用于降低机器人设备中的电磁干扰的系统和方法

技术领域

本公开涉及机器人设备和/或自动化设备，并且更具体地涉及用于使用滤波器降低机器人设备内的电磁干扰并抑制漏电流的系统和方法。

背景技术

传统上，当高开关设备(例如硅(Si)COOLMOS、氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)设备)被使用以改进系统功率密度和效率时，电磁干扰(EMI)可以是实现具有分布式电机驱动器(例如多个轴驱动器)的机器人设备(例如自动化设备)的瓶颈，特别是对于高压应用(例如使用超过400伏(V)直流(DC)的应用)。此外，在具有多个轴的机器人设备中(其中每个轴都包括集成的电机驱动器)，EMI问题可以进一步复杂化。EMI噪声不仅在每个轴中循环，而且在多个轴上流动和扩散。多个轴间的EMI噪声相互作用会导致严重的系统可靠性问题。

附加地和/或备选地，漏电流(例如，当理想电流为零时流过的任何电流)也可以是一个大问题，特别是当考虑机器人设备内的系统安全要求时。例如，由于驱动器、电机、总线、电缆等在多个轴中的寄生特性，如果在电机/驱动器上的设备具有高开关速度，则有大量的漏电流从电机/驱动器流向前端整流器功率模块。因此，前端整流器功率模块上的漏电流可以是问题，特别是对于这些具有3.5毫安(mA)漏电流限制要求的应用。在某些实例中，被定位在AC端(例如，在电机和负载之间)的大型多级EMI滤波器已被用于降低EMI噪声，但这增加了成本、重量，并占用了机器人设备内更多的空间，降低了有效载荷能力。因此，仍然有技术需要来提供一种系统和方法以降低机器人设备内的EMI并抑制漏电流。

发明内容

本公开的第一方面提供了一种机器人设备，包括控制器，被配置为控制多个轴的相移开关以降低电磁干扰(EMI)噪声并抑制漏电流的，电路和被耦合到多个轴的多个电机的多个负载，其中多个负载中的每个负载沿不同的旋转或线性方向操纵机器人设备。电路包括被配置为将能量提供给机器人设备的多个轴的电源和整流器，其中多个轴中的每个轴包括被配置操作负载的电机和驱动器，并且其中电源和整流器被电耦合到EMI滤波器；EMI滤波器，其中EMI滤波器被配置为进一步降低EMI噪声并抑制来自多个轴的漏电流，并且其中EMI滤波器被电耦合到多个轴，使得EMI滤波器在整流器和多个轴之间；以及多个轴，包括被配置为操作多个负载的多个驱动器和多个电机。

根据第一方面的实施方式，EMI滤波器包括多个小型分体式共模扼流圈，其中多个小型分体式共模扼流圈中的每个小型分体式共模扼流圈与多个轴中的不同的轴相关联。

根据第一方面的实施方式，机器人设备还包括被电耦合到电源和整流器的电气总线；以及将电气总线电耦合到多个轴的多个单独连接，其中多个单独连接中的每个单独连接将电气总线电耦合到多个轴中的不同的轴。多个小型分体式共模扼流圈中的每个小型分体式共模扼流圈被定位在多个单独连接中的不同的单独连接上。

根据第一方面的实施方式，EMI滤波器还包括总线滤波器，其中总线滤波器被定位在电气总线上。

根据第一方面的实施方式，总线滤波器包括第二小型分体式共模扼流圈和一个或多个Y电容器。

根据第一方面的实施方式，总线滤波器还包括一个或多个X电容器。

根据第一方面的实施方式，总线滤波器是包括在第一级处的公共EMI滤波器和在第二级处的至少一个小型分体式共模扼流圈的多级EMI滤波器。

根据第一方面的实施方式，EMI滤波器还包括多个Y电容器，其中多个Y电容器的子集与多个轴中的不同的轴相关联。

根据第一方面的实施方式，多个Y电容器的子集被电耦合到多个小型分体式共模扼流圈中的小型分体式共模扼流圈，并且小型分体式共模扼流圈被电耦合到多个轴中的第一轴，使得小型分体式共模扼流圈位于多个Y电容器的子集和第一轴之间。

根据第一方面的实施方式，控制器还被配置为同步用于多个轴的时钟。

根据第一方面的实施方式，电力接地，其中多个轴在单个点处被连接到电力接地。

根据第一方面的实施方式，电源为交流(AC)电源，并且整流器将来自电源的AC能量转换为DC能量。EMI滤波器被配置为接收来自整流器的DC能量并将DC能量提供给多个轴。

本公开的第二方面提供了电路，包括：电源和整流器，被配置为将能量提供给多个轴，其中多个轴中的每个轴包括被配置为操作负载的电机和驱动器，并且其中电源和整流器被电耦合到电磁干扰(EMI)滤波器；EMI滤波器，其中EMI滤波器被配置为降低EMI噪声并抑制来自多个轴的漏电流，并且其中EMI滤波器被电耦合到多个轴，使得EMI滤波器位于整流器和多个轴之间；以及多个轴，包括被配置为操作多个负载的多个驱动器和多个电机。控制器被配置为控制多个轴的相移开关，以进一步降低EMI噪声并抑制漏电流。

