下肢關節功能恢復器原理與故障分析

李志東

(佛山市中醫院 設備科，廣東佛山528000)

下肢關節功能恢復器原理與故障分析

李志東

(佛山市中醫院 設備科，廣東佛山528000)

通過對下肢關節功能恢復器的基本應用原理和設備進行分析，解構出電路原理圖并詳細分析電路的工作原理，應用分析解決設備發生的各種故障問題。

下肢關節功能恢復器；AT89C51；霍爾元件；直流伺服電機

下肢關節功能恢復器也叫下肢功能鍛煉器，是用于下肢的髖、膝、踝關節功能的康復理療器械，是一種常用的骨科康復設備。以前靠進口，現在國產的已很普遍。由于國產機通常都不提供完整的技術資料，尤其是電路圖方面，為方便維修，對設備逆向解析，本文將經常關聯到故障維修方面的電路部分繪制出來，方便廣大同行，希望有所裨益。

1 概述

下肢關節功能恢復器康復訓練原理與系統功能。

康復訓練原理：根據人體工學原理，模擬腿部關節結構制造的活動支架，腿部緊附在該支架上，隨支架的伸屈，使膝或踝的關節被動的得到訓練，達到功能恢復的目的。

工作原理：支架的運動通過機電控制來完成。即：支架一端相對固定，另一端隨電機前后直線運動，轉化為屈伸的曲線運動。彎曲角度的大小通過調節關節間的長度以及電機移動距離可調。

系統功能：從其工作原理看，我們可以知道，系統必須完成以下基本功能：時間控制；角度控制；速度控制；位置探測；速度探測；電機保護；人機對話顯示，鍵盤控制；故障報警。

2 電路的基本結構與原理及故障處理

2.1 系統結構與電路原理

以HT-C型下肢關節功能恢復器為例，系統結構如圖1所示，電路基本原理如圖2所示。

2.2 電路工作原理分析

了解電路工作原理，首先得清楚各元器件的性能，其次才能準確對其電路進行分析。主要器件包括AT89C51，M27C2568，74132，霍爾元件，直流伺服電機。

圖1 系統結構

(1)AT89C51：是一種帶4K字節閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機，各引腳如圖3所示。

部分管腳說明：

P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數據存儲器，它可以被定義為數據/地址的低八位。在FIASH編程時，P0口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。

P1口：P1口是一個內部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為低八位地址接收。

P2口：P2口為一個內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數據存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內部上拉優勢，當對外部八位地址數據存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。

P3口：P3口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流。

ALE只有在執行MOVX，MOVC指令時ALE才起作用。

/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。

/EA：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器(0000H-FFFFH)，不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此為內部程序存儲器。

(2) M27C2568：256Kbit(32KB x 8)可擦可編程只讀存儲器。引腳圖和邏輯圖如圖4所示。

A0～A14：地址輸入；Q0～Q7：數據輸出；/E：蕊片選通；/G：輸出選通。Vcc：源電壓；Vss：接地。

圖2 電路基本原理圖

圖3 引腳圖

圖4 引腳圖 邏輯圖

地址A10A8A13A9A11A0A1A2A3A4A5A6A7A12初始11111111111111輸入00000000000000角度-50102030405060708090100110120

(3)74132：施密特觸發器，2輸入端4與非門，下降觸發電平低于上升觸發電平。

(4)霍爾元件： 霍爾元件是根據霍爾效應進行磁電轉換的半導體磁敏元件。所謂霍爾效應，是指磁場作用于載流金屬導體、半導體中的載流子時，產生橫向電位差的物理現象。這類元件可分兩大類：一類是線性元件，一類是開關元件。

