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当无刷直流电机在手术电锯中的应用

发布时间:2021-09-09 19:21:38 阅读: 来源:轴流泵厂家

无刷直流电机在手术电锯中的应用

0引言

本试验目的是开发一款医疗器械产品 手术电锯。产品要求运行可靠、噪声小、调速快且平稳,调速范围为100 10000r/min,调速精度高于1%。产品主要由电锯、电机和电机调速控制器三个部分组成。

无刷直流电机具有传统直流电动机良好的动、静态调速特性,且具有交流电机结构简单、运行可靠、易于控制、维护方便,及运行效率高、噪声小等特点。因此本电锯选用无刷直流电机。产品开发的主要任务是调速控制器设计。为达到良好的控制效果,控制器的核心采用运算速度快、控制功能强、价格便宜的MC56F8013型数字信号处理器(DSP)。

1无刷直流电机原理及其数学模型

1.1无刷直流电机的结构与工作原理

无刷直流电机可分为电机本体、磁极位置传感器、电子换向开关电路(逆变器)三部分。其电枢绕组位于定子上,转子由永久磁钢组成。试验采用两两导通星型三相六状态驱动,如图1所示。三相桥式电路在任何时刻,都只有上桥臂和下桥臂各一个晶体管导通,使三相绕组中的二相串联接到电源上,而剩下的一相绕组则没有通电;产生的定子磁场与转子永磁磁场相互作用,产生转矩推动转子转动。根据霍尔位置传感器测得的转子位置,按6个节拍省去了人工装卸引申计的麻烦和由此产生误差全自动引申计结构的独特设计顺序导通晶体管,产生顺序变化的定子磁场使无刷电机转动[1]。

1.2无刷直流电机的数学模型

在理想状态下,可以推导得到无刷直流电机的数学模型[]。

主回路的电压平衡方程:

电动机转矩乎衡方程:

经过拉氏变换后联立方程组推导,电机的理想近似传递函数可表示为:

式中:гa 电动机电磁时问常数,гa=L/R;

гm 电机机电时间常数,гm=(2п/60) (RC/KeKm);

Ke 直流电机在额定磁通下的反电动势

转速比,Ke=(Ue-IeR)/ne;

Km 直流电机电磁转矩与电枢电流比,

Km Ke。

通常,гm 4гa,且гa很小,即гaгm《гm,一般取гm=10гa,故控制对象可近似看作一阶系统。产品中使用喜泰62xwc TKN无刷无槽永磁直流电动机,额定电压Ue=120V,额定转速ne=10000r/min,额定电流Ie=1.25A,额定功率Pe=150W,磁极对数np=2。根据上面的推导可以得到电机的近似一阶模型为:

此传递函数为无刷电机的传递函数[4]。

2控制器的硬件

控制器硬件结构如图2所示。MC56F8013是Freescale公司生产的16位定点运算的高速DSP。该DSP采用56800E增强型内核。56F8在冲头施加的冲力作用下0XX系列是针对电动机控制而设计的,集成了电动机控制所必须的外围接口电路[]:6通道96MHz高速脉宽调制(PWM),2个3通道12位高速高精度(A/D)模块,4个16位定时/计数器以及串行通信接口(SCI)等。

控制器驱动电路使用仙童公司的FCBS5CH60型功率模块。该型智能功率模块(SPM)额定电流可达5A,耐压DC600V,拥有完整的电源输出电路,使用方便,工作可靠。

整个控制器采用110V交流电源供电,通过AC DC变换电路和DC DC变压电路输出直流电,分别供给功率电路和控制电路。无刷直流电机带有三相霍尔位置传感器,产生脉冲信号输入DSP的定时器单元,产生上下边沿中断,在中断程序中读取位置信号,并且可以通过检测霍尔位置传感器的脉冲数来计算电机转速;DSP通过控制PWM的占空比来控制电枢电压,实现对电动机调速控制;SCI口同PC机相连,在控制器工作过程中向上位机发送数据,同时上位机也可以向控制器发送各种命令参数[5]。

3控制器的控制方案

3.1调速系统控制对象模型

当PWM输出频率为20kHz、输出电压Ue1为3.3V时,DSP的PWM计数值为4800,对应占空比为1。经过电压转换电路,得驱动电路电压Us=160V。程序中设置占空比最高限为0.75,保证电机驱动电压不超过额定120V;电流容量为5A,能够承受较大的瞬时电流。正常工作时,输人为额定电压,电机可以稳定工作在额定转速上。对应的PWM模块的传递函数:

由于时间常数非常小,可以近似地看作一个比例环节,即Kpw=48.48。所以调速系统控制对象模型的传递函数可以表示为[4]:

3.2无刷直流电机的控制结构图

电机采用速度单闭环调速方式[2],如图3本机是对金属或非金属资料停止力学性能测试的高精度、多用途的资料实验机所示。速度环的主要任务是快速响应给定的速度以及消除静差,满足系统的稳态要求。

3.3积分分离PI控制算法

PI调节器兼顾快速响应和消除静态误差两方面要求。作为校正装置,它又能提高系统的稳定性,易于实现,在电机控制中应用十分普遍。在电机的起动、停止或大幅度增减设定值时,短时间内系统输出有很大的偏差,会造成PI运算的积分积累,致使算得的控制量超过执行机构可能最大动作范围对应的极限控制量,引起系统较大的超调。所以速度调节器采用积分分离PI算法,既保持了积分作用,又减小了超调量,使得控制性能有了较大的改善。

在DSP中,误差量为e(k),输入量为r(k)。据工程经验,当e(k)/r(k) 0.2,采用PI调节:

P(k)=Kp1 e(k)

△u(k)=P(k)+K1 e(k)+I(k一1)

I(k一1)=△u(k一1)一P(k一1)

e(k)/r(k) 0.2,采用P调节:

△u(k)=Kp2 e(k)

调速系统的控制器的输出控制量为:

M(k)=M(k一1)+△u(k)

Kp1、Kp2为比例系数,K1为积分系数。一般Kp1大于Kp2。先进行单纯比例调节,适当减小比例系数以获得较好的稳定性;后进行比例积分调节,增大比例系数以得到快速响应。同时根据实际的速度曲线对Kp1、Kp2、K1值进行调整。

3.4仿真与试验结果

根据上面给出的控制对象模型传递函数、闭环控制方式和积分分离PI控制算法,在Simulink中进行积分分离PI控制算法仿真,如图4所示。

设定转速为9000r/min,仿真结果见图5

通过虚拟仪器编程语言(CVI)编写的调试程序接收电机的速度值,可以很方便地进行参数调整。图6所示为在空载情况下,下位机根据给定转速为9000r/min,实时发送的电机转速数据。相对于理想的仿真结果,实际速度曲线有微小超调和振荡,响应时间也较长一点;曲线较为平稳,系统的稳态误差在1%以内,能满足产品要求。

未来4结语

基于MC56F8013DSP的无刷直流电机调速控制器结构简单,性能稳定可靠,调速效果良好。无刷直流电机在运行过程中起动快、运行平稳、噪声低,能满足医疗器械的要求,应用前景广阔。

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