根据第二方面的实施方式，EMI滤波器包括多个小型分体式共模扼流圈，其中多个小型分体式共模扼流圈中的每个小型分体式共模扼流圈与多个轴中的不同的轴相关联。

根据第二方面的实施方式，电路还包括被电耦合到电源和整流器的电气总线；以及将电气总线电耦合到多个轴的多个单独连接，其中多个单独连接中的每个单独连接将电气总线电耦合到多个轴中的不同的轴。多个小型分体式共模扼流圈中的每个小型分体式共模扼流圈被定位在多个单独连接中的不同的单独连接上。

根据第二方面的实施方式，EMI滤波器还包括总线滤波器，其中总线滤波器被定位在电气总线上。

根据第二方面的实施方式，总线滤波器包括第二小型分体式共模扼流圈和一个或多个Y电容器。

根据第二方面的实施方式，总线滤波器还包括一个或多个X电容器。

根据第二方面的实施方式，EMI滤波器还包括多个Y电容器，其中多个Y电容器的子集与多个轴中的不同的轴相关联。

本公开的第二方面提供了一种方法，包括通过机器人设备的控制器控制多个轴的相移开关以降低电磁干扰(EMI)噪声并抑制漏电流；以及通过机器人设备的电路使用EMI滤波器以进一步降低EMI噪声并抑制来自多个轴的漏电流。电路包括电源、整流器、EMI滤波器和多个轴。EMI滤波器被电耦合到多个轴，使得EMI滤波器位于整流器和多个轴之间。

附图说明

本公开的实施例下面将基于示例性附图被更加详细地描述。本公开不限于示例性实施例。本文描述和/或图示的所有特征可以在本公开的实施例中单独使用或以不同的组合方式组合使用。通过参考图示下文的附图阅读以下详细描述，本公开的各种实施例的特征和优点将变得明显：

图1A-图1D图示了描述根据本公开的一个或多个实施例具有多个轴电机和驱动器的机器人设备的传统电路和框图；

图2是根据本公开的一个或多个实施例，描述具有被定位在电机和驱动器之前的EMI滤波器的示例性机器人设备的框图的示意图；

图3图示了根据本公开的一个或多个实施例描绘具有图2的EMI滤波器的示例性机器人设备的电路和框图；

图4是根据本公开的一个或多个实施例的图2的机器人设备的示例性控制系统的示意图；

图5描述了用于根据本公开的一个或多个实施例使用图2的EMI滤波器以降低EMI和/或抑制漏电流的示例性过程；以及

图6-图8图示了根据本公开的一个或多个实施例用于降低EMI和/或抑制漏电流的EMI滤波器的附加和/或备选示例。

具体实施方式

如上所述，当高开关设备被使用以改进机器人设备的功率密度和效率时，电磁干扰(EMI)可以是用于优化具有分布式电机驱动器的机器人设备的瓶颈。考虑到机器人设备内的系统安全要求，漏电流还可以是问题。机器人设备可以是任何类型的设备，其包括一个或多个控制器以及被耦合到多个负载的多个电机和驱动器。负载可以是机械臂、机械腿和/或被配置为执行机器人设备的动作或操作的其他部件。例如，在一个简化的示例中，基于来自控制器的指令，机器人部件(例如，手臂)可以操纵到第一位置，在第一位置处拾取对象，然后将对象丢到新的位置。在这种示例中，机器人设备可以包括首先移动到第一位置的机械臂。操纵机械臂到第一位置可以要求在多个不同的方向或不同的轴上运动。例如，机械臂可以首先需要在x轴上移动一定距离，在y轴上移动一定距离，和/或在z轴上移动一定距离。每个电机/驱动器组合可以被分配到负载，以辅助机器人设备在不同的轴上操纵。换句话说，提及上述的三个轴(x轴,y轴,z轴)，第一电机/驱动器可以被分配到被配置为辅助机械臂沿x轴移动的第一负载，第二电机/驱动器可以被分配到被配置为辅助机械臂沿y轴移动的第二负载，以及第三电机/驱动器可以被分配到第三负载以辅助机械臂沿z轴移动。类似地，在其他示例中，机器人设备可以在附加轴上被操纵，并且电机/驱动器组合可以被用于这些附加轴的每个附加轴。例如，具有其自己的负载、电机和驱动器的附加轴可以被用于旋转机械臂的手以捡起和释放对象。在其他一些示例中，例如六轴坐标机器人设备，六种不同的电机/驱动器组合可以被使用。第一轴可以用于旋转在机器人设备的基部的机器人装置，第二轴可以被用于机器人设备的下臂的前进/后退伸展，第三轴可以被用于提高/降低机器人的上臂，第四轴可以被用于机器人设备的上臂，第五轴可以被用于提高/降低机械臂的腕部，以及六轴可以被用于旋转机械臂的腕部。仅为简单起见，上文只描述了具有多个不同轴的机器人设备的几个示例，传统系统的问题以及本应用中的解决方案可以适用于能够在任意数量的轴上被操纵的机器人设备。

每个电机/驱动器/负载组合都可以产生并导致EMI和/或漏电流。因此，机器人设备内的电机/驱动器/负载组合越多，EMI和漏电流就越大。传统上，当使用高开关设备以改进系统功率密度和效率时，EMI是实现具有分布式电机驱动器(例如多个轴)的机器人设备的瓶颈。高开关频率还有望降低电流纹波、转矩纹波，改进控制系统的性能，并在电机参数选择上提供更大的设计自由度。然而，它也可以诱发严重的EMI噪声。此外，在具有多个轴的机器人设备中，EMI问题要复杂得多，其中每个轴都包括集成的电机驱动器。例如，EMI噪声不仅在每个轴上循环，而且在多个轴上流动，这将导致严重的系统可靠性问题。这将在下述图1A-图1D中进一步解释。此外，由于驱动器、电机、总线、电缆等在多个轴上的寄生特性，如果电机/驱动器上的设备具有高开关速度，则有大量的漏电流从电机/驱动器流向前端整流器功率模块。因此，在前端整流器功率模块上的漏电流可以是大问题，特别是对于这些具有3.5mA漏电流限制要求的应用。

