關(guān)鍵詞：強(qiáng)輻射環(huán)境;機(jī)器人;電機(jī)驅(qū)動(dòng)器;抗輻射加固;電子器件

隨著核工業(yè)的快速發(fā)展，需要在強(qiáng)輻射環(huán)境條件下開(kāi)展的工作越來(lái)越多，其中機(jī)器人被公認(rèn)為是安全保障以及事故應(yīng)急最理想的解決方案[1-3] 。作為一種自動(dòng)化裝置，機(jī)器人集機(jī)械結(jié)構(gòu)和電子控制系統(tǒng)于一體，其中控制系統(tǒng)中分布著大量的電子元器件，強(qiáng)輻射場(chǎng)各種帶電粒子和高能射線會(huì)在各器件中通過(guò)多種效應(yīng)引起損傷或破壞[4] ，進(jìn)而使機(jī)器人功能喪失。實(shí)施針對(duì)性的抗輻射設(shè)計(jì)，使機(jī)器人具備強(qiáng)輻射環(huán)境下的作業(yè)能力，是其在核工業(yè)領(lǐng)域推廣應(yīng)用必須要解決的問(wèn)題。

電機(jī)是機(jī)器人完成移動(dòng)和各種操作不可或缺的部件，驅(qū)動(dòng)器作為電機(jī)動(dòng)作的核心，包含有眾多半導(dǎo)體元器件，其整體耐輻射能力是制約機(jī)器人在強(qiáng)輻射場(chǎng)中應(yīng)用的關(guān)鍵部分。針對(duì)該現(xiàn)狀，本文通過(guò)商用成品（COTS）器件篩選、電路分區(qū)設(shè)計(jì)和局部屏蔽的方法設(shè)計(jì)了一款三相直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，并對(duì)該驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行了散熱與封裝設(shè)計(jì)。

1 驅(qū)動(dòng)器總體方案設(shè)計(jì)

1. 1 電機(jī)選擇

用于強(qiáng)輻射環(huán)境的機(jī)器人多采用無(wú)線方式進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控，由于機(jī)器人各部分所需的電能均來(lái)自于其搭載的電池組，這類(lèi)機(jī)器人上的電機(jī)大多數(shù)為直流電機(jī)[5] ，本研究選擇三相直流無(wú)刷電機(jī)作為應(yīng)用對(duì)象。相比于有刷電機(jī)，無(wú)刷電機(jī)具有效率高、可控性強(qiáng)、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，但要通過(guò)復(fù)雜的數(shù)字電路來(lái)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)[6] 。

1. 2 總體設(shè)計(jì)方案

針對(duì)三相直流無(wú)刷電機(jī)，驅(qū)動(dòng)器主要包括電源管理、功率驅(qū)動(dòng)、位置檢測(cè)和程序運(yùn)行幾個(gè)部分。當(dāng)系統(tǒng)上電后，驅(qū)動(dòng)器按照程序及轉(zhuǎn)子位置執(zhí)行起動(dòng)流程，運(yùn)行過(guò)程中可根據(jù)運(yùn)動(dòng)需求調(diào)整驅(qū)動(dòng)器的輸出，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向。

強(qiáng)輻射場(chǎng)機(jī)器人電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的研究主要從元器件層面的測(cè)試篩選、電路層面的優(yōu)化設(shè)計(jì)和局部屏蔽三個(gè)方面開(kāi)展。相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器必然是一個(gè)重新設(shè)計(jì)的過(guò)程，需要在耐輻射設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上調(diào)整軟硬件以及散熱封裝設(shè)計(jì)，確保電機(jī)驅(qū)動(dòng)功能的完整可靠。耐輻射電機(jī)驅(qū)動(dòng)器總體設(shè)計(jì)路線如圖1 所示。

2 驅(qū)動(dòng)器耐輻射設(shè)計(jì)

