郭 灿

(上海西门子医疗器械有限公司，上海 201318)

0 引 言

随着技术的发展，在大型设备(CT、X光机、MR等)的自动化和智能化程度越来越高，所用到的电机及驱动器也越来越多。这些电机及驱动器用于运转系统的相应部件，或运送患者完成自动的流程。

无刷电机因其性能好、可靠性高，寿命长、免维护等特点，在大型医疗器械的开发过程中，渐渐成为主要选择之一。

由于大型医疗设备每天都会接触到众多的患者和医护人员，对系统的电气安全和运动的安全性都有着非常高的要求。驱动器的选择和应用，在大型医疗设备的开发过程中极其关键。

1 无刷电机驱动器的工作原理

1.1 无刷电机的结构

反电动势波形为方波的永磁同步电机称为永磁无刷直流电机，简称无刷直流电机[1]。无刷直流电机主要由永磁材料制造的转子、带有线圈绕组的定子、和位置传感器(可有可无)组成[2]。

电机的转子上粘有已充磁的永磁体(N、S)。定子绕组由绕在矽钢片上漆包铜线构成，一般做成三相对称星形接法。在电动机内相应的位置装有位置传感器(H1、H2、H3)，用于检测电动机转子的极性。也有的无刷电机没有位置传感器，称作无感电机。另外传感器也有多种形式，如光电编码器，旋转变压器等，这些都需要驱动器的支持。

1.2 无刷电机驱动器的构成

无刷电机驱动器则由驱动器接口芯片、控制芯片、功率器件等构成,如图1所示。

图1 无刷电机驱动器原理

1.3 无刷电机驱动器的工作原理

接受外部输入的电动机的控制信号，如起动、停止、正反转、制动等信号，以控制电动机的起动、停止、运转方向和制动。

接受位置传感器的反馈信号，即通过检测转子磁极相对定子绕组的位置，并在确定的位置处产生位置反馈信号。结合外部输入的控制信号，经信号转换和处理后，按一定的逻辑关系，沿着一定次序去控制三相全桥中的各功率管的通断，对定子绕组的电流进行换流，从而产生连续转矩。

接受速度指令，结合速度反馈信号，通过调整加在电机定子线圈上的电压和电流，来控制和调整转速。

提供驱动器本身的保护和电机的保护，并向外部反馈电机和驱动器状态，或显示等等。

2 大型医疗设备对电机驱动器的要求

2.1 驱动器的安全性要求

大型医疗设备，特别是X线诊断设备，直接和患者还有医生打交道，所以对人的安全性和设备自身的安全性是设计大型医疗器械首先要考虑的因素。比如漏电流、力矩切断的安全功能、制动的控制等等

2.1.1 漏电流

漏电流是大型医疗设备电机驱动器的一个很重要的参数，设备允许的漏电流的最大值是有限制的，例如10 mA，具体可有参考相关国家标准或IEC标准。由于电机驱动器是通过开关电路切换工作的，为了降低EMC干扰带来的影响，通常在供电端采用滤波器电路。滤波器电路中会用到电感和电容，其中Y电容用于滤除共模干扰。由于Y电容的存在，当供电为50 Hz交流电时，就会产生漏电流。在电机驱动器选型的时候要特别注意。一般避免电机驱动器漏电流的方法是采用隔离变压器或电源进行供电。

2.1.2 安全转矩关闭

安全转矩关闭，即转矩切断功能，也称为STO(Safety Torque Off)，是通过切断制动器开关管的驱动电路的方式，来实现的一种安全功能。通常用于对安全要求较高的大型医疗设备。和直流电机不同，无刷电机需要连续不断的旋转磁场才可以工作。在所有开关管的门级驱动电路被切断时，开关管无法工作，无法形成三相的旋转磁场，因此电机无法输出扭矩。STO属于安全电路，它的设计要求比较高，涉及到的硬件和软件，都需要达到相应的安全等级(例如Class C)才能用于医疗设备。对于出口欧盟的医疗设备，其STO功能需要通过TUV认证。

