醫(yī)學(xué)治療儀專(zhuān)用變頻器系統(tǒng)的研制

1前言

醫(yī)學(xué)治療儀的服務(wù)對(duì)象是人，由此決定了對(duì)其傳動(dòng)控制系統(tǒng)要求的嚴(yán)格性，尤其是用于治療頸椎病和腰椎間盤(pán)突出癥的治療設(shè)備，對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的安全性和準(zhǔn)確性提出了更高的要求：絕對(duì)不允許失速，不允許越位，且停車(chē)準(zhǔn)確。同時(shí)為了簡(jiǎn)化機(jī)械部分的設(shè)計(jì)及減少相關(guān)的傳感器，從機(jī)電一體化的原則考慮，將大部分控制功能由電氣控制來(lái)完成。

治療儀傳動(dòng)系統(tǒng)要求電機(jī)轉(zhuǎn)速控制在100～250r/min之間，再通過(guò)50∶1的機(jī)械減速器減速，傳動(dòng)扭矩>1.5Nm。擺動(dòng)幅度要求為頸椎：±30°～±60°;腰椎:±60°～±100°；起終點(diǎn)均應(yīng)控制在中心位置。轉(zhuǎn)速及擺幅均應(yīng)根據(jù)具體病例可調(diào)。

2智能化全數(shù)字式專(zhuān)用變頻器的設(shè)計(jì)

（1）考慮到醫(yī)學(xué)治療儀的特殊要求，為了提高變頻器的工作可靠性和控制精度，采用智能化數(shù)字化設(shè)計(jì)，同時(shí)也結(jié)合小型化的特點(diǎn)，主功率器件采用日本三菱電機(jī)的IGBT智能功率模塊（IPM）PM20CSJ060。輸入為單相220V交流，經(jīng)單相全橋整流器整流后供給智能功率模塊，輸出為三相220V交流，接0.5kW三相異步電動(dòng)機(jī)（改為△接法）。

（2）采用INTEL公司的16位單片機(jī)80C196KC作為系統(tǒng)CPU，它具有運(yùn)算速度快,精度高,指令功能強(qiáng)等特點(diǎn)。并帶有8路10位A/D轉(zhuǎn)換器，可以完成模擬量和數(shù)字量信號(hào)的檢測(cè)?？刂七\(yùn)算及數(shù)據(jù)處理，保護(hù)功能的邏輯判斷，給PWM產(chǎn)生電路SA4828送設(shè)定和控制數(shù)據(jù)，以及管理鍵盤(pán)和數(shù)碼顯示等功能。

（3）SPWM波發(fā)生器采用英國(guó)MITEL公司的增強(qiáng)型運(yùn)動(dòng)控制大規(guī)模集成電路SA4828。該芯片作為一種獨(dú)立于微處理器的外設(shè)形式工作，但它可以受控于任何類(lèi)型的微處理器而幾乎不需要附加任何邏輯電路。管腳的配置使其能適用于大部分總線格式，包括復(fù)用的地址/數(shù)據(jù)總線格式和RD/WR或R/W控制模式。由于僅在改變運(yùn)行狀態(tài)時(shí)需要微處理器的介入，因此工作時(shí)芯片幾乎不占用CPU的資源。

SA4828采用全數(shù)字化操作，載波頻率可達(dá)24kHz。內(nèi)部ROM中存有三種可選的輸出電源波形，諧波抑制技術(shù)可減少功率器件的損耗。16位頻率控制精度，三個(gè)獨(dú)立的幅值寄存器可進(jìn)行三相不平衡補(bǔ)償。利用SA4828設(shè)計(jì)的變頻器硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 采用SA4828的變頻器硬件結(jié)構(gòu)框圖

3SA4828的功能特點(diǎn)及工作原理

3.1SA4828管腳圖及管腳功能說(shuō)明

SA4828管腳圖如圖2所示。管腳功能說(shuō)明見(jiàn)表1。

圖2 SA4828管腳圖

表1 SA4828管腳說(shuō)明

3.2SA4828內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖及工作原理

圖3為SA4828的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖，從圖中可以看到SA4828主要由三部分構(gòu)成：