图1A-图1D图示了描述根据本公开的一个或多个实施例具有多个轴电机和驱动器的机器人设备的传统和常规的电路和框图。参考图1A，常规机器人系统(例如，机器人设备)100包括被连接到整流器104的电源102。电源102可以是被配置为向整流器104提供AC电能(例如，AC电流、AC电压和/或AC功率)的AC电源。整流器104可以是将AC电能转换为DC电能的电气设备(例如，DC电流、DC电压和/或DC功率)。该DC电能从整流器104被提供到线路阻抗稳定网络(LISN)106。LISN 106是用于传导和辐射射频发射和敏感性试验的设备。LISN 106通常被放置在电源(例如电源102)和在测设备(EUT)，例如电机/驱动器，以产生已知的阻抗和/或提供射频(RF)噪声测量端口。DC电源110可以是和/或包括电源102和整流器104，其如上所述为DC电源，因为整流器104被配置为将来自电源102的AC电能转换为DC能量以馈送到LISN 106。

LISN 106包括两个电感器116和118，三个电容器112、114和120，以及两个电阻124和126。LISN 106被耦合到电机、驱动器和负载108。在LISN 106和电机、驱动器和负载108之间的连接线中的一个连接线之间存在另一电感器128(例如，杂散电感器)。图1B示出了用于来自图1A的元件108的电机和驱动器的示意图。

图1B示出了机器人设备100的另一个图示，其中示出了电机/驱动器的电路元件，并且电源102、整流器104和LISN 106作为框图被示出。参考图1B，来自图1A的电源102、整流器104和LISN 106被耦合和/或连接(例如，经由导线)到机器人设备100内的驱动器140和电机142。来自图1A的电感器128也被示出在图1B中。驱动器140和电机142的每个都被分成不同的轴。例如，第一轴138、第二轴162和第三轴164全部包括驱动器140和电机142。如上所述，机器人设备100可以包括一个或多个能够旋转(偏航)、俯仰、伸/收、移动到新位置和/或其他类型运动的部件。换句话说，机器人设备100(以及下文描述的机器人设备200)的部件的运动学包括旋转和/或线性运动。这些不同类型的运动的每个都可以由驱动器140和电机142对控制。例如，第一轴138的驱动器140/电机142对可以控制在x方向或x轴上的运动，第二轴162的驱动器140/电机142对可以控制在y方向或y轴上的运动，并且第三轴164的驱动器140/电机142对可以控制在z方向或z轴上的运动。仅为简单起见，图1B-图1D中只示出了三个轴138、162和164，并且机器人设备100可以包括更少的(例如，驱动器140/电机142对的两个轴)或驱动器140/电机142对的附加的(例如，六个、十个和/或更多个)轴。例如，机器人设备100可以具有两个机械臂，每个机械臂具有六个运动轴。因此，在这样的示例中，机器人设备100可以包括被配置用于每个不同的运动轴的十二个或更多个驱动器140/电机142对。

在LISN 106和机器人设备100的轴138、162和164之间有多个连接(例如，电线/接线)，被配置为从电源102/整流器104向电机142提供电能。例如，LISN 106与轴138、162和164之间的连接包括电气总线130(例如，DC电气总线)。电气总线130被耦合到附加连接132、134和136。连接132将电气总线130耦合(例如，连接和/或被配置为提供能量)到第一轴138的部件(例如，电机142和驱动器140)。连接134将电气总线130耦合到第二轴162的部件。连接136将电气总线130耦合到第三轴164的部件。

如图所示，在连接132之后，在驱动器140之外有四个寄生电容器146、148、154和156，并且这些电容器中的至少有一些电容器在第一轴138内。四个寄生电容器146、148、154和156可以是由电路设计感应的电容器。换句话说，在某些实例中，寄生电容器和/或寄生电感器(如下所述)可以是由电路设计感应的电容器/电感器，并且可能不是机器人设备内的“真实”部件。例如，这些寄生电容器146、148、154和156不是机器人设备100内的真实部件，并且可以导致本文所述的EMI和漏电流问题。正极DC总线(PBus)146是正极DC总线与电力接地之间的等效寄生电容。负极DC总线(NBus)电容148是负极DC总线与电力接地之间的等效寄生电容。电容器154示出了AC输出电缆和电力接地之间的等效寄生电容。电机电容器156示出了电机驱动器的底盘/框架和电力接地之间的等效寄生电容。第一轴138还包括寄生电感器158和寄生电容器128。