2. 1 器件篩選

將COTS 器件用于耐輻射電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的研制，具有供貨周期短、開(kāi)發(fā)難度低、性?xún)r(jià)比高及可大批量制造的優(yōu)點(diǎn)。COTS 器件在設(shè)計(jì)和制造階段往往沒(méi)有將耐輻射性能考慮在內(nèi)，但由于所采用的材料、設(shè)計(jì)和工藝不同，各種同功能不同型號(hào)器件的耐輻射能力也具有較大差別[7] 。因此，可以通過(guò)輻照測(cè)試篩選出本征耐輻射能力高的產(chǎn)品，以大大降低后續(xù)的設(shè)計(jì)難度，并最小化屏蔽帶來(lái)的重量。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中采用的器件主要有MCU 芯片、驅(qū)動(dòng)芯片、光耦、電源芯片、運(yùn)放、比較器、三極管、接口芯片、功率管及各種阻容器件等，其中阻容器件等不涉及半導(dǎo)體材料，其耐輻射能力可達(dá)106Gy 以上，屬于非輻射敏感器件，選型主要針對(duì)其它器件展開(kāi)[4，8] 。在進(jìn)行器件篩選時(shí)，采用抽樣測(cè)試方法分別進(jìn)行冷態(tài)和熱態(tài)照射，直至器件功能退化、喪失或達(dá)到預(yù)設(shè)累積劑量為止。冷態(tài)試驗(yàn)是在非通電情況下進(jìn)行照射，每接受一定的累積劑量后在本底輻射環(huán)境下對(duì)器件的功能參數(shù)變化進(jìn)行測(cè)試;熱態(tài)試驗(yàn)在通電情況下進(jìn)行，實(shí)時(shí)觀測(cè)器件的功能或性能參數(shù)隨累積劑量增加時(shí)的變化。測(cè)試實(shí)驗(yàn)在60Co 輻照裝置中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)的劑量率水平在103 Gy/ h 量級(jí)范圍內(nèi)可選。

根據(jù)前期的部分篩選試驗(yàn)，本研究驅(qū)動(dòng)器中采用的主要元器件選型結(jié)果如表1 所示。其中，MOSFET 功率管是驅(qū)動(dòng)器中的關(guān)鍵器件，其性能直接決定了驅(qū)動(dòng)器的輸出功率及損耗功率。有研究表明SiC -MOSFET 能承受104 Gy 的累積劑量[9-10] ，本文所選相關(guān)產(chǎn)品在2 500 Gy 累積劑量下未出現(xiàn)明顯性能退化現(xiàn)象，在整機(jī)2 000 Gy 的設(shè)計(jì)目標(biāo)下可以不做屏蔽加固，這將給散熱設(shè)計(jì)帶來(lái)極大的方便。其它多數(shù)元器件可承受的累積劑量可達(dá)到400 Gy，而MCU 芯片由于集成度較高，在熱態(tài)試驗(yàn)中，當(dāng)累積劑量達(dá)到約350 Gy 時(shí)，便出現(xiàn)功耗電流大幅增大的情況，這類(lèi)器件在后續(xù)設(shè)計(jì)中均需通過(guò)屏蔽的方式進(jìn)行加固。

2. 2 電路分區(qū)設(shè)計(jì)

常規(guī)驅(qū)動(dòng)器電路的設(shè)計(jì)方法往往將所有器件集中布置在同一塊電路板上，采用整體屏蔽的加固方式將給系統(tǒng)帶來(lái)較大的死重，同時(shí)驅(qū)動(dòng)器功率較高時(shí)候無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效散熱。為最小化屏蔽加固的體積和重量，需綜合考慮驅(qū)動(dòng)器電路中各器件的本征耐輻射水平和各器件之間的互聯(lián)關(guān)系，對(duì)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行重新布局設(shè)計(jì)。如圖2 所示，本研究最終將驅(qū)動(dòng)器電路設(shè)計(jì)為控制板和功率板兩部分。其中，控制板包含了以MCU 為核心的全部需屏蔽加固的器件，同時(shí)在設(shè)計(jì)過(guò)程盡可能密集布局，以最小化屏蔽體積;功率板除了SiC-MOSFET外，主要器件為去耦電容和電流傳感器（電阻），因此其整體不需作加固考慮。

2. 3 抗輻射加固設(shè)計(jì)

區(qū)別于傳統(tǒng)的整體屏蔽加固方式，本研究基于器件的本征耐輻射能力和驅(qū)動(dòng)器電路的分區(qū)結(jié)果，采用化整為零的方式對(duì)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行屏蔽設(shè)計(jì)。驅(qū)動(dòng)器中耐輻射能力低于2 000 Gy 的器件都集中在控制板上，為使驅(qū)動(dòng)器達(dá)到整體耐輻射目標(biāo)，需對(duì)控制板進(jìn)行整板屏蔽，然而，由于MCU 芯片的耐輻射能力相對(duì)更低，依據(jù)該器件的耐輻射性能設(shè)計(jì)屏蔽結(jié)構(gòu)的尺寸，仍然無(wú)法使得屏蔽重量最小化。因此，需考慮對(duì)MCU 進(jìn)行單獨(dú)屏蔽，使其耐輻射性能與其它器件處于同一水平。

