近年來，由于永磁材料、電力電子和控制技術(shù)等的發(fā)展，使得稀土永磁無刷電機成本進一步下降，而性能則大幅提高，其應(yīng)用逐漸向軍用、民用各領(lǐng)域滲透。在醫(yī)療器械行業(yè)，醫(yī)用牙科座椅驅(qū)動機構(gòu)正由直線式取代旋轉(zhuǎn)式。

稀土永磁無刷直流電動機由于具有效率高、性能好、結(jié)構(gòu)簡單、散熱容易、噪聲小、安全可靠、無須維修、壽命長等特點，恰可以滿足醫(yī)用行業(yè)對醫(yī)療器械安全性、效率、輕便性、清潔性、電磁干擾等方面的特殊要求。因此，以稀土永磁無刷電機驅(qū)動的直線式驅(qū)動機構(gòu)代替有刷電機驅(qū)動機構(gòu)和單相交流異步電機驅(qū)動機構(gòu)，具有良好的社會意義及廣闊的市場前景。

本文闡述一種牙科座椅用數(shù)字式稀土永磁無刷直流電機驅(qū)動系統(tǒng)方案，包括電機、控制器、驅(qū)動及軟件部分。該系統(tǒng)還可廣泛應(yīng)用于電動床和其它類型電動座椅的驅(qū)動，在醫(yī)院、療養(yǎng)院及家庭等領(lǐng)域市場潛力很大。

系統(tǒng)原理及其組成

圖1 系統(tǒng)原理圖

電動牙科座椅具有兩個自由度，俯仰和升降。本伺服系統(tǒng)采用兩臺稀土永磁無刷直流電動機作為運動控制主部件，針對兩個自由度分別給以驅(qū)動。如圖1所示，電機A為俯仰電機，電機B為升降電機。

電機控制部分僅采用一片DSP（數(shù)字信號處理器）芯片TMS320LF2407A實現(xiàn)對兩臺無刷電機的控制，充分利用了DSP豐富的片上資源,對兩臺電機的PWM輸入全部采用DSP提供,省去了邏輯芯片,提高了系統(tǒng)的可靠性。通過SPI片內(nèi)串行外設(shè)擴展了存儲器芯片，采用FRAM(非易失性存儲器)具有掉電保護功能,實現(xiàn)在關(guān)電的情況下對電動座椅的位置的記憶。

電機

電機額定功率為55W，額定電壓 24 V，工作狀態(tài)為短時運行，額定轉(zhuǎn)速1800rpm，設(shè)計模式按方波設(shè)計，電機為十二槽兩對極。槽形為梯形口扇形槽，繞組形式為三相星形六狀態(tài)，槽滿率為52%，轉(zhuǎn)子磁鋼采用粘結(jié)釹鐵硼，徑向充磁。磁鋼具體參數(shù)如下： Br>6000Gs,Hc>5000Oe,[BH]max>8MG·Oe,Hjc>10000Oe。

電機總裝圖如圖2所示：

圖2 電機總裝圖

有限元分析中，電機實際電磁轉(zhuǎn)矩為0.2394N·m。電機磁通、磁感應(yīng)強度等參數(shù)的分布情況如圖3、圖4所示。從圖4可以看出，電機氣隙磁感應(yīng)強度分布基本呈方波分布，求平均值基本與電磁方案設(shè)計結(jié)果相符。

控制器

本控制器主控單元采用TI公司的DSP芯片TMS320LF2407A，主控單元需要檢測電機的電流信號和轉(zhuǎn)子位置信號，并為驅(qū)動板提供六路PWM驅(qū)動信號，因此，控制一個無刷直流電動機，需要6個PWM輸出，一路ADC轉(zhuǎn)換，三個捕獲單元。

對于TMS320LF2407A 處理器，由于其有兩個事件管理器（EVA和EVB），每個事件管理器都有3個捕獲單元并可以輸出6路PWM，所以該芯片可以同時直接為兩臺無刷直流電動機提供控制信號。如圖1所示。由于控制芯片外圍電路較為成熟，但其具有較大的程序存儲器，因此，相對于硬件而言，要實現(xiàn)針對電機的靈活控制，著重從軟件方面入手。