第一轴138还包括驱动器140和电机142。第一轴138可以被用于三相电源，并且驱动器140示出了三相电源的单相。换句话说，仅为了简洁和清楚起见，示出了驱动器140的单个电容器150和两个开关152，并且驱动器140可以包括用于三相电源的附加电容器150和开关152。驱动器140和第一轴138使用虚线示出，以指示分别被定位在驱动器140和第一轴138的内部和外部的部件。例如，在驱动器140内有电容器150和两个开关152。电容器150是可以被用于三相电源的每个轴的DC电容器。开关152是被用于三相电源的半导体器件。驱动器140被配置为使用和控制被发送到电机142(来自电源102)的电能。电机142被配置为产生旋转或线性力，被用于为负载(例如，图1C和图1D中所示的负载168、170、172)提供功率。第一轴138还包括散热器144。散热器144是被动热交换器，其将由要被冷却的驱动器140或电机142产生的热量转移并且从驱动器140/电机142消散。类似的部件被用于机器人设备100的第二轴162和第三轴164，并且类似于上述描述来作用。此外，仅为简单起见，用于第二轴162和第三轴164的部件对于类似的设备/部件共享类似的附图标记。

机器人设备100还包括已被着灰色阴影的框架160。框架160包括多个电感器166(例如，杂散电感器)，其可以是框架对框架和/或框架对电力接地之间的寄生电感器。

图1C示出了机器人设备100的另一个图示，其中示出了机器人设备100的主要部件(例如，电机142、驱动器140、轴138、162和164、电源102、整流器104和LISN 106)，并将用于描述EMI和每个轴138、162、164的漏电流路径。此外，还示出了电气总线130以及从总线130到轴138、162和164的连接132、134和136。此外，示出了三个负载168、170和172。三个负载168、170和172被耦合到电机142，并且电机142可以为负载168、170和172提供驱动、操作和/或提供其他功能的功率。例如，在一些实例中，第一轴138的电机142可以向负载168提供功率，使得机器人设备100的手臂可以沿特定的方向(例如，沿着x轴)运动。类似地，第二轴162和第三轴164的电机142可以向负载170和172提供功率，使得机器人设备100的手臂可以沿其它方向(例如，沿着y轴和z轴)运动。

然而，如上所述，具有集成电机驱动器140，142的这些轴中的每个轴可以导致EMI噪声以及漏电流流动。虚线174示出了第一轴138的EMI噪声和漏电流路径。同样，虚线176和178分别示出了第二轴162和第三轴164的EMI噪声和漏电流路径。此外，机器人设备100的轴越多，产生的EMI噪声和漏电流也就越多，从而导致许多问题。图1D中描述了这一点。

参考图1D，所有三个轴138、162和164的累积EMI噪声和漏电流由虚线180示出。例如，EMI噪声不仅在每个轴中循环，而且在多个轴上流动(如虚线180所示)，这将导致严重的系统可靠性问题。机器人设备100内的轴越多，机器人设备100内的EMI噪声和漏电流的量就越大。传统上，有一些实施方式已经被用于降低EMI噪声和/或抑制漏电流。例如，在没有前端整流器功率模块的传统电机/驱动器中(例如102/104)，一个典型的解决方案是在AC侧添加EMI滤波器，该EMI滤波器被定位在驱动器和电机之间(例如驱动器140和电机142之间)。在具有前端整流器功率模块的传统电机驱动器中，EMI滤波器可以被添加在AC输入端(例如，在输入到整流器104之前)和AC输出端(例如，在驱动器140之后)以降低EMI噪声。此外，附加的EMI滤波器可以被添加在DC总线。例如，在传统系统中，通过在DC总线上单独使用EMI滤波器，传统系统不能在某些应用中实现足够好的EMI降低。然而，正如下面将解释的那样，本申请公开了将DC总线上的EMI滤波器与附加的功能相结合，例如通过使用相移控制以进一步降低EMI/漏电流和/或通过在每个轴上引入EMI滤波器(例如，图3所示的小型分体式共模扼流圈322和326)。此外，多级(例如，2级)EMI滤波器也可以被用于降低EMI噪声，但这可以增加成本，增加机器人设备的重量以及占用机器人设备内部更多的空间，并降低了有效载荷能力。在传统系统中，这些多级EMI滤波器通常被定位在图1A中的电源102和整流器104之间和/或通常被定位在图1B中的驱动器140和电机142之间。

因此，正如下文将进一步详细描述的那样，目前的应用通过在每个轴上添加EMI滤波器和/或分体式小型共模(CM)扼流圈来衰减EMI噪声。在某些实例中，公共EMI滤波器可以被放在靠近前端整流器功率模块的公共直流(DC)总线，和/或也可以在每个轴的DC端子上放置小型分体式CM扼流圈。因此，多个不同轴中的EMI问题可以从DC侧降低(例如，在输出到整流器104之后和驱动器140之前)，因为机器人设备内有公共DC总线，多个轴之间有短DC电缆，驱动器和电机之间有短交流电(AC)电缆，每个轴中有集成的电机/驱动器。此外，可以使用多个轴之间的相移开关控制来抑制漏电流。在这种示例中，可以有小的漏电流从多个轴返回到前端整流器功率模块侧的电力接地(PE)端子。因此，机器人设备/系统的安全性可以被提高。

在一些示例中，通过在靠近前端整流器功率模块的公共DC总线上添加一个公共EMI滤波器和/或在每个轴的DC端子上放置分体式小型共模(CM)扼流圈，EMI噪声可以被衰减到150千赫(kHz)到30兆赫(MHz)之间。因此，可以通过使用来自DC侧的滤波器/部件以解决多个轴中的EMI问题，因为机器人设备中有公共DC总线，多个轴之间有短DC电缆，驱动器和电机之间有短AC电缆，每个轴上有集成的电机驱动器。此外，通过简单的多个轴之间的相移开关控制可以抑制漏电流。在这种示例中，从多个轴返回到前端整流器功率模块侧上的PE端子的漏电流非常小。因此，机器人设备/系统的安全性可以被提高。机器人设备中多个轴之间的同步可以使用例如ETHERCAT的通信线路以执行或实现。

