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(shù)的發(fā)展，在大型設(shè)備(CT、X光機(jī)、MR等)的自動(dòng)化和智能化程度越來越高，所用到的電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器也越來越多。這些電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器用于運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)的相應(yīng)部件，或運(yùn)送患者完成自動(dòng)的流程。

無刷電機(jī)因其性能好、可靠性高，壽命長(zhǎng)、免維護(hù)等特點(diǎn)，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(shè)備每天都會(huì)接觸到眾多的患者和醫(yī)護(hù)人員，對(duì)系統(tǒng)的電氣安全和運(yùn)動(dòng)的安全性都有著非常高的要求。驅(qū)動(dòng)器的選擇和應(yīng)用，在大型醫(yī)療設(shè)備的開發(fā)過程中極其關(guān)鍵。

1 無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的工作原理

1.1 無刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)

反電動(dòng)勢(shì)波形為方波的永磁同步電機(jī)稱為永磁無刷直流電機(jī)，簡(jiǎn)稱無刷直流電機(jī)[1]。無刷直流電機(jī)主要由永磁材料制造的轉(zhuǎn)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(jī)的轉(zhuǎn)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(gòu)成，一般做成三相對(duì)稱星形接法。在電動(dòng)機(jī)內(nèi)相應(yīng)的位置裝有位置傳感器(H1、H2、H3)，用于檢測(cè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的極性。也有的無刷電機(jī)沒有位置傳感器，稱作無感電機(jī)。另外傳感器也有多種形式，如光電編碼器，旋轉(zhuǎn)變壓器等，這些都需要驅(qū)動(dòng)器的支持。

1.2 無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的構(gòu)成

無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器則由驅(qū)動(dòng)器接口芯片、控制芯片、功率器件等構(gòu)成,如圖1所示。

圖1 無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器原理

1.3 無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的工作原理

接受外部輸入的電動(dòng)機(jī)的控制信號(hào)，如起動(dòng)、停止、正反轉(zhuǎn)、制動(dòng)等信號(hào)，以控制電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、停止、運(yùn)轉(zhuǎn)方向和制動(dòng)。

接受位置傳感器的反饋信號(hào)，即通過檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極相對(duì)定子繞組的位置，并在確定的位置處產(chǎn)生位置反饋信號(hào)。結(jié)合外部輸入的控制信號(hào)，經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換和處理后，按一定的邏輯關(guān)系，沿著一定次序去控制三相全橋中的各功率管的通斷，對(duì)定子繞組的電流進(jìn)行換流，從而產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩。

接受速度指令，結(jié)合速度反饋信號(hào)，通過調(diào)整加在電機(jī)定子線圈上的電壓和電流，來控制和調(diào)整轉(zhuǎn)速。

提供驅(qū)動(dòng)器本身的保護(hù)和電機(jī)的保護(hù)，并向外部反饋電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器狀態(tài)，或顯示等等。

2 大型醫(yī)療設(shè)備對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的要求

2.1 驅(qū)動(dòng)器的安全性要求

大型醫(yī)療設(shè)備，特別是X線診斷設(shè)備，直接和患者還有醫(yī)生打交道，所以對(duì)人的安全性和設(shè)備自身的安全性是設(shè)計(jì)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(dòng)的控制等等

2.1.1 漏電流

漏電流是大型醫(yī)療設(shè)備電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的一個(gè)很重要的參數(shù)，設(shè)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(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或IEC標(biāo)準(zhǔn)。由于電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是通過開關(guān)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(huì)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(dāng)供電為50 Hz交流電時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生漏電流。在電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選型的時(shí)候要特別注意。一般避免電機(jī)驅(qū)動(dòng)器漏電流的方法是采用隔離變壓器或電源進(jìn)行供電。

2.1.2 安全轉(zhuǎn)矩關(guān)閉

安全轉(zhuǎn)矩關(guān)閉，即轉(zhuǎn)矩切斷功能，也稱為STO(Safety Torque Off)，是通過切斷制動(dòng)器開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電路的方式，來實(shí)現(xiàn)的一種安全功能。通常用于對(duì)安全要求較高的大型醫(yī)療設(shè)備。和直流電機(jī)不同，無刷電機(jī)需要連續(xù)不斷的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)才可以工作。在所有開關(guān)管的門級(jí)驅(qū)動(dòng)電路被切斷時(shí)，開關(guān)管無法工作，無法形成三相的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，因此電機(jī)無法輸出扭矩。STO屬于安全電路，它的設(shè)計(jì)要求比較高，涉及到的硬件和軟件，都需要達(dá)到相應(yīng)的安全等級(jí)(例如Class C)才能用于醫(yī)療設(shè)備。對(duì)于出口歐盟的醫(yī)療設(shè)備，其STO功能需要通過TUV認(rèn)證。

