近年來，由于永磁(ci)材料、電(dian)力電(dian)子(zi)和控制技術(shu)等的發展，使得(de)稀土永磁(ci)無刷電(dian)機成本進一(yi)步(bu)下降，而(er)性能則大幅提高，其應用(yong)逐漸(jian)向(xiang)軍用(yong)、民用(yong)各領(ling)域(yu)滲透(tou)。在(zai)醫療器(qi)械(xie)行(xing)業(ye)，醫用(yong)牙科座椅驅(qu)動機構正由直線(xian)式(shi)取代旋轉式(shi)。

稀土(tu)永(yong)磁(ci)(ci)無刷直流電動(dong)機(ji)由于具有效率高、性(xing)能好、結構(gou)簡單(dan)、散(san)熱容(rong)易(yi)、噪(zao)聲小(xiao)、安全(quan)可靠(kao)、無須維修、壽命長等特點，恰可以滿足醫用行業(ye)對醫療器械安全(quan)性(xing)、效率、輕便性(xing)、清潔性(xing)、電磁(ci)(ci)干(gan)擾等方面的(de)特殊要求。因此，以稀土(tu)永(yong)磁(ci)(ci)無刷電機(ji)驅動(dong)的(de)直線式驅動(dong)機(ji)構(gou)代(dai)替有刷電機(ji)驅動(dong)機(ji)構(gou)和(he)單(dan)相交(jiao)流異步電機(ji)驅動(dong)機(ji)構(gou)，具有良好的(de)社會(hui)意義及(ji)廣闊的(de)市場前景。

本文闡述(shu)一(yi)種(zhong)牙科座(zuo)椅用(yong)數字式稀(xi)土永磁無刷直(zhi)流電機驅(qu)(qu)動系(xi)統(tong)方案，包括電機、控制器、驅(qu)(qu)動及軟(ruan)件部(bu)分。該系(xi)統(tong)還可廣泛應(ying)用(yong)于電動床和其(qi)它類(lei)型(xing)電動座(zuo)椅的(de)驅(qu)(qu)動，在醫(yi)院(yuan)、療養(yang)院(yuan)及家庭等領域市場潛力很大(da)。

系統原理及其組成

圖1 系統原理圖

電動牙(ya)科座椅(yi)具(ju)有兩(liang)個自(zi)(zi)由度，俯仰和(he)升降(jiang)。本伺服系統采用兩(liang)臺稀土永磁無刷直流電動機(ji)(ji)作為(wei)(wei)運動控制主部件(jian)，針對兩(liang)個自(zi)(zi)由度分別給以驅動。如圖1所示，電機(ji)(ji)A為(wei)(wei)俯仰電機(ji)(ji)，電機(ji)(ji)B為(wei)(wei)升降(jiang)電機(ji)(ji)。

電機控制部分僅采用一片DSP（數字信號處理器）芯片TMS320LF2407A實現對兩臺無刷電機的控制，充分利用了DSP豐富的片上資源,對兩臺電機的PWM輸入全部采用DSP提供,省去了邏輯芯片,提高了系統的可靠性。通過SPI片內串行外設擴展了存儲器芯片，采用FRAM(非易失性存儲器)具有掉電保護功能,實現在關電的情況下對電動座椅的位置的記憶。

電機

電(dian)(dian)機(ji)額定(ding)功率(lv)為(wei)55W，額定(ding)電(dian)(dian)壓(ya) 24 V，工作狀(zhuang)態為(wei)短時運行，額定(ding)轉速1800rpm，設(she)計(ji)模式按(an)方波設(she)計(ji)，電(dian)(dian)機(ji)為(wei)十二槽(cao)(cao)兩對極。槽(cao)(cao)形(xing)(xing)為(wei)梯形(xing)(xing)口扇形(xing)(xing)槽(cao)(cao)，繞組形(xing)(xing)式為(wei)三相星(xing)形(xing)(xing)六狀(zhuang)態，槽(cao)(cao)滿率(lv)為(wei)52%，轉子(zi)磁(ci)鋼(gang)采用粘結(jie)釹鐵硼，徑(jing)向充磁(ci)。磁(ci)鋼(gang)具體參數如(ru)下： Br>6000Gs,Hc>5000Oe,[BH]max>8MG·Oe,Hjc>10000Oe。

電機總裝圖如圖2所示：

圖2 電機總裝圖

有限元分(fen)析中，電(dian)機(ji)實際電(dian)磁(ci)(ci)轉矩為0.2394N·m。電(dian)機(ji)磁(ci)(ci)通(tong)、磁(ci)(ci)感應(ying)強(qiang)度等參數的(de)分(fen)布(bu)情況如圖(tu)3、圖(tu)4所示(shi)。從圖(tu)4可以(yi)看出，電(dian)機(ji)氣隙磁(ci)(ci)感應(ying)強(qiang)度分(fen)布(bu)基本呈方(fang)波分(fen)布(bu)，求(qiu)平均值(zhi)基本與(yu)電(dian)磁(ci)(ci)方(fang)案設(she)計結(jie)果相符(fu)。

