入(AC380/220V)的滤波,主要使用EMI滤波器和磁环。

DC电源输出的滤波,EMI滤波器和磁环。

驱动器的输入的滤波,EMI滤波器和磁环。

PCB的滤波,主要是低频和高频滤波,使用共模电感,RC,磁珠等。

伺服系统中的电磁兼容性风险评估与干扰抑制技术

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信号端口滤波器

伺服系统中的电磁兼容性风险评估与干扰抑制技术

电源高频滤波器

电机噪声滤波

有刷电机在转动的过程中,碳刷在不断的拉电弧,电弧产生高频噪声。高频噪声通过电机引线及外壳缝隙往外辐射。电机金属外壳能对内部辐射噪声进行反射和吸收。抑制噪声往外辐射。虽然这样还是会有很多辐射噪声通过电机引线往外辐射。因此我们对电机的辐射整改更多的是针对电机引线进行处理。重点介绍BDL滤波器在电机的运用。

伺服系统中的电磁兼容性风险评估与干扰抑制技术

伺服系统中的电磁兼容性风险评估与干扰抑制技术

某24V/27W信号直流马达未使用BDL EMI滤波器前测试数据

伺服系统中的电磁兼容性风险评估与干扰抑制技术

使用1206,100nF BDL EMI滤波器后的测试数据

4.屏蔽

伺服驱动放大器单元到电机动力电缆应使用金属屏蔽层的电缆,电缆线应该尽量的短,同时屏蔽层用金属夹子将电线屏蔽层固定在接地的安装板上,以避免功率损耗,减少干扰。电柜通风开了要使用密集金属网络,切口越小越好。因为狭孔可能在电柜中辐射高频座号。电柜的柜门和电缆的进线口要可靠接地,避免电柜内部的干扰磁场通过屏蔽电缆泄漏出去。柜门要使用有传导性的密封垫,紧贴柜体。

伺服驱动、通信口,PC以及液晶显示器进行有效的屏蔽,可有效减少EMI的影响。

五、结束语

控制系统中的干扰是一个十分复杂的问题,只有设计工程师在设计过程中做到“未雨绸缪,防微杜渐”,坚持“预防是最有效、最经济的方法”的准则,来综合和全面的考虑各方面的因素,才能够有效地避免系统干扰的的发生,从而保证设备稳定可靠的运行。

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