(5)直流伺服電機：19M-80直流無刷伺服電機，如圖5所示。

圖5 直流伺服電機圖

a：轉速控制，輸入直流電壓；d：換向控制(正反轉)；c：反饋信號FG，脈沖信號；b：內置驅動器，霍爾元件感應器的電源；e：線圈電源；f：接地端。

該電機定子有6個磁極，內置霍爾元件，內置驅動器。采用PWM控制算法，給電機輸入直流電，每一時刻有兩相通電，由霍爾元件感應器提供電機的換相信號，并輸出換相脈沖，電機轉動一圈，會發出6個脈沖。可正反轉。有過流功能，即驅動器內設電機可持續工作的最大電流。對霍爾元件感應到的信號進行PI(脈寬與積分)調節，并比較電流，如果電流過大，電機就自動停機，停機則FG信號為0。電機的轉速由a端電壓控制，電壓越高，轉速就越高，即電壓與轉速成正比。

2.3 電路原理分析

(1) 電源：220AC橋式整流濾波得36V給電機的線圈供電，并經三端穩壓集成7812產生12V，給電機的驅動器供電，并再經7805產生5V，給整個系統供電。

顯示：89C51的P2口和P0口的3位共10位輸出端控制液晶顯示屏的數據顯示。31腳/E端作為信號輸出選通。

(2) 輸入：由一塊5組按鍵組成的鍵膜完成，分別是“啟停”“角度”“時間”“增”“減”角度，對應89C51的P0口的前5位數據輸入端。

(3) 輸出：包含啟動輸出和反轉輸出。

啟動輸出：89C51得到啟動命令后，經10腳輸出低電平給74132，R,D1，D2，C1構成的脈寬調制電路，得到不同脈寬和占空比的方波電壓，控制電機的啟動和速度的快慢。

反轉輸出：89C51根據探測到的位置信號，11腳輸出高或低電平，通過光藕合器件輸出電壓，控制電機的正反轉。即電機D端電壓，0V時正轉，大于3V則反轉。

(4) 位置傳感：主要由霍爾開關元件陣列和絲桿上的運動滑塊共同構成位置信號。把霍爾元件集成的開關按預定位置有規律地水平布置在一塊電路板上，平行絲桿，并與滑塊處同一水平面上。當裝在運動滑塊上的永磁體經過它時，可以得到系列的霍爾元件開關的脈沖信號。

陣列上有14個霍爾開關元件，將其信號分別分配給M27C568的14位地址輸入端，然后M27C2568再根據這些地址把相應的位置即角度值，通過相應的4個數據端發送給89C51的1～4腳。每一霍爾開關元件位置對應的角度關系如表1所示。

(5) 反饋控制：由系統通過霍爾元件陣列探測到的位置及輸入系統的設置位置共同決定，即，假如設定電機運行角度為10°～30°，則當電機運行到10°或30°的位置時由相應位置的霍爾元件發出脈沖信號給系統，系統由設定認為已到位，則發出相應的換向電平信號：0V時正轉，5V反轉。

2.4 主要故障現象及維修分析

故障一：電機不能啟動

故障分析：從電路看，電機要啟動，首先“啟動”鍵要正常，其次CPU要能正常收發命令，并給出電機正常的信號，最后要看電機的所有電壓是否都正常。因此此種故障發生的可能有：(1)鍵膜失效；(2)89C51壞，(3)74132損壞；(4)電源；(5)電機壞。

維修實例1：顯示正常，按其余鍵也正常，但按“啟動”鍵，電機不能啟動。

試按鍵膜各鍵均正常，且有“嘀”的提示音，但按“啟動”鍵則沒有，據此初步判斷為鍵膜的“啟停”鍵失效。拆開外殼，直接短接按鍵接口的1，2腳，“嘀”一聲，電機啟動，說明鍵膜壞，進一步測量也是不通，更換鍵膜，OK。

維修實例2：按各鍵均有提示音。拆開外殼，因為電機上的電壓比較方便測量，故先測其b，e端電源電壓，a端啟動調速電壓。12V，36V均正常，而調速電壓則測得不足1V，再測74132的11腳電壓，約為5V，說明CPU應正常，應為74132或其外圍電路有問題，測D1，D2，C1，R2均正常，只能是74132壞，更換，3腳電壓正常，調電位器R，電機工作正常，速度可調，修復。