根据本公开，将EMI滤波器用于具有多个轴的机器人设备的示例性方面结合图中所示的示例性实施例被进一步阐明。示例性实施例图示了本公开的一些实施方式，并且不旨在限制本公开的范围。

在整个附图中，相同的附图标记指定相似但不一定相同的元件。这些附图不一定是按比例的，有些部分的大小可能会被夸大，以更清楚地图示所示的示例。此外，附图提供与描述一致的示例和/或实施方式；然而，描述不限于附图中提供的示例和/或实施方式。

在可能的情况下，本文中以单数形式表达的任何术语也意味着包括复数形式，反之亦然，除非另有明确说明。此外，如本文所用，术语“一”和/或“一个”应意指“一个或多个”，即使本文还使用短语“一个或多个”。此外，当本文所述某物是“基于的”其它时，它也可以是基于一个或多个其它的东西。换句话说，除非另外明确指示，如本文所用，“基于”意指“至少部分基于”或“至少部分地基于”。

图2是根据本公开的一个或多个实施例，描绘了具有被定位在电机、驱动器和负载212之前的EMI滤波器204的示例性机器人设备100的框图的示意图。

参考图2，机器人设备200包括电源和/或整流器201、LISN 202、EMI滤波器204、控制器206以及电机、驱动器和负载212。尽管机器人设备200内的实体作为单一实体可以在下文中描述和/或在图中描绘，但应当理解的是，本文所讨论的实体和功能可以由和/或包括一个或多个实体来实现。

电源和/或整流器201被配置为向LISN 202提供能量(例如，功率、电流和/或电压，例如DC功率、DC电流和/或DC电压)。电源和/或整流器201可以类似于和/或功能类似于图1A所示的电源102和整流器104。LISN 202是用于传导和辐射射频发射和敏感性试验的设备，并且可以类似于图1A中的LISN 106。

此外，与传统系统(例如，在图中1A-1D描述的现有技术系统)不同。机器人设备200包括EMI滤波器204，其被定位在LISN 202和电机、驱动器和负载212之间。换句话说，LISN202被耦合到或连接到EMI滤波器204，然后EMI滤波器204被耦合到或连接到电机、驱动器和负载212。EMI滤波器204可以包括小型分体式CM扼流圈208和/或公共EMI滤波器210(例如，总线滤波器)。例如，机器人设备200可以通过在公共DC总线添加一个EMI滤波器和/或在每个轴的DC端子上放置分体式小型共模(CM)扼流圈来将EMI噪声衰减到150kHz到30MHz之间。因此，本应用能够通过将EMI滤波器204放在DC侧(例如，在电机之前)来降低多个轴中的EMI，因为机器人设备200中有公共DC总线，多个轴之间有短DC电缆，驱动器和电机之间有短AC电缆，每个轴中有集成的电机驱动器。

机器人设备200还包括控制器206。控制器206被耦合到和/或连接到电机、驱动器和负载212。例如，控制器206可以有线连接到电机、驱动器和负载212。附加地和/或备选地，控制器206可以使用无线通信(例如，无线通信协议，例如WI-FI、BLU-TOOTH等)与电机、驱动器和负载212通信。控制器206可以向电机、驱动器和负载212提供指令或命令。此外，控制器206可以在多个轴之间使用相移开关控制来抑制和/或减小漏电流。例如，对于三轴(例如，x轴、y轴和z轴)机器人设备，控制器206可以同步时钟并执行相移开关，使得第一轴的驱动器可以在零度处向电机提供功率，第二轴的驱动器可以在120度处向电机提供功率，第三轴的驱动器可以在240度处向电机提供功率。通过使用相移开关控制，从多个轴返回到前端整流器功率模块侧的电力接地(PE)端子的漏电流非常低。因此，机器人设备200的安全性可以进一步提高。机器人设备200的多个轴之间的同步可以通过通信线路(例如ETHERCAT)实现。

图3示出了根据本公开的一个或多个实施例描绘示例性机器人设备200的电路和框图，并且将用于进一步描述机器人设备200如何降低漏电流和EMI噪声。参考图3，电源和/或整流器201被耦合到LISN 202。虚线被用于LISN 202、EMI滤波器204、驱动器332、驱动器334、第一轴328和第二轴330，以示出每个轴内的部件。例如，LISN 202包括电感器302、两个电容器304和306以及电阻器308。LISN 202可能是LISN 106的等效电路模型。LISN 202被连接到电力接地310(例如，接地电缆)以及EMI滤波器204。

如图2所示，EMI滤波器包括小型分体式共模(CM)扼流圈208和公共滤波器210。现在参考图3，公共EMI滤波器210可以包括CM扼流圈(例如，电感器314，其在一些实例中，可以在10毫亨利(mH)左右和/或以下)，X电容器(未在图3中示出)和/或被放置在公共DC总线(例如，总线312)上的Y电容器(例如，Y电容器316)。公共EMI滤波器210还可以包括电感器318(例如，杂散电感器)。CM扼流圈314是电滤波器，可以阻挡例如EMI噪声的噪声。例如，CM扼流圈314可以阻挡高频噪声，同时允许期望的DC信号/能量通过。X电容器被连接在DC+线和DC-线之间，以免受差分模式干扰。Y-电容器(例如，Y电容器316)被连接在线路和接地之间，以免受共模干扰。公共EMI滤波器210(例如，电感器314和/或电容器316)被定位在总线312上。换句话说，与图1A-图1D中所示的现有技术系统中的总线130不同，机器人设备200的总线312(在LISN 202和轴328，330之间)具有CM扼流圈314、X电容器和/或Y电容器，被配置用于降低EMI和/或抑制漏电流。