2.1.3 制動(dòng)器控制

醫(yī)療設(shè)備的制動(dòng)器也是保證其安全的一個(gè)重要組成部分。

一般無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器都自帶制動(dòng)器控制電路。我們?cè)谶x擇的驅(qū)動(dòng)器時(shí)候要特別注意制動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電路的工作電流滿足制動(dòng)器的要求。同時(shí)需要避免采用有觸點(diǎn)的控制方式，例如繼電器等。有觸點(diǎn)的控制方式，在斷開制動(dòng)器的時(shí)候會(huì)引起火花，長(zhǎng)時(shí)間工作會(huì)出現(xiàn)觸點(diǎn)粘連，從而出現(xiàn)無法制動(dòng)器的安全風(fēng)險(xiǎn)。

另外制動(dòng)器的控制，除了受驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)器制動(dòng)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(dòng)器。

2.2 驅(qū)動(dòng)器的可靠性要求

大型醫(yī)療設(shè)備的可靠性要求很高，所以對(duì)驅(qū)動(dòng)器的要求也很高。

2.2.1 正確選型

我們?cè)谶x擇的時(shí)候，要對(duì)驅(qū)動(dòng)器的失效模式進(jìn)行分析。盡量采用可靠性高的驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)器機(jī)本身的可靠之外，對(duì)驅(qū)動(dòng)器的抗電磁干擾能力要求較高。同時(shí)還需要驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的電磁干擾足夠小，這樣的話才不會(huì)干擾到系統(tǒng)其他電路的工作。通常醫(yī)療器械也會(huì)通EMC測(cè)試來驗(yàn)證其系統(tǒng)的可靠性。

2.2.3 結(jié)構(gòu)及接口連接方式

需要采用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較好的驅(qū)動(dòng)器，可以在機(jī)械沖擊或振動(dòng)的情況下也能可靠的工作。對(duì)于驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(qū)動(dòng)器的通訊要求

大型醫(yī)療設(shè)備的系統(tǒng)架構(gòu)非常復(fù)雜，可靠性要求高，對(duì)驅(qū)動(dòng)器自診斷的要求也很高。所以在設(shè)備中使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)器一般都會(huì)通過通訊協(xié)議和系統(tǒng)控制器進(jìn)行通訊?？梢越邮芟到y(tǒng)控制器的運(yùn)動(dòng)控制信號(hào)，如起動(dòng)停止、方向、位置、速度等等。并且將電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、驅(qū)動(dòng)器的狀態(tài)、故障等信息，實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)性高、傳輸可靠并且距離遠(yuǎn)、成本低廉等優(yōu)勢(shì)。特別是CANopen總線通訊協(xié)議以及DS402控制協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化程度高，通用性強(qiáng)，在醫(yī)療行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用

2.4 驅(qū)動(dòng)器的其他要求

2.4.1 驅(qū)動(dòng)器的工作電壓

確定了系統(tǒng)和電機(jī)的工作電壓之后，可以選擇驅(qū)動(dòng)器的工作電壓范圍。在很多時(shí)候我們會(huì)選擇一個(gè)寬電壓工作的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，以滿足不同場(chǎng)合的需求，特別是系統(tǒng)電壓出現(xiàn)波動(dòng)的時(shí)候，不會(huì)影響系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的性能。

2.4.2 驅(qū)動(dòng)器的工作電流

根據(jù)電機(jī)的輸出功率以及整個(gè)傳動(dòng)鏈上的效率，可以計(jì)算出驅(qū)動(dòng)器的功率，從而可以算出驅(qū)動(dòng)器的輸出電流。在電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的選型的時(shí)候，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的工作電流需要考慮到最大負(fù)載、最大負(fù)載時(shí)間以及驅(qū)動(dòng)器的過載能力和過載持續(xù)時(shí)間。在設(shè)計(jì)的時(shí)候，通常會(huì)留下30%～50%的設(shè)計(jì)余量。并且在隨后的測(cè)試驗(yàn)證過程之中，通過驅(qū)動(dòng)器的設(shè)置軟件來驗(yàn)證之前的計(jì)算，詳細(xì)對(duì)比驅(qū)動(dòng)器的正常工作電流和最大負(fù)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(shí)間內(nèi)電機(jī)或驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的熱量。是用于保護(hù)電機(jī)或驅(qū)動(dòng)器不至于過熱，又可以允許電機(jī)短時(shí)過載工作的一種保護(hù)機(jī)制。在電機(jī)控制系統(tǒng)中，可以通過觀察I2t的曲線來判斷電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器的選型是否合理。如果I2t到達(dá)閾值，驅(qū)動(dòng)器就會(huì)報(bào)警并停止工作。在這種情況下需要找到報(bào)警的根本原因并加以解決，從而保證系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定的運(yùn)行。

3 大型醫(yī)療設(shè)備常用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

3.1 通用驅(qū)動(dòng)器

由于大型醫(yī)療設(shè)備壽命及可靠性要求高，通常會(huì)選用通用驅(qū)動(dòng)器。通用驅(qū)動(dòng)器還有電機(jī)匹配度高，接口豐富，選擇范圍廣，還有研發(fā)周期短，維護(hù)成本低等優(yōu)勢(shì)。

