手術動力裝置微電機的測功機的研究

趙志強 ， 廖 程 ， 沈 巍 ， 鄭國維

（1.重慶郵電大學 生物醫學研究中心，重慶 400065；2.重慶醫科大學 附屬第二醫院，重慶 400010）

隨著我國臨床醫學的發展，手術動力裝置成為臨床手術中重要的器械之一。一般要求手術動力裝置需具有尺寸小，轉矩脈動小，轉速精確可調等優點。手術動力裝置所選用電機與動力設備匹配之前，都需經過測功機進行動力測試，因手術動力裝置的微型電機要求轉速高而轉矩精確等特點，市場上沒有適合手術動力裝置微型電機的測功機，所以對手術動力裝置微型電機的測功機研究就顯得尤為重要。

手術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軸器相連；數據采集采用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動被測電機和加載器；上位機應用程序完成啟動、停止整個系統、處理和傳遞參數給單片機，以及模糊控制PID算法的運行[1-2]。模糊PID控制算法克服了模糊控制精度不高和存在靜態余差的缺點，達到良好的控制效果。

1 手術動力裝置微電機的測功機的硬件設計

整個系統硬件結構如圖1所示，系統主要包括STC12C5 A60S2單片機最小系統、電子負載加載電路、電機驅動電路、倍頻電路、放大電路、電壓處理電路和串口通信電路等。

圖1 系統硬件結構圖Fig.1 Hardware structure of the system

1.1 電子負載加載電路

為了實現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節模塊。此時勵磁磁場不變，改變電樞外接電阻來調節電樞電流，從而達到改變電機負載轉矩的目的。為了實現自動調節，負載使用電子可調電阻，采用PWM控制。

1.2 轉矩轉速測量

轉矩測量采用定子轉矩法，即把電機的定子和轉子同時架空，電機旋轉時，電磁力對轉子產生一個旋轉的力矩，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，就能計算出轉子所受到的力矩了。根據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。

轉速測量采用的是WTK-10凹槽型光電傳感器，傳感器的相關電路在內部，直接開關量輸出，檢測頻率為1 kHz，測速采用6縫隙測速碼盤[3]。

1.3 無刷電機驅動電路

其中被測無刷直流電機型號是portescap生產的B0610-024A-R00電機，此電機轉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，從而產生連續的轉矩來保證電機的連續工作。其中永磁磁場由轉子磁鋼定子產生，電樞磁場由定子繞組產生。電機的電子換相部分采用繞組導通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比較合適。電路圖如圖2所示。

圖2 無刷直流電機三相全控電路圖Fig.2 Brushless dc motor three-phase all control circuit diagram

1.4 其他電路

多路開關采用CD4051，電壓處理電路采用AD620運算放大器對信號進行處理。

2 手術動力裝置微電機的測功機的軟件設計

系統的設計目的要求不僅是對外界參數進行實時測量，在一定時間內完成對數據的采集和處理，而且還必須對相應的轉速、轉矩、電壓、電流、功率等進行實時控制。系統的主要任務有4個：通過串口進行數據通信任務、發送加載器及電機驅動任務、數據采集任務、數據分析顯示。測功機系統的軟件設計包括兩部分，上位機應用程序設計和單片機軟件設計。

2.1 上位機軟件設計

上位機主要任務是：串口通信、數據分析顯示和發送任務。上位機利用Visual C++6.0作為開發工具，實現與單片機的通信，通信采用MFC的MSComm控件。上位機可以提供如下功能：被測電機參數設置（轉矩和轉速）、參數實時監測（其中包括轉速、轉矩、電流、功率等參數）和控制策略的實現。具體的流程框圖如圖3（a）所示。

2.2 單片機軟件設計

單片機信息采集控制系統是一個多輸入多輸出的測控系統，主要任務有：數據采集任務、串口通信任務和發送電流加載任務，實時性要求較高。由于單片機內存資源有限，應盡量減少任務個數，即減少任務堆棧個數將相近的功能整合到一個任務中；同時中斷有關的任務要注意保護，避免反復響應和進入中斷，導致系統負荷過大，實時性受影響；還應把計算量較大的任務給上位機來運行，保證實時性和穩定性[4-6]。具體的流程框圖如圖3（b）所示。

圖3 上位機和單片機程序流程圖Fig.3 PC and MCU program flow chart

2.3 模糊PID控制器的設計

目前，工業過程中廣泛采用PID控制，不同的對象要用不同的PID參數，而且調整不方便，抗干擾能力差，超調量大。因此采用模糊控制系統對模型進行控制。

模糊PID控制器是模糊控制器與傳統PID控制器的結合，它的設計思想是：先找出PID參數與期望值與實際輸出的偏差E和偏差變化EC之間的模糊關系，在運行中通過不斷檢測E和EC，再根據模糊控制原理對3個參數進行在線整定，傳統 PID控制器在獲得新的 Kp，Ki，Kd后，對控制對象輸出控制量。模糊PID控制器原理圖如圖4所示。

圖4 模糊PID控制器原理圖Fig.4 Fuzzy PID controller principle diagram

模糊控制系統是2輸入3輸出系統。根據掌握的經驗，共分7個等級。 模糊控制器的設計必須通過多次修改模糊推理規則進行優化設計，并進行在線、離線的反復調試才能最后確定。經過長期人工操作經驗的總結，并作出Kp、Ki、Kd的模糊推理表。

模糊推理設計采用Mamdani方法，分別用max和min實現OR和AND算子，用min實現蘊含關系，用max實現合成規則。清晰化方法采用重心法。通過重心法解模糊處理，得到量化值輸出 ΔKp，ΔKi，ΔKd，實現 PID 3 個參數的在線整定。

圖5 傳統PID控制器仿真圖Fig.5 Traditional PID controller simulation diagram

圖6 模糊PID控制器仿真圖Fig.6 Fuzzy PID controller simulation diagram

3 實驗結果

根據實驗室現有的設備，選用一臺他勵直流額定轉速為25 000 r/min、額定功率為24 W的他勵直流電機為測功機，圖7為上位機采集到的數據。

圖7 上位機程序Fig.7 PC program

4 結 論

經試驗數據驗證，測試結果與實際相符，測功機使用模糊控制PID算法使得響應迅速，不僅體積小、價格低、功能全、使用維護方便，無需人手操作，也可用于其它各種機械傳動裝置的轉矩轉速測量，為研究手術動力裝置微電機提供了良好的條件。

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