附加地和/或备选地，机器人设备200还可以包括用于轴328和330的每个轴的小型分体式CM扼流圈208。例如，在总线312之后，机器人设备200包括将总线312耦合/连接到不同轴的连接(例如，导线)。例如，连接320将总线312耦合到第一轴328，以及连接324将总线312耦合到第二轴330。轴328和330的每个轴还包括小型分体式CM扼流圈322和326，在某些示例中，可以在500纳亨利(nH)左右或以下。换句话说，小型分体式CM扼流圈208可以包括多个小型分体式CM扼流圈，并且机器人设备200的不同轴的每个轴包括不同的小型分体式CM扼流圈(例如，322和326)。为了简洁和清晰，只示出了两个轴328和330，但是如上所述，机器人设备200可以包括任意数量的轴，例如六轴机器人设备、十二轴机器人设备或具有更多个轴的机器人设备。机器人设备200内的不同的轴中的每个轴可以有自己的驱动器/电机组合。因此，这些不同轴的每个轴还可以有自己的小型分体式CM扼流圈。例如，对于六轴机器人设备200，小型分体式CM扼流圈208可以是六个独立的小型分体式CM扼流圈。这些小型分体式CM扼流圈的每个小型分体式CM扼流圈可以在机器人设备200的不同轴上，并被用于降低EMI噪声和/或抑制漏电流。

机器人设备200的第一轴328包括驱动器332和电机336，并且第二轴330包括驱动器334和电机338。驱动器322和334可以是图1B中所示驱动器140的等效电路模型。两个轴328和330还包括散热器(例如，散热器352和354)。此外，电机336和338被耦合到负载368和370。电机、负载、散热器和驱动器的功能如上所述。

在轴328和330内，包括电容器340、342、348、350、356、358。电容器340和342是在每个轴上的DC总线与电力接地310之间的寄生总线电容器。电容器348和350示出了在每个轴中的AC输出电缆和电力接地310之间的等效寄生电容。电容器356和358是在每个轴中的电机驱动器(例如，322和336)的底盘/框架和电力接地310之间的等效寄生电机电容器。还有图1B中的驱动器144的等效模型的两个备选电压源344和346。电机336和338是图1B中电机142的等效电机模型。还有两个电感器360和362(例如，杂散电感器)，是散热器352/354和电力接地310之间的寄生电感器。

机器人设备200还包括框架364，其阴影类似于图1B中的框架160。框架364包括多个电感器366。上述框架364和电感器366可以类似于上述框架160和电感器166来进行作用。

换句话说，如图2和图3所示的机器人设备200可以通过使用EMI滤波器204、控制器206和/或其它设备或部件来降低EMI噪声和/或抑制漏电流。例如，公共EMI滤波器210可以包括CM扼流圈(例如，电感器314)、X电容器和/或Y电容器(例如，Y电容器316)，并且被定位在总线(例如，总线312)上。Y电容器可以被放置在总线(例如，总线312)上的分体式CM扼流圈之前，以降低EMI噪声，并降低功率因数校正(PFC)模块的AC输入侧的漏电流。PFC可以是电源和/或整流器201，并且可以包括在DC+/DC-线上的一个点以及是电力接地的其它点。Y电容器316可以是等效Y电容器，其中它包括DC+和电力接地310之间的Y-cap和DC-和电力接地310之间的Y-Cap。附加地和/或备选地，机器人设备200包括直接连接到每个轴(例如，轴328和330)的集成电机驱动器的DC端子(例如，电机336和338的输入)的小型分体式CM扼流圈(例如，CM扼流圈322和326)，这有助于降低电机侧的漏电流和高频波段的EMI噪声。附加地和/或备选地，机器人设备200包括通过同步机器人设备200内的多个轴之间的时钟来执行相移开关控制的控制器206，当应用时，进一步降低EMI噪声和/或EMI滤波器的尺寸(例如，EMI滤波器204可以是单级而不是多级)。附加地和/或备选地，机器人设备200包括接地电缆(例如，电力接地310)，使得多个轴(例如，轴328和330)在单个点处被连接到电力接地310。电力接地310可以被定位在机器人设备200中的公共EMI滤波器210和分体式CM扼流圈208之间。这样，反馈到AC输入电源或整流器的漏电流小，并且可以确保系统的安全性。

应当理解的是，图2和图3所示的示例性机器人设备200只是示例，并且本文所讨论的原理也可以适用于其他设备—例如，包括具有附加轴和/或负载的其它类型的机器人设备或系统。

图4是根据本公开的一个或多个实施例的机器人设备200的示例性控制系统400的示意图。应当理解的是，图4中所示的控制系统400仅是示例和在本公开的范围内考虑的用于机器人设备200的控制系统400的附加的/备选的实施例。

