手術(shù)動力裝置微電機的測功機的研究

摘要：手術(shù)動力裝置是臨床的重要器械，它的電機的性能直接關(guān)系到病患的生命，所以對手術(shù)動力裝置微電機的測功機的研究就顯得尤為重要。基于windows平臺，以STC單片機為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，配合必要的傳感器和驅(qū)動電路及信號調(diào)理電路，應(yīng)用模糊控制PID算法，開發(fā)手術(shù)動力裝置微型電機的測功機主控系統(tǒng)。該系統(tǒng)完成了數(shù)據(jù)采集、處理、顯示和報警等功能。
關(guān)鍵詞：測功機；單片機；模糊控制；手術(shù)動力裝置

隨著我國臨床醫(yī)學(xué)的發(fā)展，手術(shù)動力裝置成為臨床手術(shù)中重要的器械之一。一般要求手術(shù)動力裝置需具有尺寸小，轉(zhuǎn)矩脈動小，轉(zhuǎn)速精確可調(diào)等優(yōu)點。手術(shù)動力裝置所選用電機與動力設(shè)備匹配之前，都需經(jīng)過測功機進行動力測試，因手術(shù)動力裝置的微型電機要求轉(zhuǎn)速高而轉(zhuǎn)矩精確等特點，市場上沒有適合手術(shù)動力裝置微型電機的測功機，所以對手術(shù)動力裝置微型電機的測功機研究就顯得尤為重要。
手術(shù)動力裝置微電機的測功機由被測電機、加載器、多種傳感器、單片機、上位機及驅(qū)動電路等組成。其中，加載器是一臺他勵直流電機；被測電機與加載器用聯(lián)軸器相連；數(shù)據(jù)采集采用STC12C5A60S2單片機，它采集被測電機和加載器的信號，并傳遞給計算機，并接受計算機處理之后信號用以驅(qū)動被測電機和加載器；上位機應(yīng)用程序完成啟動、停止整個系統(tǒng)、處理和傳遞參數(shù)給單片機，以及模糊控制PID算法的運行。模糊PID控制算法克服了模糊控制精度不高和存在靜態(tài)余差的缺點，達到良好的控制效果。

1 手術(shù)動力裝置微電機的測功機的硬件設(shè)計
整個系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)主要包括STC12C5A60S2單片機最小系統(tǒng)、電子負載加載電路、電機驅(qū)動電路、倍頻電路、放大電路、電壓處理電路和串口通信電路等。

1．1 電子負載加載電路
為了實現(xiàn)自動測試采用自動加載模塊，它主要給被測電機自動加負載，具體采用電樞外接電阻的自動調(diào)節(jié)模塊。此時勵磁磁場不變，改變電樞外接電阻來調(diào)節(jié)電樞電流，從而達到改變電機負載轉(zhuǎn)矩的目的。為了實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)，負載使崩電子可調(diào)電阻，采用PWM控制。
1．2 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量
轉(zhuǎn)矩測量采用定子轉(zhuǎn)矩法，即把電機的定子和轉(zhuǎn)子同時架空，電機旋轉(zhuǎn)時，電磁力對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)的力矩，同時也向定子施加一個大小相等，且方向相反的反作用力矩。通過力傳感器測得定子的受力，就能計算出轉(zhuǎn)子所受到的力矩了。根據(jù)測試電機的力矩范圍，這里選取6 kg的力傳感器，并用集成運放AD620對其輸出信號進行放大。
轉(zhuǎn)速測量采用的是WTK-10凹槽型光電傳感器，傳感器的相關(guān)電路在內(nèi)部，直接開關(guān)量輸出，檢測頻率為1 kHz，測速采用6縫隙測速碼盤。
1．3 無刷電機驅(qū)動電路
其中被測無刷直流電機型號是portescap生產(chǎn)的B0610-024A-R00電機，此電機轉(zhuǎn)子的材料為永磁磁鋼，電樞繞組放置在定子上。通過永磁磁場和電樞磁場之間的作用，從而產(chǎn)生連續(xù)的轉(zhuǎn)矩來保證電機的連續(xù)工作。其中永磁磁場由轉(zhuǎn)子磁鋼定子產(chǎn)生，電樞磁場由定子繞組產(chǎn)生。電機的電子換相部分采用繞組導(dǎo)通120°電角度、三相橋式控制方式，電機本體的定子采用星型連接方式的系統(tǒng)比較合適。電路圖如圖2所示。

1．4 其他電路
多路開關(guān)采用CD4051，電壓處理電路采用AD620運算放大器對信號進行處理。