無刷電機驅動器在大型醫(yī)療設備上的應用

郭 燦

(上海西門子醫(yī)療器械有限公司，上海 201318)

0 引 言

隨著技術的發(fā)展，在大型設備(CT、X光機、MR等)的自動化和智能化程度越來越高，所用到的電機及驅動器也越來越多。這些電機及驅動器用于運轉系統(tǒng)的相應部件，或運送患者完成自動的流程。

無刷電機因其性能好、可靠性高，壽命長、免維護等特點，在大型醫(yī)療器械的開發(fā)過程中，漸漸成為主要選擇之一。

由于大型醫(yī)療設備每天都會接觸到眾多的患者和醫(yī)護人員，對系統(tǒng)的電氣安全和運動的安全性都有著非常高的要求。驅動器的選擇和應用，在大型醫(yī)療設備的開發(fā)過程中極其關鍵。

1 無刷電機驅動器的工作原理

1.1 無刷電機的結構

反電動勢波形為方波的永磁同步電機稱為永磁無刷直流電機，簡稱無刷直流電機[1]。無刷直流電機主要由永磁材料制造的轉子、帶有線圈繞組的定子、和位置傳感器(可有可無)組成[2]。

電機的轉子上粘有已充磁的永磁體(N、S)。定子繞組由繞在矽鋼片上漆包銅線構成，一般做成三相對稱星形接法。在電動機內相應的位置裝有位置傳感器(H1、H2、H3)，用于檢測電動機轉子的極性。也有的無刷電機沒有位置傳感器，稱作無感電機。另外傳感器也有多種形式，如光電編碼器，旋轉變壓器等，這些都需要驅動器的支持。

1.2 無刷電機驅動器的構成

無刷電機驅動器則由驅動器接口芯片、控制芯片、功率器件等構成,如圖1所示。

圖1 無刷電機驅動器原理

1.3 無刷電機驅動器的工作原理

接受外部輸入的電動機的控制信號，如起動、停止、正反轉、制動等信號，以控制電動機的起動、停止、運轉方向和制動。

接受位置傳感器的反饋信號，即通過檢測轉子磁極相對定子繞組的位置，并在確定的位置處產生位置反饋信號。結合外部輸入的控制信號，經信號轉換和處理后，按一定的邏輯關系，沿著一定次序去控制三相全橋中的各功率管的通斷，對定子繞組的電流進行換流，從而產生連續(xù)轉矩。

接受速度指令，結合速度反饋信號，通過調整加在電機定子線圈上的電壓和電流，來控制和調整轉速。

提供驅動器本身的保護和電機的保護，并向外部反饋電機和驅動器狀態(tài)，或顯示等等。

2 大型醫(yī)療設備對電機驅動器的要求

2.1 驅動器的安全性要求

大型醫(yī)療設備，特別是X線診斷設備，直接和患者還有醫(yī)生打交道，所以對人的安全性和設備自身的安全性是設計大型醫(yī)療器械首先要考慮的因素。比如漏電流、力矩切斷的安全功能、制動的控制等等

2.1.1 漏電流

漏電流是大型醫(yī)療設備電機驅動器的一個很重要的參數(shù)，設備允許的漏電流的最大值是有限制的，例如10 mA，具體可有參考相關國家標準或IEC標準。由于電機驅動器是通過開關電路切換工作的，為了降低EMC干擾帶來的影響，通常在供電端采用濾波器電路。濾波器電路中會用到電感和電容，其中Y電容用于濾除共模干擾。由于Y電容的存在，當供電為50 Hz交流電時，就會產生漏電流。在電機驅動器選型的時候要特別注意。一般避免電機驅動器漏電流的方法是采用隔離變壓器或電源進行供電。

2.1.2 安全轉矩關閉

安全轉矩關閉，即轉矩切斷功能，也稱為STO(Safety Torque Off)，是通過切斷制動器開關管的驅動電路的方式，來實現(xiàn)的一種安全功能。通常用于對安全要求較高的大型醫(yī)療設備。和直流電機不同，無刷電機需要連續(xù)不斷的旋轉磁場才可以工作。在所有開關管的門級驅動電路被切斷時，開關管無法工作，無法形成三相的旋轉磁場，因此電機無法輸出扭矩。STO屬于安全電路，它的設計要求比較高，涉及到的硬件和軟件，都需要達到相應的安全等級(例如Class C)才能用于醫(yī)療設備。對于出口歐盟的醫(yī)療設備，其STO功能需要通過TUV認證。

