手術動力裝置微電機的測功機的研究

摘要：手術動力裝置是臨床的重要器械，它的電機的性能直接關系到病患的生命，所以對手術動力裝置微電機的測功機的研究就顯得尤為重要。基于windows平臺，以STC單片機為數據采集系統，配合必要的傳感器和驅動電路及信號調理電路，應用模糊控制PID算法，開發手術動力裝置微型電機的測功機主控系統。該系統完成了數據采集、處理、顯示和報警等功能。
關鍵詞：測功機；單片機；模糊控制；手術動力裝置

隨著我國臨床醫學的發展，手術動力裝置成為臨床手術中重要的器械之一。一般要求手術動力裝置需具有尺寸小，轉矩脈動小，轉速精確可調等優點。手術動力裝置所選用電機與動力設備匹配之前，都需經過測功機進行動力測試，因手術動力裝置的微型電機要求轉速高而轉矩精確等特點，市場上沒有適合手術動力裝置微型電機的測功機，所以對手術動力裝置微型電機的測功機研究就顯得尤為重要。
手術動力裝置微電機的測功機由被測電機、加載器、多種傳感器、單片機、上位機及驅動電路等組成。其中，加載器是一臺他勵直流電機；被測電機與加載器用聯軸器相連；數據采集采用STC12C5A60S2單片機，它采集被測電機和加載器的信號，并傳遞給計算機，并接受計算機處理之后信號用以驅動被測電機和加載器；上位機應用程序完成啟動、停止整個系統、處理和傳遞參數給單片機，以及模糊控制PID算法的運行。模糊PID控制算法克服了模糊控制精度不高和存在靜態余差的缺點，達到良好的控制效果。

1 手術動力裝置微電機的測功機的硬件設計
整個系統硬件結構如圖1所示，系統主要包括STC12C5A60S2單片機最小系統、電子負載加載電路、電機驅動電路、倍頻電路、放大電路、電壓處理電路和串口通信電路等。

1．1 電子負載加載電路
為了實現自動測試采用自動加載模塊，它主要給被測電機自動加負載，具體采用電樞外接電阻的自動調節模塊。此時勵磁磁場不變，改變電樞外接電阻來調節電樞電流，從而達到改變電機負載轉矩的目的。為了實現自動調節，負載使崩電子可調電阻，采用PWM控制。
1．2 轉矩轉速測量
轉矩測量采用定子轉矩法，即把電機的定子和轉子同時架空，電機旋轉時，電磁力對轉子產生一個旋轉的力矩，同時也向定子施加一個大小相等，且方向相反的反作用力矩。通過力傳感器測得定子的受力，就能計算出轉子所受到的力矩了。根據測試電機的力矩范圍，這里選取6 kg的力傳感器，并用集成運放AD620對其輸出信號進行放大。
轉速測量采用的是WTK-10凹槽型光電傳感器，傳感器的相關電路在內部，直接開關量輸出，檢測頻率為1 kHz，測速采用6縫隙測速碼盤。
1．3 無刷電機驅動電路
其中被測無刷直流電機型號是portescap生產的B0610-024A-R00電機，此電機轉子的材料為永磁磁鋼，電樞繞組放置在定子上。通過永磁磁場和電樞磁場之間的作用，從而產生連續的轉矩來保證電機的連續工作。其中永磁磁場由轉子磁鋼定子產生，電樞磁場由定子繞組產生。電機的電子換相部分采用繞組導通120°電角度、三相橋式控制方式，電機本體的定子采用星型連接方式的系統比較合適。電路圖如圖2所示。

1．4 其他電路
多路開關采用CD4051，電壓處理電路采用AD620運算放大器對信號進行處理。