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【兆恒機械】牙科座椅用的數(shù)字式稀土永磁無刷直流電機驅(qū)動系統(tǒng)

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  • 添加日期:2021年11月23日

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

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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:

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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。

搜狗截圖20211123154100.jpg


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。

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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)。

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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。