2.1.3 制動器控制

醫(yī)療設備的制動器也是保證其安全的一個重要組成部分。

一般無刷電機驅動器都自帶制動器控制電路。我們在選擇的驅動器時候要特別注意制動器驅動電路的工作電流滿足制動器的要求。同時需要避免采用有觸點的控制方式，例如繼電器等。有觸點的控制方式，在斷開制動器的時候會引起火花，長時間工作會出現(xiàn)觸點粘連，從而出現(xiàn)無法制動器的安全風險。

另外制動器的控制，除了受驅動器控制之外，還需要受系統(tǒng)控制電路的控制，從而保證在驅動器制動器控制電路失效或者其他緊急的情況下，系統(tǒng)控制軟件也可以切斷制動器。

2.2 驅動器的可靠性要求

大型醫(yī)療設備的可靠性要求很高，所以對驅動器的要求也很高。

2.2.1 正確選型

我們在選擇的時候，要對驅動器的失效模式進行分析。盡量采用可靠性高的驅動器，并做到正確選型，就可以避免在后續(xù)的使用過程之中出現(xiàn)可靠性的問題。

2.2.2 電磁兼容

除了驅動器機本身的可靠之外，對驅動器的抗電磁干擾能力要求較高。同時還需要驅動器產生的電磁干擾足夠小，這樣的話才不會干擾到系統(tǒng)其他電路的工作。通常醫(yī)療器械也會通EMC測試來驗證其系統(tǒng)的可靠性。

2.2.3 結構及接口連接方式

需要采用結構設計較好的驅動器，可以在機械沖擊或振動的情況下也能可靠的工作。對于驅動器的接插件來說，也需要采用可靠的連接器和連接方式，具有防止振動脫落的功能。一般要求接插件帶鎖定功能，通常通過螺絲鎖定，或通過卡扣鎖定。

2.3 驅動器的通訊要求

大型醫(yī)療設備的系統(tǒng)架構非常復雜，可靠性要求高，對驅動器自診斷的要求也很高。所以在設備中使用電機驅動器一般都會通過通訊協(xié)議和系統(tǒng)控制器進行通訊?？梢越邮芟到y(tǒng)控制器的運動控制信號，如起動停止、方向、位置、速度等等。并且將電機的運行狀態(tài)、驅動器的狀態(tài)、故障等信息，實時上傳到系統(tǒng)控制軟件。

常用的通訊協(xié)議有CAN/ CANopen，MODBUS，Profibus，Profinet等等。

其中CAN總線具有其實時性高、傳輸可靠并且距離遠、成本低廉等優(yōu)勢。特別是CANopen總線通訊協(xié)議以及DS402控制協(xié)議標準化程度高，通用性強，在醫(yī)療行業(yè)得到了廣泛的應用

2.4 驅動器的其他要求

2.4.1 驅動器的工作電壓

確定了系統(tǒng)和電機的工作電壓之后，可以選擇驅動器的工作電壓范圍。在很多時候我們會選擇一個寬電壓工作的電機驅動器，以滿足不同場合的需求，特別是系統(tǒng)電壓出現(xiàn)波動的時候，不會影響系統(tǒng)運動的性能。

2.4.2 驅動器的工作電流

根據電機的輸出功率以及整個傳動鏈上的效率，可以計算出驅動器的功率，從而可以算出驅動器的輸出電流。在電機驅動器的選型的時候，電機驅動器的工作電流需要考慮到最大負載、最大負載時間以及驅動器的過載能力和過載持續(xù)時間。在設計的時候，通常會留下30%～50%的設計余量。并且在隨后的測試驗證過程之中，通過驅動器的設置軟件來驗證之前的計算，詳細對比驅動器的正常工作電流和最大負載情況下的工作電流。

2.4.3 耐熱沖擊(I2t)

耐熱沖擊(I2t)。即在單位時間內電機或驅動器產生的熱量。是用于保護電機或驅動器不至于過熱，又可以允許電機短時過載工作的一種保護機制。在電機控制系統(tǒng)中，可以通過觀察I2t的曲線來判斷電機和驅動器的選型是否合理。如果I2t到達閾值，驅動器就會報警并停止工作。在這種情況下需要找到報警的根本原因并加以解決，從而保證系統(tǒng)的長期穩(wěn)定的運行。

3 大型醫(yī)療設備常用的電機驅動器

3.1 通用驅動器

由于大型醫(yī)療設備壽命及可靠性要求高，通常會選用通用驅動器。通用驅動器還有電機匹配度高，接口豐富，選擇范圍廣，還有研發(fā)周期短，維護成本低等優(yōu)勢。

通用驅動器國際知名廠家有：SIEMENS，ABB，KOLLNORGEN，Danaher，Panasonic，Yaskawa，Mitsubishi，等等。

國內的通用電機驅動器的設計和生產發(fā)展非?？?。知名廠家有鳴志，步科，臺達，匯川等，還有不少中小型廠家不斷涌現(xiàn)。(如圖2)

