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電動醫療床用無刷直流電機控制系統

來源:北京永光高特微電機有限公司作者:李利網址:http://www.fupoqq9.cn瀏覽數:625

摘要:以兩個無刷直流電機為控制對象,提出了一種通過單片機和專用控制芯片實現電動床雙自由度運動的控

制系統。該控制系統運行可靠穩定,成本低,同時具備電動床位置記憶功能。具有廣闊的市場前景。

O  引  言

   作為醫療器械的電動床,已被廣泛地應用于醫院、療養院、養老院等許多領域。當前市場上多數電動床的運動機構所采用的是有刷直流電機或異步電機。有刷直流電機存在可靠性、換向火花、機械噪聲、粉塵等問題;異步電機需要220V的交流電源直接驅動,而醫療設備需要36V以下安全電壓,使用無刷直流電機能從根本上解決系統以上問題,噪音小、無粉塵、可靠性高。

   目前國內電動床市場進口占了很大比例。其質量較好但價格相對較高。這給國內的電動床的生產商提出了一個挑戰:提高同類產品的性價比。

   針對醫療電動床的應用需求,提出了一種雙自由度的無刷直流電機控制系統。該控制系統由一片8051單片機作為核心控制單元、兩個MC33035專用控制芯片組成兩個驅動器,兩個驅動器分別驅動兩個電機,帶動電動床的兩個可調部位作上下升降運動,進而滿足人體舒適姿態要求。該方案系統成本低、性能好,具有較好的應用前景。本文從控制系統結構、驅動電路設計和軟件實現三個方面闡述電床用雙自由度無刷直流電機控制系統。

1  系統設計

1.1控制系統結構    

為了使醫療電動床能夠進行兩自由度的運動,同時簡化控制系統結構,本系統采用如圖1的控制結構。該控制電路由單片機控制單元和驅動電路組成。

 圖1 控制系統結構框圖

該系統控制單元由一片8051單片機組成。它同時控制兩個驅動器和兩個電機工作。實現的主要功能為電動床位置記憶,并同時控制電機開/停機和正/反轉。單片機同時輸入兩個電機的霍爾信號,可判斷出電機妝前的運行位置,進而可實現電動床位置信息存儲。

驅動電路由兩套完全相同的驅動器組成,兩個驅動器分別驅動兩個相同的電機。該雙自由度控制系統可實現人體舒適功能,兩個連續并獨立的可調區段,適應人體的頸,背和大小腿。雙自由度電動床運動機構示意圖如圖2所示。這兩個可調區段分別為人體背部部位和腿的彎曲部位,兩個控制器控制兩個電機分別驅動這兩個部位作上下升降運動,以調節到滿足人體舒適要求的最佳位置。

 圖2 雙自由度電動床運動機構示意圖

1 . 2  驅動電路設計

系統的驅動電路如圖3所示。其中,220V的交流電經變壓器和整流橋變成直流電,直流電源兩路給兩個功率驅動電路供電,兩路給兩個驅動器電,還有一路給單片機供電。一個單片機控制兩套驅動機構同時工作。電機的霍爾信號經轉子位置傳感反饋給單片機和驅動電路,構成P調節的轉速閉環控制。當電動床上升和下降到達極限位置時,電動床的限位傳感器可以給控制提供一個卡位信號。

 圖3 驅動系統結構圖

由于系統可靠性和性價比考慮,本設計采用了MOTOROLA公司生產的MC33035萬用控制芯片,該芯片外圍電路路少,體積小,運行可靠,穩定性高造價低,并具備一特殊的保護功能,包括:欠壓鎖定,帶可選時間延遲鎖存關斷模式的循環電流,內部過熱停車,和唯一一個與微處理器控制系統相連的故障輸出端等。

出于系統穩定性考慮,本設計采用了速度反饋器件MC33039。該器件與霍爾轉子位置傳感器信號輸入端相連接,經F/V轉換,得到一與速度成正比的電壓信號,經阻容網絡濾波電路反饋回給MC33035差分放大器負端,從而構成一個簡單的P調節器,實現電機以平穩速度運行。    控制器工作過程為:從電機轉子位置檢測器送來的三相位置檢測信號,一方面送人MC33035,經芯片內部譯碼電路結合正反轉控制端、起??刂贫酥苿涌刂贫?、電流檢測端等控制邏輯信狀態,經過運算后,產生逆變器MOSFET三相上、下橋臂開關器件6路原始信號。三相下橋PWM控制信及三相上橋控制信號經過驅動放大后,施加到運逆變器的個開關管上,使其產生出供電機正常運行所需的三相PWM電壓。

1 . 3 單片機

  根據用戶的不同需求,可控制調節電動床的4種姿態,即上下和俯仰。單片機實現電動床位置記憶的輔助功能。它將用戶前一次調整好的舒適姿態位置存儲起來,用戶無需重新調整,只需按下存儲器按鈕,電動床就可自動調節恢復到存儲器記的位置。

 圖4 主程序流程圖

該單片機同時管理兩個驅動器和兩個電機工作,實現電機的起/停、正/反轉并根據輸人的兩個電機的霍爾信號判斷電機位置,實現電動床位置記憶功能。單片機內存為4k,具有4個記憶位置,復位功能實現位置的存和取,鎖存功能實現位置鎖定。作為最小單片機系統,其主要功能的實現為軟件設計,主程序流程圖如圖4所示。記憶子程序流程圖如圖5所示。

 圖5 記憶子程序流程圖

外部中斷判斷電機正反轉信號;定時器中斷判斷電機是否停機;記憶子程序實現電動床位置的存和??;run子程序直接存儲位置。

2  總  結

本文針對醫療電動床的驅動需求,給出一個由單片機、專用芯片和無刷直流電機實現電機運動的雙自由度控制系統。該系統具有電路簡單緊湊、響應速度快、調試方便、可靠性高、運行平穩、性價比高、具備位置記憶功能等特點,顯現出廣闊的市場前景。

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