如圖3 所示，設(shè)計(jì)的屏蔽加固結(jié)構(gòu)包括單器件和電路板兩個(gè)層面。其中，單器件屏蔽采用的材料為鎢粉填充環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料[11] ，通過(guò)模具成型的方式將整個(gè)MCU 芯片進(jìn)行二次封裝。當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到90%時(shí)，鎢粉填充環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料對(duì)60Co 源的線衰減系數(shù)可達(dá)0. 5 cm-1，為了將MCU 芯片的耐輻射性能從350 Gy 提升到400 Gy以上，所需復(fù)合材料屏蔽層的厚度僅為3 mm。采用該方式對(duì)MCU 進(jìn)行加固，既可以保證封裝后的芯片可在電路板上焊接安裝，又不會(huì)使得控制板的體積過(guò)分增加。對(duì)控制板的整體加固利用鎢屏蔽殼來(lái)實(shí)現(xiàn)，殼體厚度設(shè)計(jì)為20 mm，屏蔽后控制板整體可承受累積劑量為2 200 Gy。鎢屏蔽殼由中間的回型殼和兩個(gè)蓋板組成，在其中一個(gè)蓋板上留有用于走線的缺口，設(shè)計(jì)中充分考慮該缺口的尺寸與位置，以使其對(duì)殼體屏蔽效果的影響降到最低。在上述設(shè)計(jì)下，用于屏蔽的材料總重量低于7 kg。

3 驅(qū)動(dòng)器散熱封裝設(shè)計(jì)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)器故障的主要原因有溫度、振動(dòng)和潮濕等，大量研究數(shù)據(jù)表明，溫度過(guò)高造成的設(shè)備失效所占比例高達(dá)55%[12] ，且失效率隨著溫度的升高呈現(xiàn)指數(shù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，因此，需要對(duì)驅(qū)動(dòng)器的散熱及封裝進(jìn)行充分的考慮與設(shè)計(jì)。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)器集成有眾多發(fā)熱元器件，當(dāng)正常工作時(shí)，由驅(qū)動(dòng)器的原理可知，絕大部分熱量是由功率管的損耗引起的（90%以上），其散熱效率直接影響了驅(qū)動(dòng)器整體的散熱效果。根據(jù)MOSFET的特性參數(shù)及其應(yīng)用狀態(tài)，計(jì)算出驅(qū)動(dòng)器中功率管總損耗功率約為245 W，散熱設(shè)計(jì)主要針對(duì)該器件開(kāi)展。如圖4（左）所示，為本研究設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器封裝結(jié)構(gòu)，包括風(fēng)扇、散熱片和固定殼體，裝配完成后整機(jī)外觀尺寸為16. 5 cm × 13 cm ×12. 5 cm。其中，風(fēng)扇和散熱片共同構(gòu)成驅(qū)動(dòng)器的風(fēng)冷散熱器，依據(jù)發(fā)熱功率和風(fēng)冷散熱器的主要參數(shù)，對(duì)散熱效果進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖4（右） 所示，功率管溫度低于65 ℃，滿足散熱設(shè)計(jì)要求。

4 總結(jié)

耐輻射電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的成功研制可促進(jìn)遠(yuǎn)程操控機(jī)器人在強(qiáng)輻射環(huán)境中的應(yīng)用與推廣，同時(shí)對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)中其它薄弱環(huán)節(jié)的抗輻射加固設(shè)計(jì)具有重要參考意義。本文依托于COTS 電子元器件的篩選，結(jié)合驅(qū)動(dòng)器電路重新布局設(shè)計(jì)，通過(guò)屏蔽的方式設(shè)計(jì)了一種可承受2 000 Gy 的三相直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，其驅(qū)動(dòng)能力、整體耐輻射性能及整機(jī)散熱性能均已通過(guò)計(jì)算與仿真初步得到證明，后續(xù)將依據(jù)設(shè)計(jì)資料開(kāi)展樣機(jī)制造工作，同時(shí)通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性。