圖2 通用電機控制器示例

3.2 板載驅動器

板載驅動器具有通用驅動器的優(yōu)點外，往往體積更小，通過接插件或焊接的方式集成在醫(yī)療設備的主板、控制板或通訊板上，大大節(jié)省了空間。同時減少了很多連接線，如通訊線、電源線等。如圖3所示。

板載驅動器在大型醫(yī)療設備的很多場合都可以應用，如患者支撐裝置等。在新興的醫(yī)療機器人上更是應用廣泛。

圖3 板載驅動器示例

3.3 自主研發(fā)驅動板

目前不少大型半導體公司加大了在運動控制領域的投入，開發(fā)了很多無刷直流電機控制的專用芯片，大大降低了無刷直流電機驅動器的設計難度。目前主流的驅動方案有，TI的DRV系列芯片，ST的STSPIN系列芯片。

隨著大型醫(yī)療設備的市場越來越成熟，競爭越來越激烈，對設備成本的降低要求也越來越高。不少技術實力較強的醫(yī)療設備開發(fā)商通過自主研發(fā)專用直流無刷電機驅動板，并實現(xiàn)了和控制板的高度集成，大大降低了設備電機驅動部分的成本,如圖4所示。

圖4 自主研發(fā)驅動板示例

4 大型醫(yī)療設備驅動器的發(fā)展趨勢

4.1 小型化

隨著醫(yī)療設備的發(fā)展，特別是大型醫(yī)療設備需要提供患者最大的舒適度和醫(yī)生或操作人員最大的自由度，往往留給驅動器的空間是有限的，這促進了驅動器的小型化發(fā)展?，F(xiàn)在有眾多廠家發(fā)布了小型化的驅動器。小型化的驅動器分板載式和通用式兩種。

4.1.1 小型板載驅動器

板載式驅動器采用插針或者類似內存卡的形式，具有驅動器的所有功能，非常適合有電路板設計能力的醫(yī)療設備廠家集成到自己的電路板上，從而實現(xiàn)驅動器的功能。目前，板載式的驅動器以低壓直流供電為主，一般24 V-48 V，電流2 A-40 A不等。具有編碼器反饋，多路IO口，并且支持多種類型的電機，如直流電機，直流無刷電機，步進電機，伺服電機等等。

4.1.2 小型通用驅動器

小型的通用驅動器采用了更加高頻的開關電路和導通電阻更小的功率器件，例如氮化鎵等，效率更高，同時發(fā)熱更低。圖 帶氮化鎵功率器件的小型電機驅動器，電壓20-48 V，電流可達20 A

圖5 小型化板載式驅動器示例

4.2 一體化

在醫(yī)療設備的應用上，電機往往分布在設備的多個位置。采用傳統(tǒng)的電機及驅動器分開的方式，往往會增加醫(yī)療設備走線的復雜性。如某一個運動部件的電機控制，通常需要電機線，剎車線，編碼器反饋線等。如果距離較長，這些線材的成本也是相關可觀的。

采用電機驅動器集成一體化的方案，將電機和驅動器集成在一起，一般只需要電源錢和通訊線兩組線，如果是總線型的通訊方式，線材上可以節(jié)省更多。

另外，一體化方案可以帶來更優(yōu)的EMC性能。由于帶高頻分量的電機驅動線很短并走在電機內部，大幅減少了電流環(huán)路的面積，降低了電磁輻射。集成一體化方案可以做到很好的電磁屏蔽，從而增加了抗干擾能力。

4.3 模塊化

電機驅動器模塊化解決方案，通常為多個驅動器共用控制模塊和電源模塊。可以根據電機軸的多少，靈活增減模塊的數(shù)量

4.4 集成化

在同一個電機驅動器內部，集成多個電機功率驅動電路，可以驅動多個電機。好處就是共用通訊及控制模塊，共用散熱器及結構部件，大幅減少電路板的數(shù)量，減少內部走線，從而大幅降低了物料成本，同時簡化了控制柜的設計和驅動器的安裝。

5 結 論

本文介紹了無刷電機驅動器的工作原理、大型醫(yī)療設備對無刷電機驅動器的要求、常用的電機驅動器、以及驅動器的發(fā)展趨勢等。

著重介紹了大型醫(yī)療設備中驅動器的安全性、可靠性、通訊的具體要求和實現(xiàn)方式。以及通用驅動器，板載驅動器、自主研發(fā)驅動器的特點。

最后提出了大型醫(yī)療設備中無刷電機驅動器的發(fā)展趨勢：小型化、一體化、模塊化、集成化。