医学治疗仪专用变频器系统的研制

1前言

医学治疗仪的服务对象是人，由此决定了对其传动控制系统要求的严格性，尤其是用于治疗颈椎病和腰椎间盘突出症的治疗设备，对传动系统的安全性和准确性提出了更高的要求：绝对不允许失速，不允许越位，且停车准确。同时为了简化机械部分的设计及减少相关的传感器，从机电一体化的原则考虑，将大部分控制功能由电气控制来完成。

治疗仪传动系统要求电机转速控制在100～250r/min之间，再通过50∶1的机械减速器减速，传动扭矩>1.5Nm。摆动幅度要求为颈椎：±30°～±60°;腰椎:±60°～±100°；起终点均应控制在中心位置。转速及摆幅均应根据具体病例可调。

2智能化全数字式专用变频器的设计

（1）考虑到医学治疗仪的特殊要求，为了提高变频器的工作可靠性和控制精度，采用智能化数字化设计，同时也结合小型化的特点，主功率器件采用日本三菱电机的IGBT智能功率模块（IPM）PM20CSJ060。输入为单相220V交流，经单相全桥整流器整流后供给智能功率模块，输出为三相220V交流，接0.5kW三相异步电动机（改为△接法）。

（2）采用INTEL公司的16位单片机80C196KC作为系统CPU，它具有运算速度快,精度高,指令功能强等特点。并带有8路10位A/D转换器，可以完成模拟量和数字量信号的检测。控制运算及数据处理，保护功能的逻辑判断，给PWM产生电路SA4828送设定和控制数据，以及管理键盘和数码显示等功能。

（3）SPWM波发生器采用英国MITEL公司的增强型运动控制大规模集成电路SA4828。该芯片作为一种独立于微处理器的外设形式工作，但它可以受控于任何类型的微处理器而几乎不需要附加任何逻辑电路。管脚的配置使其能适用于大部分总线格式，包括复用的地址/数据总线格式和RD/WR或R/W控制模式。由于仅在改变运行状态时需要微处理器的介入，因此工作时芯片几乎不占用CPU的资源。

SA4828采用全数字化操作，载波频率可达24kHz。内部ROM中存有三种可选的输出电源波形，谐波抑制技术可减少功率器件的损耗。16位频率控制精度，三个独立的幅值寄存器可进行三相不平衡补偿。利用SA4828设计的变频器硬件结构图如图1所示。

图1 采用SA4828的变频器硬件结构框图

3SA4828的功能特点及工作原理

3.1SA4828管脚图及管脚功能说明

SA4828管脚图如图2所示。管脚功能说明见表1。

图2 SA4828管脚图

表1 SA4828管脚说明

3.2SA4828内部结构框图及工作原理

图3为SA4828的内部结构框图，从图中可以看到SA4828主要由三部分构成：

（1）接收并存储微处理器命令(控制字)的部分,它主要由总线控制、总线译码、暂存器R0、R1…R5，虚拟寄存器R14、R15及32位初始化寄存器和48位控制寄存器构成；

（2）从波形ROMS读取调制波形的部分，它由地址发生器和波形解压缩缓冲器构成；

（3）三相输出控制电路及输出脉冲锁存电路，每相输出控制电路又由脉冲删除电路和脉冲延迟电路组成。

图3 SA4828芯片内部框图

SA4828芯片具有并行的接口与微处理器进行通信。该接口和几乎所有工业标准的微处理器诸如8051、8096、6805、68000和TMS320等兼容而不需要考虑总线的宽度及增加额外的逻辑电路。大多数的数据总线结构可分为复用地址/数据总线和独立的地址/数据总线，而大部分的微处理器不是WR/RD结构就是R/W结构；而该芯片设计成可以与上述四种组合中的任一种配合使用。通过一个配置引脚（MUX）和一个寄存器选择引脚（RS）的状态来区别所有的总线格式。

更重要的是，在系统异常情况（过流或过压）下，一个紧急关断输入（SETTRIP）能不受微处理器的控制而迅速关断所有的PWM输出，这很好地解决了变频器的快速保护，避免了因CPU中断服务指令周期所造成的延误。

3.3SA4828芯片的控制功能

对SA4828芯片的控制是通过微处理器接口将数据送入内部的两个寄存器来实现的。它们是初始化寄存器和控制寄存器。

初始化寄存器用于设定和电机及逆变器有关的一些基本参数，这些参数在电机工作前就被初始化，并且在电机工作时一般不允许改变。

控制寄存器在电机工作过程中控制脉宽调制波的状态，从而进一步控制电机的运行，比如转速，正/反转，起动和停止等。通常在电机工作时寄存器的内容经常被改写以实现对电机的实时控制。

由于受到8位数据接口的限制，数据需首先读入六个临时寄存器R0、R1…R5中，这些数据随即被送入相应的初始化寄存器或控制寄存器。新的数据只有在写入对应的寄存器中时才能真正地发挥作用。

数据的传送是通过写入虚拟寄存器的操作来实现的。如写寄存器R14是将初始化数据传送到初始化寄存器中，写寄存器R15则是将控制数据传送到控制寄存器中。由于R14、R15并不是实际的寄存器，因此什么数据被写入并不重要，往这里写数据的操作才真正执行往初始化寄存器或控制寄存器中传送数据的操作。