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电动医疗床用无刷直流电机控制系统

来源:北京永光高特微电机有限公司作者:李利网址:http://www.yggtwdj.cn浏览数:374

摘要:以两个无刷直流电机为控制对象,提出了一种通过单片机和专用控制芯片实现电动床双自由度运动的控

制系统。该控制系统运行可靠稳定,成本低,同时具备电动床位置记忆功能。具有广阔的市场前景。

O  引  言

   作为医疗器械的电动床,已被广泛地应用于医院、疗养院、养老院等许多领域。当前市场上多数电动床的运动机构所采用的是有刷直流电机或异步电机。有刷直流电机存在可靠性、换向火花、机械噪声、粉尘等问题;异步电机需要220V的交流电源直接驱动,而医疗设备需要36V以下安全电压,使用无刷直流电机能从根本上解决系统以上问题,噪音小、无粉尘、可靠性高。

   目前国内电动床市场进口占了很大比例。其质量较好但价格相对较高。这给国内的电动床的生产商提出了一个挑战:提高同类产品的性价比。

   针对医疗电动床的应用需求,提出了一种双自由度的无刷直流电机控制系统。该控制系统由一片8051单片机作为核心控制单元、两个MC33035专用控制芯片组成两个驱动器,两个驱动器分别驱动两个电机,带动电动床的两个可调部位作上下升降运动,进而满足人体舒适姿态要求。该方案系统成本低、性能好,具有较好的应用前景。本文从控制系统结构、驱动电路设计和软件实现三个方面阐述电床用双自由度无刷直流电机控制系统。

1  系统设计

1.1控制系统结构    

为了使医疗电动床能够进行两自由度的运动,同时简化控制系统结构,本系统采用如图1的控制结构。该控制电路由单片机控制单元和驱动电路组成。

 图1 控制系统结构框图

该系统控制单元由一片8051单片机组成。它同时控制两个驱动器和两个电机工作。实现的主要功能为电动床位置记忆,并同时控制电机开/停机和正/反转。单片机同时输入两个电机的霍尔信号,可判断出电机妆前的运行位置,进而可实现电动床位置信息存储。

驱动电路由两套完全相同的驱动器组成,两个驱动器分别驱动两个相同的电机。该双自由度控制系统可实现人体舒适功能,两个连续并独立的可调区段,适应人体的颈,背和大小腿。双自由度电动床运动机构示意图如图2所示。这两个可调区段分别为人体背部部位和腿的弯曲部位,两个控制器控制两个电机分别驱动这两个部位作上下升降运动,以调节到满足人体舒适要求的最佳位置。

 图2 双自由度电动床运动机构示意图

1 . 2  驱动电路设计

系统的驱动电路如图3所示。其中,220V的交流电经变压器和整流桥变成直流电,直流电源两路给两个功率驱动电路供电,两路给两个驱动器电,还有一路给单片机供电。一个单片机控制两套驱动机构同时工作。电机的霍尔信号经转子位置传感反馈给单片机和驱动电路,构成P调节的转速闭环控制。当电动床上升和下降到达极限位置时,电动床的限位传感器可以给控制提供一个卡位信号。

 图3 驱动系统结构图

由于系统可靠性和性价比考虑,本设计采用了MOTOROLA公司生产的MC33035万用控制芯片,该芯片外围电路路少,体积小,运行可靠,稳定性高造价低,并具备一特殊的保护功能,包括:欠压锁定,带可选时间延迟锁存关断模式的循环电流,内部过热停车,和唯一一个与微处理器控制系统相连的故障输出端等。

出于系统稳定性考虑,本设计采用了速度反馈器件MC33039。该器件与霍尔转子位置传感器信号输入端相连接,经F/V转换,得到一与速度成正比的电压信号,经阻容网络滤波电路反馈回给MC33035差分放大器负端,从而构成一个简单的P调节器,实现电机以平稳速度运行。    控制器工作过程为:从电机转子位置检测器送来的三相位置检测信号,一方面送人MC33035,经芯片内部译码电路结合正反转控制端、起停控制端制动控制端、电流检测端等控制逻辑信状态,经过运算后,产生逆变器MOSFET三相上、下桥臂开关器件6路原始信号。三相下桥PWM控制信及三相上桥控制信号经过驱动放大后,施加到运逆变器的个开关管上,使其产生出供电机正常运行所需的三相PWM电压。

1 . 3 单片机

  根据用户的不同需求,可控制调节电动床的4种姿态,即上下和俯仰。单片机实现电动床位置记忆的辅助功能。它将用户前一次调整好的舒适姿态位置存储起来,用户无需重新调整,只需按下存储器按钮,电动床就可自动调节恢复到存储器记的位置。

 图4 主程序流程图

该单片机同时管理两个驱动器和两个电机工作,实现电机的起/停、正/反转并根据输人的两个电机的霍尔信号判断电机位置,实现电动床位置记忆功能。单片机内存为4k,具有4个记忆位置,复位功能实现位置的存和取,锁存功能实现位置锁定。作为最小单片机系统,其主要功能的实现为软件设计,主程序流程图如图4所示。记忆子程序流程图如图5所示。

 图5 记忆子程序流程图

外部中断判断电机正反转信号;定时器中断判断电机是否停机;记忆子程序实现电动床位置的存和取;run子程序直接存储位置。

2  总  结

本文针对医疗电动床的驱动需求,给出一个由单片机、专用芯片和无刷直流电机实现电机运动的双自由度控制系统。该系统具有电路简单紧凑、响应速度快、调试方便、可靠性高、运行平稳、性价比高、具备位置记忆功能等特点,显现出广阔的市场前景。

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