控制器

本控(kong)制器主控(kong)單(dan)元采用(yong)TI公(gong)司的DSP芯片TMS320LF2407A，主控(kong)單(dan)元需要檢測(ce)電機的電流信號(hao)和轉(zhuan)子位置信號(hao)，并為驅(qu)動(dong)板(ban)提供六路(lu)PWM驅(qu)動(dong)信號(hao)，因此(ci)，控(kong)制一(yi)個無刷直流電動(dong)機，需要6個PWM輸出，一(yi)路(lu)ADC轉(zhuan)換(huan)，三個捕獲單(dan)元。

對于(yu)TMS320LF2407A 處理(li)器，由于(yu)其有(you)兩個(ge)(ge)事件(jian)(jian)管理(li)器（EVA和EVB），每個(ge)(ge)事件(jian)(jian)管理(li)器都(dou)有(you)3個(ge)(ge)捕獲單元并可以輸出6路PWM，所以該芯(xin)片(pian)可以同時直接為(wei)兩臺無刷直流(liu)電動機(ji)提(ti)供控制(zhi)(zhi)信號(hao)。如圖1所示。由于(yu)控制(zhi)(zhi)芯(xin)片(pian)外圍電路較(jiao)為(wei)成熟，但其具有(you)較(jiao)大的(de)程序存儲(chu)器，因此(ci)，相對于(yu)硬(ying)件(jian)(jian)而(er)言，要實現針對電機(ji)的(de)靈活控制(zhi)(zhi)，著重從軟件(jian)(jian)方面(mian)入(ru)手。

驅動

本電(dian)(dian)機(ji)(ji)控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)系統的(de)驅(qu)動環(huan)節電(dian)(dian)路采(cai)用(yong)(yong)(yong)全橋結構，通(tong)(tong)過對六個功率元(yuan)件的(de)開、關的(de)控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)，對電(dian)(dian)機(ji)(ji)電(dian)(dian)壓、電(dian)(dian)流(liu)(liu)波形(xing)進行調(diao)制(zhi)(zhi)(zhi)。通(tong)(tong)過利用(yong)(yong)(yong) TMS320LF2407A內含(han)的(de)四個各(ge)自獨立的(de) 16位通(tong)(tong)用(yong)(yong)(yong)定時器、六個全比較器實(shi)現電(dian)(dian)機(ji)(ji)電(dian)(dian)壓的(de)PWM調(diao)制(zhi)(zhi)(zhi)。TMS320LF2407A內含(han)可(ke)編(bian)程死區(qu)控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)，六個全比較器中的(de)任何一(yi)個與通(tong)(tong)用(yong)(yong)(yong)定時器、死區(qu)控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)單元(yuan)一(yi)起用(yong)(yong)(yong)于產(chan)生一(yi)對有可(ke)編(bian)程死區(qu)和輸(shu)出(chu)極性的(de)PWM輸(shu)出(chu)。共有十二路這樣(yang)的(de)PWM輸(shu)出(chu)。每六個輸(shu)出(chu)可(ke)以用(yong)(yong)(yong)來控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)無刷直流(liu)(liu)電(dian)(dian)機(ji)(ji)，實(shi)現DSP對兩臺(tai)電(dian)(dian)機(ji)(ji)的(de)控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)。

圖5 功率主電路

控(kong)制系統功(gong)率(lv)(lv)主電(dian)路如圖5。選用IRF540功(gong)率(lv)(lv)管(guan)，該(gai)器件(jian)最(zui)高工作電(dian)壓為100V，最(zui)大(da)工作電(dian)流(liu)(liu)28A，最(zui)大(da)功(gong)率(lv)(lv)損耗150W，完全(quan)滿足(zu)該(gai)系統功(gong)率(lv)(lv)要求；續(xu)流(liu)(liu)二(er)(er)極管(guan)D1～D6選用快(kuai)恢二(er)(er)極管(guan)；電(dian)容C1～C3用來吸收直流(liu)(liu)母線(xian)上(shang)的(de)(de)尖(jian)峰電(dian)壓，防止過(guo)(guo)高的(de)(de)母線(xian)電(dian)壓擊穿功(gong)率(lv)(lv)管(guan)；電(dian)阻R2用來檢測(ce)電(dian)機的(de)(de)直流(liu)(liu)母線(xian)上(shang)電(dian)流(liu)(liu)，防止電(dian)機過(guo)(guo)流(liu)(liu)發生(sheng)故障，該(gai)過(guo)(guo)流(liu)(liu)信號(hao)Isence經過(guo)(guo)處理(li)后輸(shu)入到功(gong)率(lv)(lv)橋的(de)(de)前級驅(qu)動芯片和DSP處理(li)器中，在過(guo)(guo)流(liu)(liu)時(shi)可以及時(shi)封鎖門極驅(qu)動信號(hao)。