2.1.3 制动器控制

医疗设备的制动器也是保证其安全的一个重要组成部分。

一般无刷电机驱动器都自带制动器控制电路。我们在选择的驱动器时候要特别注意制动器驱动电路的工作电流满足制动器的要求。同时需要避免采用有触点的控制方式，例如继电器等。有触点的控制方式，在断开制动器的时候会引起火花，长时间工作会出现触点粘连，从而出现无法制动器的安全风险。

另外制动器的控制，除了受驱动器控制之外，还需要受系统控制电路的控制，从而保证在驱动器制动器控制电路失效或者其他紧急的情况下，系统控制软件也可以切断制动器。

2.2 驱动器的可靠性要求

大型医疗设备的可靠性要求很高，所以对驱动器的要求也很高。

2.2.1 正确选型

我们在选择的时候，要对驱动器的失效模式进行分析。尽量采用可靠性高的驱动器，并做到正确选型，就可以避免在后续的使用过程之中出现可靠性的问题。

2.2.2 电磁兼容

除了驱动器机本身的可靠之外，对驱动器的抗电磁干扰能力要求较高。同时还需要驱动器产生的电磁干扰足够小，这样的话才不会干扰到系统其他电路的工作。通常医疗器械也会通EMC测试来验证其系统的可靠性。

2.2.3 结构及接口连接方式

需要采用结构设计较好的驱动器，可以在机械冲击或振动的情况下也能可靠的工作。对于驱动器的接插件来说，也需要采用可靠的连接器和连接方式，具有防止振动脱落的功能。一般要求接插件带锁定功能，通常通过螺丝锁定，或通过卡扣锁定。

2.3 驱动器的通讯要求

大型医疗设备的系统架构非常复杂，可靠性要求高，对驱动器自诊断的要求也很高。所以在设备中使用电机驱动器一般都会通过通讯协议和系统控制器进行通讯。可以接受系统控制器的运动控制信号，如起动停止、方向、位置、速度等等。并且将电机的运行状态、驱动器的状态、故障等信息，实时上传到系统控制软件。

常用的通讯协议有CAN/ CANopen，MODBUS，Profibus，Profinet等等。

其中CAN总线具有其实时性高、传输可靠并且距离远、成本低廉等优势。特别是CANopen总线通讯协议以及DS402控制协议标准化程度高，通用性强，在医疗行业得到了广泛的应用

2.4 驱动器的其他要求

2.4.1 驱动器的工作电压

确定了系统和电机的工作电压之后，可以选择驱动器的工作电压范围。在很多时候我们会选择一个宽电压工作的电机驱动器，以满足不同场合的需求，特别是系统电压出现波动的时候，不会影响系统运动的性能。

2.4.2 驱动器的工作电流

根据电机的输出功率以及整个传动链上的效率，可以计算出驱动器的功率，从而可以算出驱动器的输出电流。在电机驱动器的选型的时候，电机驱动器的工作电流需要考虑到最大负载、最大负载时间以及驱动器的过载能力和过载持续时间。在设计的时候，通常会留下30%～50%的设计余量。并且在随后的测试验证过程之中，通过驱动器的设置软件来验证之前的计算，详细对比驱动器的正常工作电流和最大负载情况下的工作电流。

2.4.3 耐热冲击(I2t)

耐热冲击(I2t)。即在单位时间内电机或驱动器产生的热量。是用于保护电机或驱动器不至于过热，又可以允许电机短时过载工作的一种保护机制。在电机控制系统中，可以通过观察I2t的曲线来判断电机和驱动器的选型是否合理。如果I2t到达阈值，驱动器就会报警并停止工作。在这种情况下需要找到报警的根本原因并加以解决，从而保证系统的长期稳定的运行。

3 大型医疗设备常用的电机驱动器

3.1 通用驱动器

由于大型医疗设备寿命及可靠性要求高，通常会选用通用驱动器。通用驱动器还有电机匹配度高，接口丰富，选择范围广，还有研发周期短，维护成本低等优势。

通用驱动器国际知名厂家有：SIEMENS，ABB，KOLLNORGEN，Danaher，Panasonic，Yaskawa，Mitsubishi，等等。

国内的通用电机驱动器的设计和生产发展非常快。知名厂家有鸣志，步科，台达，汇川等，还有不少中小型厂家不断涌现。(如图2)