控制系统400包括控制器206。控制器206不受任何特定硬件的约束，并且控制器的配置可以通过任何类型的编程(例如，嵌入式Linux)或硬件设计或两者的组合被实现。例如，控制器206可以由单个处理器构成，例如具有实现所述控制操作的对应的软件的通用处理器。另一方面，控制器206可以由专用硬件实现，例如ASIC(专用集成电路)、FPGA(现场可编程门阵列)、DSP(数字信号处理器)等。如上所述，控制器206可以提供信息(例如，指令和/或命令)以在机器人设备200的多个轴之间同步时钟和/或控制机器人设备200的电机/驱动器的相移开关。

控制器206与存储器408进行电气通信。存储器408可以是和/或包括计算机可用或计算机可读的介质，例如，但不是限于电子、磁、光、电磁、红外或半导体的计算机可读介质。计算机可读介质的更具体的示例(例如，非详尽的列表)可包括以下内容：具有一根或多根导线的电气连接；有形的介质，例如便携式计算机软盘、硬盘、时间相关存取存储器(RAM)、ROM、可擦除编程只读存储器(EPROM或闪存)、光盘只读存储器(CD_ROM)，或其他有形的光或磁性存储设备。存储器408可以存储对应的软件，例如计算机可读指令(代码、脚本等)。计算机指令是这样的，当由控制器206执行时，使控制器206控制控制系统400以降低EMI和/或抑制本文所述的漏电流。

控制系统400可以包括用于接收和/或提供各种输入和输出的输入/输出(I/O)设备406。例如，控制系统400可经由I/O设备406接收来自用户的外部通信并向用户发送外部通信。

控制器206可以使用通信接口402与环境或系统内的其它设备通信。例如，控制器206可以接收并向系统或环境内的其它设备(例如，其他机器人设备)和/或用户提供信息。

控制系统400还可以包括电机控制单元(MCU)410(本文也称为电机控制器)，例如，作为控制器20的一部分或单独的设备。MCU 410使用来自电机传感器412(例如，编码器)的反馈来控制电机驱动器332和334，使得提供对电机336和/或338的实时控制。因此，MCU 410接收用于控制电机336和/或338的指令(例如，接收来自控制器206的电机/致动器控制信号)，并结合来自电机传感器412的反馈信号，解释这些指令，以向电机驱动器332和/或334提供控制信号，用于电机336和/或338的准确和实时的控制(例如，发送电机/致动器驱动信号)。电机驱动器332和/或334将通过MCU 410通信的控制信号转换为用于驱动电机336和/或338的驱动信号(例如，向电机/致动器发送单独的操作信号)。在一些示例中，MCU 410与电气装置集成以直接控制电机336和/或338。

MCU 410可以被包括作为控制器206的一部分或是独立处理系统(例如，微处理器)。因此，就像控制器206一样，MCU 410不受任何特定硬件的约束，并且MCU的配置可以通过任何类型的编程或硬件设计或两者的组合来实现。

图5示出了根据本公开的一个或多个实施例使用机器人设备200的EMI滤波器204用于降低EMI噪声和抑制漏电流的过程500。该过程500可以由图2-图4中的机器人设备200执行。然而，应当认识到，可以以任何合适的顺序执行以下任何框图，并且可以在任何合适的机器人设备中执行该过程500。

在框502处，机器人设备(例如，机器人设备200)使用EMI滤波器(例如，EMI滤波器204)来降低机器人设备内的EMI和/或抑制漏电流。EMI滤波器被定位在整流器(例如，电源和/或整流器201)和多个驱动器和电机(例如，驱动器和电机332、334、336和338)之间。此外，多个驱动器和电机的每一个与不同的轴(例如，第一轴328或第二轴330)相关联。

在框504处，机器人设备使用控制器(例如，控制器206)来控制多个驱动器和电机的相移开关。控制器同步用于与不同的轴相关联的多个驱动器和电机的时钟。

下面提供的结果验证了使用EMI滤波器204、控制器206和/或过程500在降低EMI噪声和/或抑制漏电流方面对机器人设备200的改进。具体地，从电机到电力接地的等效寄生电容为每个轴900皮法拉(pF)左右。从驱动器到PE的等效寄生电容在每个轴中为150纳法拉(nF)左右，其中应用一个氮化镓(GaN)驱动器，其具有400伏(V)/高达600瓦(W)。开关频率为32kHz。EMI标准EN 55011第1组A类被使用以评估机器人设备200。

此外，提供了不同的测试条件来验证当前的应用，如下表1所示。给定机器人设备200的两个轴，在没有EMI解决方案下，可以有大量的漏电流从电机流向前端整流器功率模块，并且在每个轴中有严重的EMI噪声。当增加一个具有CM扼流圈电感器(例如，电感器314)和Y电容器(例如，电容器316)的公共EMI滤波器时，前端整流器功率模块的漏电流被显著降低，并且EMI噪声低于标准。通过在每个轴(例如，轴328和330)的DC侧(如电感322和/或324)添加小型分体式共模扼流圈电感器，漏电流下降了相当大的量。这些小型分体式共模扼流圈电感器(例如，322和/或324)还有助于降低更高频率范围(例如，MHz频率范围)的EMI噪声。此外，通过在两个轴上使能180度相移开关控制，漏电流显著降低，其中前端整流器功率模块的漏电流从8.5mA降低到.2mA。此外，还降低了EMI噪声。在下面的表1中，还可以看到具有三个轴的机器人设备，在多个轴之间具有不同的功率/速度。