驅(qū)動

本電機控制系統(tǒng)的驅(qū)動環(huán)節(jié)電路采用全橋結(jié)構(gòu)，通過對六個功率元件的開、關(guān)的控制，對電機電壓、電流波形進行調(diào)制。通過利用 TMS320LF2407A內(nèi)含的四個各自獨立的 16位通用定時器、六個全比較器實現(xiàn)電機電壓的PWM調(diào)制。TMS320LF2407A內(nèi)含可編程死區(qū)控制，六個全比較器中的任何一個與通用定時器、死區(qū)控制單元一起用于產(chǎn)生一對有可編程死區(qū)和輸出極性的PWM輸出。共有十二路這樣的PWM輸出。每六個輸出可以用來控制無刷直流電機，實現(xiàn)DSP對兩臺電機的控制。

圖5 功率主電路

控制系統(tǒng)功率主電路如圖5。選用IRF540功率管，該器件最高工作電壓為100V，最大工作電流28A，最大功率損耗150W，完全滿足該系統(tǒng)功率要求；續(xù)流二極管D1～D6選用快恢二極管；電容C1～C3用來吸收直流母線上的尖峰電壓，防止過高的母線電壓擊穿功率管；電阻R2用來檢測電機的直流母線上電流，防止電機過流發(fā)生故障，該過流信號Isence經(jīng)過處理后輸入到功率橋的前級驅(qū)動芯片和DSP處理器中，在過流時可以及時封鎖門極驅(qū)動信號。

功率管的前級驅(qū)動采用IR公司的電機驅(qū)動芯片IR2130，該芯片集驅(qū)動、死區(qū)、過流保護等功能與一體，使用單電源即可完成六只功率管的驅(qū)動，使用時極為方便，特別適合于小功率驅(qū)動領(lǐng)域。

軟件

根據(jù)定義的功能，軟件分為如下幾大模塊：

1. 初始化模塊：主程序初始化模塊（_c_int0），EVA初始化模塊（EVA_INIT），EVB初始化模塊（EVB_INIT）；

2. 電機啟動模塊：電機A啟動模塊（MOTORA_START），電機B啟動模塊（MOTORB_START）；

3. 換向模塊：電機A換向模塊（COMMUTATION_A），電機B換向模塊（COMMUTATION_B）；

4. 霍爾信號捕獲模塊：電機A的霍爾信號捕獲模塊（CAPIN_A），電機B的霍爾信號捕獲模塊（CAPIN_B）；

5. 鍵盤分析模塊：電機A的鍵盤輸入分析模塊（KEY_ANALYSE_A），電機B的鍵盤輸入分析模塊（KEY_ANALYSE_B）；

6. PID調(diào)節(jié)模塊（_PID），位置記憶模塊（REM）。

圖6 軟件主流程圖

軟件主體采用工程上流行的模塊化順序結(jié)構(gòu)，霍爾信號捕獲和PID調(diào)節(jié)采用中斷控制方式。圖6為系統(tǒng)軟件流程圖。其中圖6（a）為系統(tǒng)主程序流程圖，主要實現(xiàn)系統(tǒng)初始化以及兩個電機運行狀態(tài)的讀取和設(shè)置，系統(tǒng)初始化完成對DSP系統(tǒng)寄存器、I/O端口、以及系統(tǒng)中斷的設(shè)置，兩個電機的運行狀態(tài)的獲得由鍵盤分析模塊獲得，根據(jù)得到的狀態(tài)，決定電機是處于運行、啟動或是停轉(zhuǎn)狀態(tài)。電機運行狀態(tài)由全局變量RUN_STATE_A和RUN_STATE_B表示，088H表示電機處于運行狀態(tài)，00H表示電機啟動，0FFH表示電機停轉(zhuǎn)。

軟件中電機換向和PID速度調(diào)節(jié)都采用中斷控制的方式。圖6（b）是電機逆變器換向流程圖，該中斷子程序各模塊完成霍爾位置信號的捕獲、逆變器換向、速度計算三個主要功能，使電機正常運行，并為PID速度調(diào)節(jié)提供了速度反饋值。圖6（c）為電機PID調(diào)節(jié)中斷流程圖，PID中斷調(diào)節(jié)的中斷信號由內(nèi)部軟件產(chǎn)生。

結(jié)論

隨著技術(shù)不斷發(fā)展，成本不斷降低，稀土永磁無刷直流電機在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用將會進一步得到普及。將稀土永磁無刷直流電機與DSP控制技術(shù)相結(jié)合，是無刷電機的一個重要發(fā)展方向。本文介紹的電動牙科座椅驅(qū)動系統(tǒng)采用稀土永磁無刷直流電機，以DSP為主控芯片，具有全數(shù)字控制、位置記憶、過壓過流保護等功能，在電動座椅驅(qū)動系統(tǒng)領(lǐng)域當(dāng)中具有廣闊的前景。