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(jī)成本進(jìn)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(dòng)機(jī)構(gòu)正由直線式取代旋轉(zhuǎn)式。
稀土永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)由于具有效率高、性能好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、散熱容易、噪聲小、安全可靠、無須維修、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，恰可以滿足醫(yī)用行業(yè)對(duì)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(jī)驅(qū)動(dòng)的直線式驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)代替有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和單相交流異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，具有良好的社會(huì)意義及廣闊的市場(chǎng)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(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方案，包括電機(jī)、控制器、驅(qū)動(dòng)及軟件部分。該系統(tǒng)還可廣泛應(yīng)用于電動(dòng)床和其它類型電動(dòng)座椅的驅(qū)動(dòng)，在醫(yī)院、療養(yǎng)院及家庭等領(lǐng)域市場(chǎng)潛力很大。
圖1 系統(tǒng)原理圖
電動(dòng)牙科座椅具有兩個(gè)自由度，俯仰和升降。本伺服系統(tǒng)采用兩臺(tái)稀土永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)作為運(yùn)動(dòng)控制主部件，針對(duì)兩個(gè)自由度分別給以驅(qū)動(dòng)。如圖1所示，電機(jī)A為俯仰電機(jī)，電機(jī)B為升降電機(jī)。
電機(jī)控制部分僅采用一片DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）芯片TMS320LF2407A實(shí)現(xiàn)對(duì)兩臺(tái)無刷電機(jī)的控制，充分利用了DSP豐富的片上資源,對(duì)兩臺(tái)電機(jī)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(kuò)展了存儲(chǔ)器芯片，采用FRAM(非易失性存儲(chǔ)器)具有掉電保護(hù)功能,實(shí)現(xiàn)在關(guān)電的情況下對(duì)電動(dòng)座椅的位置的記憶。
電機(jī)額定功率為55W，額定電壓 24 V，工作狀態(tài)為短時(shí)運(yùn)行，額定轉(zhuǎn)速1800rpm，設(shè)計(jì)模式按方波設(shè)計(jì)，電機(jī)為十二槽兩對(duì)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(jī)總裝圖如圖2所示：
圖2 電機(jī)總裝圖
有限元分析中，電機(jī)實(shí)際電磁轉(zhuǎn)矩為0.2394N·m。電機(jī)磁通、磁感應(yīng)強(qiáng)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(jī)氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度分布基本呈方波分布，求平均值基本與電磁方案設(shè)計(jì)結(jié)果相符。
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(cè)電機(jī)的電流信號(hào)和轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，并為驅(qū)動(dòng)板提供六路PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，因此，控制一個(gè)無刷直流電動(dòng)機(jī)，需要6個(gè)PWM輸出，一路ADC轉(zhuǎn)換，三個(gè)捕獲單元。
對(duì)于TMS320LF2407A 處理器，由于其有兩個(gè)事件管理器（EVA和EVB），每個(gè)事件管理器都有3個(gè)捕獲單元并可以輸出6路PWM，所以該芯片可以同時(shí)直接為兩臺(tái)無刷直流電動(dòng)機(jī)提供控制信號(hào)。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(chǔ)器，因此，相對(duì)于硬件而言，要實(shí)現(xiàn)針對(duì)電機(jī)的靈活控制，著重從軟件方面入手。
本電機(jī)控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)電路采用全橋結(jié)構(gòu)，通過對(duì)六個(gè)功率元件的開、關(guān)的控制，對(duì)電機(jī)電壓、電流波形進(jìn)行調(diào)制。通過利用 TMS320LF2407A內(nèi)含的四個(gè)各自獨(dú)立的 16位通用定時(shí)器、六個(gè)全比較器實(shí)現(xiàn)電機(jī)電壓的PWM調(diào)制。TMS320LF2407A內(nèi)含可編程死區(qū)控制，六個(gè)全比較器中的任何一個(gè)與通用定時(shí)器、死區(qū)控制單元一起用于產(chǎn)生一對(duì)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(gè)輸出可以用來控制無刷直流電機(jī)，實(shí)現(xiàn)DSP對(duì)兩臺(tái)電機(jī)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(cè)電機(jī)的直流母線上電流，防止電機(jī)過流發(fā)生故障，該過流信號(hào)Isence經(jīng)過處理后輸入到功率橋的前級(jí)驅(qū)動(dòng)芯片和DSP處理器中，在過流時(shí)可以及時(shí)封鎖門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
功率管的前級(jí)驅(qū)動(dòng)采用IR公司的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片IR2130，該芯片集驅(qū)動(dòng)、死區(qū)、過流保護(hù)等功能與一體，使用單電源即可完成六只功率管的驅(qū)動(dòng)，使用時(shí)極為方便，特別適合于小功率驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域。
根據(jù)定義的功能，軟件分為如下幾大模塊：
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）；
電機(jī)啟動(dòng)模塊：電機(jī)A啟動(dòng)模塊（MOTORA_START），電機(jī)B啟動(dòng)模塊（MOTORB_START）；
換向模塊：電機(jī)A換向模塊（COMMUTATION_A），電機(jī)B換向模塊（COMMUTATION_B）；
霍爾信號(hào)捕獲模塊：電機(jī)A的霍爾信號(hào)捕獲模塊（CAPIN_A），電機(jī)B的霍爾信號(hào)捕獲模塊（CAPIN_B）；
鍵盤分析模塊：電機(jī)A的鍵盤輸入分析模塊（KEY_ANALYSE_A），電機(jī)B的鍵盤輸入分析模塊（KEY_ANALYSE_B）；
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(hào)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)初始化以及兩個(gè)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的讀取和設(shè)置，系統(tǒng)初始化完成對(duì)DSP系統(tǒng)寄存器、I/O端口、以及系統(tǒng)中斷的設(shè)置，兩個(gè)電機(jī)的運(yùn)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(jī)是處于運(yùn)行、啟動(dòng)或是停轉(zhuǎn)狀態(tài)。電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)由全局變量RUN_STATE_A和RUN_STATE_B表示，088H表示電機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)，00H表示電機(jī)啟動(dòng)，0FFH表示電機(jī)停轉(zhuǎn)。
軟件中電機(jī)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(jī)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(hào)的捕獲、逆變器換向、速度計(jì)算三個(gè)主要功能，使電機(jī)正常運(yùn)行，并為PID速度調(diào)節(jié)提供了速度反饋值。圖6（c）為電機(jī)PID調(diào)節(jié)中斷流程圖，PID中斷調(diào)節(jié)的中斷信號(hào)由內(nèi)部軟件產(chǎn)生。
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(jī)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用將會(huì)進(jìn)一步得到普及。將稀土永磁無刷直流電機(jī)與DSP控制技術(shù)相結(jié)合，是無刷電機(jī)的一個(gè)重要發(fā)展方向。本文介紹的電動(dòng)牙科座椅驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用稀土永磁無刷直流電機(jī)，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(hù)等功能，在電動(dòng)座椅驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)領(lǐng)域當(dāng)中具有廣闊的前景。