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表1

除其它优点外，高压应用对于使用上述EMI和漏电流抑制技术、处理和设备的分布式电机驱动器的机器人设备是可行的。此外，高开关设备可以被用于提高功率密度和效率，高开关频率可以被实现降低电流纹波和转矩纹波，优化的EMI滤波器尺寸和配置可以降低成本和机器人设备内的空间要求，可以降低前端整流器功率模块的负担以抑制漏电流，可以降低电机侧的漏电流，有助于增强电机的使用寿命，简单的相移开关控制有助于降低EMI噪声和漏电流两者，和/或EMI滤波器可以被放置在DC侧，而没有要求放置在电机侧的ACEMI滤波器。在AC侧上没有EMI滤波器的优点可以是AC EMI滤波器通常比DC EMI滤波器大。尤其正确是在AC电机侧的AC EMI滤波器可以必须是三相EMI滤波器，以考虑驱动器的所有三相以及考虑通过EMI滤波器的高电流。在DC侧，DC EMI滤波器可以包括一个具有较低电流阈值的EMI滤波器。

本申请描述了一种机器人设备，其可以包括用于每个轴的集成电机驱动器。附加地和/或备选地，机器人设备可以具有集成的电机驱动器，被定位在总线(例如，DC总线)上的一个或多个公共EMI滤波器，其中包括一个或多个共模扼流圈和/或Y电容器(例如，两个Y电容器)，被定位在每个轴的DC侧的一个或多个分体式共模扼流圈，来自每个轴的电力接地电缆被连接到EMI滤波器之前的单个点。用于多个轴操作的交错开关控制，和/或在机器人设备的多个轴之间切换时钟，时钟由通信线路(例如ETHERCAT)同步。

图6-图8图示了根据本公开的一个或多个实施例用于降低EMI和/或抑制漏电流的EMI滤波器的附加和/或备选示例。例如，图6示出了被定位在LISN 202和电机、驱动器和负载212之间的二级滤波器。例如，二级滤波器602被定位在电机、驱动器和负载212的单独连接之前的总线(例如，312)上。二级滤波器602可以包括两个Y电容器606、两个小型分体式扼流圈604(例如，两个电感器)和另外两个电感器608(例如，杂散电感器)。换句话说，公共EMI滤波器210可以是二级滤波器。此外，机器人设备200可以包括公共EMI滤波器210以及小型分体式扼流圈208。例如，如图所示，小型分体式扼流圈208被示出为电感器610。在一些变型中，机器人设备200可以只包括二级过滤器602(例如，没有小型分体式扼流圈610)。

图7示出了通过使用小型CM扼流圈和一个或多个小型Y电容器(例如，两个Y电容器)来增强的小型分体式CM扼流圈208。例如，对于机器人设备的每个轴(例如，在连接320和/或324上)，机器人设备200可以包括具有两个小型Y电容器的小型CM扼流圈。如图所示，机器人设备可以包括公共EMI滤波器210(例如，机器人设备的总线上的小型分体式CM扼流圈704、杂散电感器708和Y电容器706)。对于到不同电机、驱动器和负载212的单独连接中的每个单独连接，机器人设备200可以包括小型分体式CM扼流圈208(如电感器710所示)。此外，机器人设备200还可以包括一个或多个用于进一步降低漏电流和/或EMI噪声的小型Y电容器712。

图8示出了另一个实施例，其中EMI公共滤波器210内的Y电容器由每个轴中的一个或多个小型Y电容器代替。例如，公共单级EMI滤波器210中的Y电容器(例如，电容器316)可以在分体式CM扼流圈之前由每个轴上的两个小型Y电容器代替。如图所示，机器人设备可以包括没有Y电容器的公共EMI滤波器210(例如，机器人设备的总线上的小型分体式CM扼流圈804和杂散电感器808)。对于与不同电机、驱动器和负载212的单独连接中的每个单独连接，机器人设备200可以包括小型分体式CM扼流圈208(如电感器810所示)。此外，机器人设备200还可以包括用于进一步降低漏电流和/或EMI噪声的一个或多个小型Y电容器812。

虽然本发明的实施例已在附图和上述描述中进行了详细图示和描述，但这种图示和描述应被认为是说明性的或示例性的，而不是限制性的。应当理解的是，普通技术人员可以在下列权利要求的范围内进行更改和修改。特别是，本发明涵盖具有来自上面和下面描述的不同实施例的特征的任何组合的进一步实施例。例如，运动学、控制、电气、安装和用户界面子系统的各种实施例可以互换使用而不脱离本发明的范围。此外，本文所作的描述本发明特征的陈述是指本发明的一个实施例，而不一定是所有实施例。

权利要求书中使用的术语应被解释为具有与上述描述一致的最广泛的合理解释。例如，在引入元件时使用冠词“一”或“该”不应被解释为排除多个元件。同样地，对“或”的表述应被解释为具有包容性，使得，对“A或B”的表述就不排除“A和B”，除非从“或”中可以清楚地看出上下文或前面的描述，只有A和B中的一个是有意的。此外，“A、B和C的至少一个”的陈述应该被解释为由A、B和C组成的一组元件中的一个或多个，而不应该被解释为要求列出的元件A、B和C中每个的至少一个，无论A、B和C是否作为类别相关或其它相关。此外，“A、B和/或C”或“A、B或C中的至少一个”的陈述应被解释为包括来自所列元件的任何单一实体(例如A)，来自所列元件的任何子集(例如A和B)，或元件A、B和C的整个列表。