通用驅(qū)動(dòng)器國(guó)際知名廠家有：SIEMENS，ABB，KOLLNORGEN，Danaher，Panasonic，Yaskawa，Mitsubishi，等等。

國(guó)內(nèi)的通用電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)發(fā)展非?？?。知名廠家有鳴志，步科，臺(tái)達(dá)，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(jī)控制器示例

3.2 板載驅(qū)動(dòng)器

板載驅(qū)動(dòng)器具有通用驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)點(diǎn)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(shè)備的主板、控制板或通訊板上，大大節(jié)省了空間。同時(shí)減少了很多連接線，如通訊線、電源線等。如圖3所示。

板載驅(qū)動(dòng)器在大型醫(yī)療設(shè)備的很多場(chǎng)合都可以應(yīng)用，如患者支撐裝置等。在新興的醫(yī)療機(jī)器人上更是應(yīng)用廣泛。

圖3 板載驅(qū)動(dòng)器示例

3.3 自主研發(fā)驅(qū)動(dòng)板

目前不少大型半導(dǎo)體公司加大了在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域的投入，開發(fā)了很多無刷直流電機(jī)控制的專用芯片，大大降低了無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)難度。目前主流的驅(qū)動(dòng)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(shè)備的市場(chǎng)越來越成熟，競(jìng)爭(zhēng)越來越激烈，對(duì)設(shè)備成本的降低要求也越來越高。不少技術(shù)實(shí)力較強(qiáng)的醫(yī)療設(shè)備開發(fā)商通過自主研發(fā)專用直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)板，并實(shí)現(xiàn)了和控制板的高度集成，大大降低了設(shè)備電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分的成本,如圖4所示。

圖4 自主研發(fā)驅(qū)動(dòng)板示例

4 大型醫(yī)療設(shè)備驅(qū)動(dòng)器的發(fā)展趨勢(shì)

4.1 小型化

隨著醫(yī)療設(shè)備的發(fā)展，特別是大型醫(yī)療設(shè)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(qū)動(dòng)器的空間是有限的，這促進(jìn)了驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)器。小型化的驅(qū)動(dòng)器分板載式和通用式兩種。

4.1.1 小型板載驅(qū)動(dòng)器

板載式驅(qū)動(dòng)器采用插針或者類似內(nèi)存卡的形式，具有驅(qū)動(dòng)器的所有功能，非常適合有電路板設(shè)計(jì)能力的醫(yī)療設(shè)備廠家集成到自己的電路板上，從而實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器的功能。目前，板載式的驅(qū)動(dòng)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(jī)，如直流電機(jī)，直流無刷電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)，伺服電機(jī)等等。

4.1.2 小型通用驅(qū)動(dòng)器

小型的通用驅(qū)動(dòng)器采用了更加高頻的開關(guān)電路和導(dǎo)通電阻更小的功率器件，例如氮化鎵等，效率更高，同時(shí)發(fā)熱更低。圖 帶氮化鎵功率器件的小型電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，電壓20-48 V，電流可達(dá)20 A

圖5 小型化板載式驅(qū)動(dòng)器示例

4.2 一體化

在醫(yī)療設(shè)備的應(yīng)用上，電機(jī)往往分布在設(shè)備的多個(gè)位置。采用傳統(tǒng)的電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器分開的方式，往往會(huì)增加醫(yī)療設(shè)備走線的復(fù)雜性。如某一個(gè)運(yùn)動(dòng)部件的電機(jī)控制，通常需要電機(jī)線，剎車線，編碼器反饋線等。如果距離較長(zhǎng)，這些線材的成本也是相關(guān)可觀的。

采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)器集成一體化的方案，將電機(jī)和驅(qū)動(dòng)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(jī)驅(qū)動(dòng)線很短并走在電機(jī)內(nèi)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(jī)驅(qū)動(dòng)器模塊化解決方案，通常為多個(gè)驅(qū)動(dòng)器共用控制模塊和電源模塊?？梢愿鶕?jù)電機(jī)軸的多少，靈活增減模塊的數(shù)量

4.4 集成化

在同一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部，集成多個(gè)電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路，可以驅(qū)動(dòng)多個(gè)電機(jī)。好處就是共用通訊及控制模塊，共用散熱器及結(jié)構(gòu)部件，大幅減少電路板的數(shù)量，減少內(nèi)部走線，從而大幅降低了物料成本，同時(shí)簡(jiǎn)化了控制柜的設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)器的安裝。

5 結(jié) 論

本文介紹了無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的工作原理、大型醫(yī)療設(shè)備對(duì)無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的要求、常用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、以及驅(qū)動(dòng)器的發(fā)展趨勢(shì)等。

著重介紹了大型醫(yī)療設(shè)備中驅(qū)動(dòng)器的安全性、可靠性、通訊的具體要求和實(shí)現(xiàn)方式。以及通用驅(qū)動(dòng)器，板載驅(qū)動(dòng)器、自主研發(fā)驅(qū)動(dòng)器的特點(diǎn)。

最后提出了大型醫(yī)療設(shè)備中無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的發(fā)展趨勢(shì)：小型化、一體化、模塊化、集成化。