图2 通用电机控制器示例

3.2 板载驱动器

板载驱动器具有通用驱动器的优点外，往往体积更小，通过接插件或焊接的方式集成在医疗设备的主板、控制板或通讯板上，大大节省了空间。同时减少了很多连接线，如通讯线、电源线等。如图3所示。

板载驱动器在大型医疗设备的很多场合都可以应用，如患者支撑装置等。在新兴的医疗机器人上更是应用广泛。

图3 板载驱动器示例

3.3 自主研发驱动板

目前不少大型半导体公司加大了在运动控制领域的投入，开发了很多无刷直流电机控制的专用芯片，大大降低了无刷直流电机驱动器的设计难度。目前主流的驱动方案有，TI的DRV系列芯片，ST的STSPIN系列芯片。

随着大型医疗设备的市场越来越成熟，竞争越来越激烈，对设备成本的降低要求也越来越高。不少技术实力较强的医疗设备开发商通过自主研发专用直流无刷电机驱动板，并实现了和控制板的高度集成，大大降低了设备电机驱动部分的成本,如图4所示。

图4 自主研发驱动板示例

4 大型医疗设备驱动器的发展趋势

4.1 小型化

随着医疗设备的发展，特别是大型医疗设备需要提供患者最大的舒适度和医生或操作人员最大的自由度，往往留给驱动器的空间是有限的，这促进了驱动器的小型化发展。现在有众多厂家发布了小型化的驱动器。小型化的驱动器分板载式和通用式两种。

4.1.1 小型板载驱动器

板载式驱动器采用插针或者类似内存卡的形式，具有驱动器的所有功能，非常适合有电路板设计能力的医疗设备厂家集成到自己的电路板上，从而实现驱动器的功能。目前，板载式的驱动器以低压直流供电为主，一般24 V-48 V，电流2 A-40 A不等。具有编码器反馈，多路IO口，并且支持多种类型的电机，如直流电机，直流无刷电机，步进电机，伺服电机等等。

4.1.2 小型通用驱动器

小型的通用驱动器采用了更加高频的开关电路和导通电阻更小的功率器件，例如氮化镓等，效率更高，同时发热更低。图 带氮化镓功率器件的小型电机驱动器，电压20-48 V，电流可达20 A

图5 小型化板载式驱动器示例

4.2 一体化

在医疗设备的应用上，电机往往分布在设备的多个位置。采用传统的电机及驱动器分开的方式，往往会增加医疗设备走线的复杂性。如某一个运动部件的电机控制，通常需要电机线，刹车线，编码器反馈线等。如果距离较长，这些线材的成本也是相关可观的。

采用电机驱动器集成一体化的方案，将电机和驱动器集成在一起，一般只需要电源钱和通讯线两组线，如果是总线型的通讯方式，线材上可以节省更多。

另外，一体化方案可以带来更优的EMC性能。由于带高频分量的电机驱动线很短并走在电机内部，大幅减少了电流环路的面积，降低了电磁辐射。集成一体化方案可以做到很好的电磁屏蔽，从而增加了抗干扰能力。

4.3 模块化

电机驱动器模块化解决方案，通常为多个驱动器共用控制模块和电源模块。可以根据电机轴的多少，灵活增减模块的数量

4.4 集成化

在同一个电机驱动器内部，集成多个电机功率驱动电路，可以驱动多个电机。好处就是共用通讯及控制模块，共用散热器及结构部件，大幅减少电路板的数量，减少内部走线，从而大幅降低了物料成本，同时简化了控制柜的设计和驱动器的安装。

5 结 论

本文介绍了无刷电机驱动器的工作原理、大型医疗设备对无刷电机驱动器的要求、常用的电机驱动器、以及驱动器的发展趋势等。

着重介绍了大型医疗设备中驱动器的安全性、可靠性、通讯的具体要求和实现方式。以及通用驱动器，板载驱动器、自主研发驱动器的特点。

最后提出了大型医疗设备中无刷电机驱动器的发展趋势：小型化、一体化、模块化、集成化。