手术动力装置微电机的测功机的研究

摘要：手术动力装置是临床的重要器械，它的电机的性能直接关系到病患的生命，所以对手术动力装置微电机的测功机的研究就显得尤为重要。基于windows平台，以STC单片机为数据采集系统，配合必要的传感器和驱动电路及信号调理电路，应用模糊控制PID算法，开发手术动力装置微型电机的测功机主控系统。该系统完成了数据采集、处理、显示和报警等功能。
关键词：测功机；单片机；模糊控制；手术动力装置

    随着我国临床医学的发展，手术动力装置成为临床手术中重要的器械之一。一般要求手术动力装置需具有尺寸小，转矩脉动小，转速精确可调等优点。手术动力装置所选用电机与动力设备匹配之前，都需经过测功机进行动力测试，因手术动力装置的微型电机要求转速高而转矩精确等特点，市场上没有适合手术动力装置微型电机的测功机，所以对手术动力装置微型电机的测功机研究就显得尤为重要。
    手术动力装置微电机的测功机由被测电机、加载器、多种传感器、单片机、上位机及驱动电路等组成。其中，加载器是一台他励直流电机；被测电机与加载器用联轴器相连；数据采集采用STC12C5A60S2单片机，它采集被测电机和加载器的信号，并传递给计算机，并接受计算机处理之后信号用以驱动被测电机和加载器；上位机应用程序完成启动、停止整个系统、处理和传递参数给单片机，以及模糊控制PID算法的运行。模糊PID控制算法克服了模糊控制精度不高和存在静态余差的缺点，达到良好的控制效果。

1 手术动力装置微电机的测功机的硬件设计
    整个系统硬件结构如图1所示，系统主要包括STC12C5A60S2单片机最小系统、电子负载加载电路、电机驱动电路、倍频电路、放大电路、电压处理电路和串口通信电路等。

1．1 电子负载加载电路
    为了实现自动测试采用自动加载模块，它主要给被测电机自动加负载，具体采用电枢外接电阻的自动调节模块。此时励磁磁场不变，改变电枢外接电阻来调节电枢电流，从而达到改变电机负载转矩的目的。为了实现自动调节，负载使崩电子可调电阻，采用PWM控制。
1．2 转矩转速测量
    转矩测量采用定子转矩法，即把电机的定子和转子同时架空，电机旋转时，电磁力对转子产生一个旋转的力矩，同时也向定子施加一个大小相等，且方向相反的反作用力矩。通过力传感器测得定子的受力，就能计算出转子所受到的力矩了。根据测试电机的力矩范围，这里选取6 kg的力传感器，并用集成运放AD620对其输出信号进行放大。
    转速测量采用的是WTK-10凹槽型光电传感器，传感器的相关电路在内部，直接开关量输出，检测频率为1 kHz，测速采用6缝隙测速码盘。
1．3 无刷电机驱动电路
    其中被测无刷直流电机型号是portescap生产的B0610-024A-R00电机，此电机转子的材料为永磁磁钢，电枢绕组放置在定子上。通过永磁磁场和电枢磁场之间的作用，从而产生连续的转矩来保证电机的连续工作。其中永磁磁场由转子磁钢定子产生，电枢磁场由定子绕组产生。电机的电子换相部分采用绕组导通120°电角度、三相桥式控制方式，电机本体的定子采用星型连接方式的系统比较合适。电路图如图2所示。

1．4 其他电路
    多路开关采用CD4051，电压处理电路采用AD620运算放大器对信号进行处理。

2 手术动力装置微电机的测功机的软件设计
    系统的设计目的要求不仅是对外界参数进行实时测量，在一定时间内完成对数据的采集和处理，而且还必须对相应的转速、转矩、电压、电流、功率等进行实时控制。系统的主要任务有4个：通过串口进行数据通信任务、发送加载器及电机驱动任务、数据采集任务、数据分析显示。测功机系统的软件设计包括两部分，上位机应用程序设计和单片机软件设计。
2．1 上位机软件设计
    上位机主要任务是：串口通信、数据分析显示和发送任务。上位机利用Visual C++6．0作为开发工具，实现与单片机的通信，通信采用MFC的MSComm控件。上位机可以提供如下功能：被测电机参数设置(转矩和转速)、参数实时监测(其中包括转速、转矩、电流、功率等参数)和控制策略的实现。具体的流程框图如图3(a)所示。

2．2 单片机软件设计
    单片机信息采集控制系统是一个多输入多输出的测控系统，主要任务有：数据采集任务、串口通信任务和发送电流加载任务，实时性要求较高。由于单片机内存资源有限，应尽量减少任务个数，即减少任务堆栈个数将相近的功能整合到一个任务中；同时中断有关的任务要注意保护，避免反复响应和进入中断，导致系统负荷过大，实时性受影响；还应把计算量较大的任务给上位机来运行，保证实时性和稳定性。
具体的流程框图如图3(b)所示。
2．3 模糊PID控制器的设计
    目前，工业过程中广泛采用PID控制，不同的对象要用不同的PID参数，而且调整不方便，抗干扰能力差，超调量大。因此采用模糊控制系统对模型进行控制。
    模糊PID控制器是模糊控制器与传统PID控制器的结合，它的设计思想是：先找出PID参数与期望值与实际输出的偏差E和偏差变化EC之间的模糊关系，在运行中通过不断检测E和EC，再根据模糊控制原理对3个参数进行在线整定，传统PID控制器在获得新的Kp，Ki，Kd后，对控制对象输出控制量。模糊PID控制器原理图如图4所示。

    模糊控制系统是2输入3输出系统。根据掌握的经验，共分7个等级。模糊控制器的设计必须通过多次修改模糊推理规则进行优化设计，并进行在线、离线的反复调试才能最后确定。经过长期人工操作经验的总结，并作出Kp、Ki、Kd的模糊推理表。
    模糊推理设计采用Mamdani方法，分别用max和min实现OR和AND算子，用min实现蕴含关系，用max实现合成规则。清晰化方法采用重心法。通过重心法解模糊处理，得到量化值输出△Kp，△Ki，△Kd，实现PID3个参数的在线整定。
    根据微电机-测功机模型分析，设控制对象的传函为

。当输入单位阶跃信号的时候，考察系统的响应输出曲线，用普通PID和模糊PID来作比较。PID控制器的初始值设为：Kp=0．4，Ki=0．0，Kd=1．0。如图5和6所示，分别是传统PID控制器和模糊PID控制器，采用模糊PID控制器，系统响应快，超调量小，调整时间短，具有良好的跟踪性能。

3 实验结果
    根据实验室现有的设备，选用一台他励直流额定转速为25 000 r／min、额定功率为24 W的他励直流电机为测功机，图7为上位机采集到的数据。

4 结论
    经试验数据验证，测试结果与实际相符，测功机使用模糊控制PID算法使得响应迅速，不仅体积小、价格低、功能全、使用维护方便，无需人手操作，也可用于其它各种机械传动装置的转矩转速测量，为研究手术动力装置微电机提供了良好的条件。