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伺服系統(tǒng)中的電磁兼容性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與干擾抑制技術(shù)

發(fā)布時(shí)間:2018-11-15 來(lái)源:朱萌萌 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】針對(duì)伺服系統(tǒng)的電磁兼容性問(wèn)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(lèi)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。
 
1 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(wèn)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(wèn)題的重視。
 
針對(duì)伺服系統(tǒng)的電磁兼容性問(wèn)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(lèi)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。
 
伺服系統(tǒng)中的電磁兼容性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與干擾抑制技術(shù)
 
2 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(jiàn)下圖:
 
伺服系統(tǒng)中的電磁兼容性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與干擾抑制技術(shù)
醫(yī)療機(jī)器人功能板塊布置框圖
 
3 醫(yī)療機(jī)器人干擾類(lèi)型及風(fēng)險(xiǎn)
 
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(fù)雜,通常都是電磁感應(yīng)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(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(lèi)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(lái)自系統(tǒng)內(nèi)部配線(xiàn)間的輻射干擾
 
這類(lèi)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(xiàn)與AC220V配線(xiàn)間的輻射干擾,主板接口線(xiàn)、絕對(duì)位置編碼器線(xiàn)、CAN通信線(xiàn)、直流電源線(xiàn)、電機(jī)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(jī)械手臂的正常工作。
 
3.來(lái)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(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(duì)較大,極有可能把沒(méi)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(lái)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(guò)線(xiàn)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(kāi)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(xiàn)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(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(duì)外線(xiàn)路產(chǎn)生干擾。
 
4 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(xiàn)應(yīng)強(qiáng)弱分開(kāi),信號(hào)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(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(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(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(lèi)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(xiàn)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。
 
伺服系統(tǒng)中的電磁兼容性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與干擾抑制技術(shù)
伺服系統(tǒng)中的電磁兼容性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與干擾抑制技術(shù)
信號(hào)端口濾波器
 
伺服系統(tǒng)中的電磁兼容性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與干擾抑制技術(shù)
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(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(jī)引線(xiàn)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(guò)電機(jī)引線(xiàn)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(xiàn)進(jìn)行處理。重點(diǎn)介紹BDL濾波器在電機(jī)的運(yùn)用。
 
伺服系統(tǒng)中的電磁兼容性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與干擾抑制技術(shù)
 
伺服系統(tǒng)中的電磁兼容性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與干擾抑制技術(shù)
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)
 
伺服系統(tǒng)中的電磁兼容性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與干擾抑制技術(shù)
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(xiàn)應(yīng)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?yàn)楠M孔可能在電柜中輻射高頻座號(hào)。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(nèi)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(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。
 
5 結(jié)束語(yǔ)
 
控制系統(tǒng)中的干擾是一個(gè)十分復(fù)雜的問(wèn)題,只有設(shè)計(jì)工程師在設(shè)計(jì)過(guò)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(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(tǒng)干擾的的發(fā)生,從而保證設(shè)備穩(wěn)定可靠的運(yùn)行。

本文轉(zhuǎn)載自韜略科技EMC。
 
 
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