（1）接收并存儲(chǔ)微處理器命令(控制字)的部分,它主要由總線控制、總線譯碼、暫存器R0、R1…R5，虛擬寄存器R14、R15及32位初始化寄存器和48位控制寄存器構(gòu)成；

（2）從波形ROMS讀取調(diào)制波形的部分，它由地址發(fā)生器和波形解壓縮緩沖器構(gòu)成；

（3）三相輸出控制電路及輸出脈沖鎖存電路，每相輸出控制電路又由脈沖刪除電路和脈沖延遲電路組成。

圖3 SA4828芯片內(nèi)部框圖

SA4828芯片具有并行的接口與微處理器進(jìn)行通信。該接口和幾乎所有工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的微處理器諸如8051、8096、6805、68000和TMS320等兼容而不需要考慮總線的寬度及增加額外的邏輯電路。大多數(shù)的數(shù)據(jù)總線結(jié)構(gòu)可分為復(fù)用地址/數(shù)據(jù)總線和獨(dú)立的地址/數(shù)據(jù)總線，而大部分的微處理器不是WR/RD結(jié)構(gòu)就是R/W結(jié)構(gòu)；而該芯片設(shè)計(jì)成可以與上述四種組合中的任一種配合使用。通過(guò)一個(gè)配置引腳（MUX）和一個(gè)寄存器選擇引腳（RS）的狀態(tài)來(lái)區(qū)別所有的總線格式。

更重要的是，在系統(tǒng)異常情況（過(guò)流或過(guò)壓）下，一個(gè)緊急關(guān)斷輸入（SETTRIP）能不受微處理器的控制而迅速關(guān)斷所有的PWM輸出，這很好地解決了變頻器的快速保護(hù)，避免了因CPU中斷服務(wù)指令周期所造成的延誤。

3.3SA4828芯片的控制功能

對(duì)SA4828芯片的控制是通過(guò)微處理器接口將數(shù)據(jù)送入內(nèi)部的兩個(gè)寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。它們是初始化寄存器和控制寄存器。

初始化寄存器用于設(shè)定和電機(jī)及逆變器有關(guān)的一些基本參數(shù)，這些參數(shù)在電機(jī)工作前就被初始化，并且在電機(jī)工作時(shí)一般不允許改變。

控制寄存器在電機(jī)工作過(guò)程中控制脈寬調(diào)制波的狀態(tài)，從而進(jìn)一步控制電機(jī)的運(yùn)行，比如轉(zhuǎn)速，正/反轉(zhuǎn)，起動(dòng)和停止等。通常在電機(jī)工作時(shí)寄存器的內(nèi)容經(jīng)常被改寫(xiě)以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的實(shí)時(shí)控制。

由于受到8位數(shù)據(jù)接口的限制，數(shù)據(jù)需首先讀入六個(gè)臨時(shí)寄存器R0、R1…R5中，這些數(shù)據(jù)隨即被送入相應(yīng)的初始化寄存器或控制寄存器。新的數(shù)據(jù)只有在寫(xiě)入對(duì)應(yīng)的寄存器中時(shí)才能真正地發(fā)揮作用。

數(shù)據(jù)的傳送是通過(guò)寫(xiě)入虛擬寄存器的操作來(lái)實(shí)現(xiàn)的。如寫(xiě)寄存器R14是將初始化數(shù)據(jù)傳送到初始化寄存器中，寫(xiě)寄存器R15則是將控制數(shù)據(jù)傳送到控制寄存器中。由于R14、R15并不是實(shí)際的寄存器，因此什么數(shù)據(jù)被寫(xiě)入并不重要，往這里寫(xiě)數(shù)據(jù)的操作才真正執(zhí)行往初始化寄存器或控制寄存器中傳送數(shù)據(jù)的操作。