醫(yī)學(xué)治療儀專用變頻器的設(shè)計(jì)

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)寫入虛擬寄存器的操作來(lái)實(shí)現(xiàn)的。如寫寄存器R14是將初始化數(shù)據(jù)傳送到初始化寄存器中，寫寄存器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)被寫入并不重要，往這里寫數(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。