手術(shù)動(dòng)力裝置微電機(jī)的測功機(jī)的研究

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

隨著我國臨床醫(yī)學(xué)的發(fā)展，手術(shù)動(dòng)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(dòng)力裝置需具有尺寸小，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，轉(zhuǎn)速精確可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。手術(shù)動(dòng)力裝置所選用電機(jī)與動(dòng)力設(shè)備匹配之前，都需經(jīng)過測功機(jī)進(jìn)行動(dòng)力測試，因手術(shù)動(dòng)力裝置的微型電機(jī)要求轉(zhuǎn)速高而轉(zhuǎn)矩精確等特點(diǎn)，市場上沒有適合手術(shù)動(dòng)力裝置微型電機(jī)的測功機(jī)，所以對(duì)手術(shù)動(dòng)力裝置微型電機(jī)的測功機(jī)研究就顯得尤為重要。
手術(shù)動(dòng)力裝置微電機(jī)的測功機(jī)由被測電機(jī)、加載器、多種傳感器、單片機(jī)、上位機(jī)及驅(qū)動(dòng)電路等組成。其中，加載器是一臺(tái)他勵(lì)直流電機(jī)；被測電機(jī)與加載器用聯(lián)軸器相連；數(shù)據(jù)采集采用STC12C5A60S2單片機(jī)，它采集被測電機(jī)和加載器的信號(hào)，并傳遞給計(jì)算機(jī)，并接受計(jì)算機(jī)處理之后信號(hào)用以驅(qū)動(dòng)被測電機(jī)和加載器；上位機(jī)應(yīng)用程序完成啟動(dòng)、停止整個(gè)系統(tǒng)、處理和傳遞參數(shù)給單片機(jī)，以及模糊控制PID算法的運(yùn)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(diǎn)，達(dá)到良好的控制效果。

1 手術(shù)動(dòng)力裝置微電機(jī)的測功機(jī)的硬件設(shè)計(jì)
整個(gè)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(jī)最小系統(tǒng)、電子負(fù)載加載電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(fù)載加載電路
為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測試采用自動(dòng)加載模塊，它主要給被測電機(jī)自動(dòng)加負(fù)載，具體采用電樞外接電阻的自動(dòng)調(diào)節(jié)模塊。此時(shí)勵(lì)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(dá)到改變電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的目的。為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)，負(fù)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(jī)的定子和轉(zhuǎn)子同時(shí)架空，電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，電磁力對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)的力矩，同時(shí)也向定子施加一個(gè)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(jì)算出轉(zhuǎn)子所受到的力矩了。根據(jù)測試電機(jī)的力矩范圍，這里選取6 kg的力傳感器，并用集成運(yùn)放AD620對(duì)其輸出信號(hào)進(jìn)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(jī)驅(qū)動(dòng)電路
其中被測無刷直流電機(jī)型號(hào)是portescap生產(chǎn)的B0610-024A-R00電機(jī)，此電機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(yùn)算放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。