功(gong)率(lv)(lv)管的前(qian)級驅(qu)(qu)(qu)(qu)動(dong)采用IR公(gong)司的電機驅(qu)(qu)(qu)(qu)動(dong)芯片(pian)IR2130，該芯片(pian)集驅(qu)(qu)(qu)(qu)動(dong)、死區、過流保護等功(gong)能與(yu)一(yi)體，使用單電源(yuan)即可(ke)完成六(liu)只功(gong)率(lv)(lv)管的驅(qu)(qu)(qu)(qu)動(dong)，使用時極為方便，特別適合于小功(gong)率(lv)(lv)驅(qu)(qu)(qu)(qu)動(dong)領域。

軟件

根據(ju)定義(yi)的功能，軟件分為如下幾(ji)大(da)模(mo)塊：

1. 初(chu)(chu)始化模(mo)塊(kuai)(kuai)：主程序初(chu)(chu)始化模(mo)塊(kuai)(kuai)（_c_int0），EVA初(chu)(chu)始化模(mo)塊(kuai)(kuai)（EVA_INIT），EVB初(chu)(chu)始化模(mo)塊(kuai)(kuai)（EVB_INIT）；

2. 電(dian)機(ji)啟(qi)動模塊：電(dian)機(ji)A啟(qi)動模塊（MOTORA_START），電(dian)機(ji)B啟(qi)動模塊（MOTORB_START）；

3. 換向(xiang)模塊：電(dian)機(ji)A換向(xiang)模塊（COMMUTATION_A），電(dian)機(ji)B換向(xiang)模塊（COMMUTATION_B）；

4. 霍爾信(xin)號捕獲(huo)模(mo)塊(kuai)(kuai)：電機A的霍爾信(xin)號捕獲(huo)模(mo)塊(kuai)(kuai)（CAPIN_A），電機B的霍爾信(xin)號捕獲(huo)模(mo)塊(kuai)(kuai)（CAPIN_B）；

5. 鍵盤(pan)分析(xi)模塊(kuai)(kuai)：電機A的鍵盤(pan)輸入(ru)分析(xi)模塊(kuai)(kuai)（KEY_ANALYSE_A），電機B的鍵盤(pan)輸入(ru)分析(xi)模塊(kuai)(kuai)（KEY_ANALYSE_B）；

6. PID調節模(mo)塊（_PID），位置(zhi)記憶模(mo)塊（REM）。

圖6 軟件主流程圖

軟件主體采用工程上流行的模塊化順序結構，霍爾信號捕獲和PID調節采用中斷控制方式。圖6為系統軟件流程圖。其中圖6（a）為系統主程序流程圖，主要實現系統初始化以及兩個電機運行狀態的讀取和設置，系統初始化完成對DSP系統寄存器、I/O端口、以及系統中斷的設置，兩個電機的運行狀態的獲得由鍵盤分析模塊獲得，根據得到的狀態，決定電機是處于運行、啟動或是停轉狀態。電機運行狀態由全局變量RUN_STATE_A和RUN_STATE_B表示，088H表示電機處于運行狀態，00H表示電機啟動，0FFH表示電機停轉。

軟(ruan)件中(zhong)(zhong)(zhong)電(dian)機(ji)換向和PID速度(du)調節都采用中(zhong)(zhong)(zhong)斷(duan)(duan)控制(zhi)的方式。圖(tu)6（b）是電(dian)機(ji)逆(ni)變器(qi)換向流程圖(tu)，該中(zhong)(zhong)(zhong)斷(duan)(duan)子程序各模塊完成霍爾位置信號(hao)的捕獲(huo)、逆(ni)變器(qi)換向、速度(du)計算三個主要功能，使電(dian)機(ji)正常運行，并為PID速度(du)調節提供了速度(du)反饋值。圖(tu)6（c）為電(dian)機(ji)PID調節中(zhong)(zhong)(zhong)斷(duan)(duan)流程圖(tu)，PID中(zhong)(zhong)(zhong)斷(duan)(duan)調節的中(zhong)(zhong)(zhong)斷(duan)(duan)信號(hao)由內部軟(ruan)件產生(sheng)。

結論

隨著技(ji)術不(bu)斷發展，成本不(bu)斷降低，稀(xi)土(tu)永(yong)磁無刷直(zhi)流(liu)電(dian)(dian)機(ji)(ji)在醫療(liao)領域的應用將會進一步得(de)到普及(ji)。將稀(xi)土(tu)永(yong)磁無刷直(zhi)流(liu)電(dian)(dian)機(ji)(ji)與DSP控制(zhi)技(ji)術相結(jie)合(he)，是無刷電(dian)(dian)機(ji)(ji)的一個(ge)重要發展方向。本文(wen)介紹的電(dian)(dian)動(dong)(dong)(dong)牙科座椅(yi)驅動(dong)(dong)(dong)系(xi)統(tong)采用稀(xi)土(tu)永(yong)磁無刷直(zhi)流(liu)電(dian)(dian)機(ji)(ji)，以DSP為主控芯片，具有(you)全數字(zi)控制(zhi)、位(wei)置(zhi)記憶、過壓過流(liu)保護等功(gong)能，在電(dian)(dian)動(dong)(dong)(dong)座椅(yi)驅動(dong)(dong)(dong)系(xi)統(tong)領域當中具有(you)廣闊的前景。