故障二：有時會自停

故障分析：可能發生自停的情況有

(1)誤觸發，即：①按鍵不良。 鍵膜開關處于通與不通的臨界狀態時，會可能在某種情況下觸發關機停止。②緊急開關。 性能不良或放置不當，無意中被病人自己或其他因素誤觸發從而導致停機。

(2)電機過載，導致保護性停機。這種情況可能是：①電機使用時間長導致的性能不良引起；②可能是訓練支架調節不當使得電機阻力異常的大大增加引起；③電路有問題，即電腦誤認為電機已受阻停轉或時間已到(實際未到)從而發出停機指令。這就有可能是計時電路，霍爾元件，CPU，存儲器等發生故障。

雖然可能性較多，但有一點是開關觸發的的停止與運行結束的停止以及堵轉停止的提示音是不同的，因此可以據此劃分故障的種類，所以一定要詳細的向操作人員了解清楚具體現象再仔細檢查。

維修實例①：有時自停。

詳詢操作人員，反映是好象只響一聲。于是仔細檢查鍵膜和應急開關，發現鍵膜啟停鍵已因為長期使用而失去彈性，輕觸一下就啟動，有時又要重力按壓才行，而應急開關基本完好，更換鍵膜，試用，沒再反映該問題，故障排除。

維修實例②：有時在長時間連續工作后，會自停。

詳詢操作人員，反饋說停止會發生在任何位置，好象長鳴。

連續工作后才發生，可能是性能變差或有虛焊等方面的情況存在，也是一典型的軟故障。對此，最主要的就是必須讓它故障重現，才能進行準確的分析判斷，按照廠家的測試方案，在支架上放置15kg的重物，模擬關節訓練，讓它自已持續工作。第一天沒有發生故障情況，第二天，工作5h后，果然發生自停。觀察停機時滑塊停止的位置，在“-5”，再看顯示屏，顯示的角度則是“20”，測霍爾開關值為0；斷電重啟，結果，大約3小時后又發生一次自停，觀察滑塊位置在“120”，顯示值是“90”，值是0V。兩次停止均在終端位置，說明它是堵轉停機，即到達終端未能反轉繼續前行，導致過載停機，CPU得不到電機的反饋脈沖信號，發出終止電機的運行命令。此時CPU的12腳電壓由0轉為5V高電平，電機A端電壓為0，說明CPU基本正常。注意到它兩次的共性是顯示角度與實際角度不一致，即CPU沒有沒有得到滑塊的實際位置數據，有可能是霍爾開關元件失效，但是因為顯示角與實際角有3個值的誤差(-5，0，10和100，110，120)，這意味著發生故障時同時有3個以上的霍爾元件均發生熱穩定性失效的情況，這種可能性明顯不大，并且停機時，測得EPROM的21，2腳電壓為0，得到了正確的信號，所以判斷是EPROM性能不良，未能將位置信號發送給CPU，從而一直認為滑塊未到位，導致堵轉。 更換EPROM，試機，連續兩天不再發生故障，交付使用，沒再出現同樣故障，故障排除。

小結：此類設備最難處置的故障就是中途停機的軟故障，發生的原因復雜，操作人員此時應根據設備的基本工作原理和故障現象，可對電路板逆向畫出相關部分的電路進行分析。另外，從電路分析中可知，此設備尚可通過改進軟件，進行測速及故障判斷，并直觀的以數字顯示出來，那樣將極大的便于使用和維修。

[1]顏嘉男.伺服電機應用技術[M].科學出版社，2010.

[2] 張曉鄉.89C51單片機實用教程.電子工業出版社，2010.

[3] 《最新常用集成塊速查速用手冊》編寫組.最新常用集成塊速查速用手冊[M].機械工業出版社，2010.

[4] 盧文科，朱長純，方建安.霍爾元件與電子檢測應用電路[M].中國電力出版社，2005.

2014-06-11

TH781

C

1002-2376(2014)11-0085-04