摘要：以醫(yī)療器械為應(yīng)用背景，介紹了無刷直流電機(jī)的工作原理和數(shù)學(xué)模型；給出了基于MC56F8013數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的調(diào)速控制器的硬件結(jié)構(gòu)、控制策略、系統(tǒng)仿真、試驗(yàn)結(jié)果及軟件實(shí)現(xiàn)。對(duì)控制系統(tǒng)建模和積分分離PI算法進(jìn)行了詳細(xì)的分析。得到的調(diào)速控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠。試驗(yàn)結(jié)果表明，該控制器調(diào)速效果良好，能滿足要求。 關(guān)鍵詞：手術(shù)電鋸；無刷直流電機(jī);數(shù)字信號(hào)處理器；積分分離PT算法

Application of Brushless DC Motor in Medical Devices

Abstract：Based on the application in medial devices，the working theory and mathematical model of BLDC wereintroduced．Then the hardware and software structure of speed controller based on MC56F8013 were showed．The modelof speed loop control system as well as the integral separating PI controlled algorithm was analyzed in detail．Experimentdata shows the advantages of this controller，such as simple stru cture，thigh precision and wide scope of speed． Key words：surgical electric saws；brushless DC motor；digital signal processor（DSP）；integral separating PI controlled algorithm 0 引 言 　　本試驗(yàn)?zāi)康氖情_發(fā)一款醫(yī)療器械產(chǎn)品—手術(shù)電鋸。產(chǎn)品要求運(yùn)行可靠、噪聲小、調(diào)速快且平穩(wěn)，調(diào)速范圍為100—10000r／min，調(diào)速精度高于1％。產(chǎn)品主要由電鋸、電機(jī)和電機(jī)調(diào)速控制器三個(gè)部分組成。 　　無刷直流電機(jī)具有傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)良好的動(dòng)、靜態(tài)調(diào)速特性，且具有交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、易于控制、維護(hù)方便，及運(yùn)行效率高、噪聲小等特點(diǎn)。因此本電鋸選用無刷直流電機(jī)。產(chǎn)品開發(fā)的主要任務(wù)是調(diào)速控制器設(shè)計(jì)。為達(dá)到良好的控制效果，控制器的核心采用運(yùn)算速度快、控制功能強(qiáng)、價(jià)格便宜的MC56F8013型數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）。 [b]1 無刷直流電機(jī)原理及其數(shù)學(xué)模型 1．1 無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理[/b] 　　無刷直流電機(jī)可分為電機(jī)本體、磁極位置傳感器、電子換向開關(guān)電路（逆變器）三部分。其電樞繞組位于定子上，轉(zhuǎn)子由永久磁鋼組成。試驗(yàn)采用兩兩導(dǎo)通星型三相六狀態(tài)驅(qū)動(dòng)，如圖1所示。三相橋式電路在任何時(shí)刻，都只有上橋臂和下橋臂各一個(gè)晶體管導(dǎo)通，使三相繞組中的二相串聯(lián)接到電源上，而剩下的一相繞組則沒有通電；產(chǎn)生的定子磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子永磁磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩推動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)霍爾位置傳感器測(cè)得的轉(zhuǎn)子位置，按6個(gè)節(jié)拍順序?qū)ňw管，產(chǎn)生順序變化的定子磁場(chǎng)使無刷電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)[1]。 1．2 無刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 　　在理想狀態(tài)下，可以推導(dǎo)得到無刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型[2-3]。 　　主回路的電壓平衡方程： 　　電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩乎衡方程： 　　經(jīng)過拉氏變換后聯(lián)立方程組推導(dǎo)，電機(jī)的理想近似傳遞函數(shù)可表示為： 式中： гa— 電動(dòng)機(jī)電磁時(shí)問常數(shù)， гa=L／R； гm— 電機(jī)機(jī)電時(shí)間常數(shù)， гm=（2п／60）×（RC/KeKm ）； Ke— 直流電機(jī)在額定磁通下的反電動(dòng)勢(shì) 轉(zhuǎn)速比，Ke=（Ue-IeR）／ne ； Km — 直流電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩與電樞電流比， Km≈ Ke。 　　通常，гm>4гa，且гa很小，即гaгm《гm，一般取гm=10гa，故控制對(duì)象可近似看作一階系統(tǒng)。產(chǎn)品中使用喜泰62xwc—TKN無刷無槽永磁直流電動(dòng)機(jī)，額定電壓Ue=120V，額定轉(zhuǎn)速ne=10000r／min，額定電流Ie=1．25A，額定功率Pe=150W，磁極對(duì)數(shù)np=2。根據(jù)上面的推導(dǎo)可以得到電機(jī)的近似一階模型為： 　　此傳遞函數(shù)為無刷電機(jī)的傳遞函數(shù)[4]。 2 控制器的硬件 　　控制器硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。MC56F8013是Freescale公司生產(chǎn)的16位定點(diǎn)運(yùn)算的高速DSP。該DSP 采用56800E 增強(qiáng)型內(nèi)核。56F80XX系列是針對(duì)電動(dòng)機(jī)控制而設(shè)計(jì)的，集成了電動(dòng)機(jī)控制所必須的外圍接口電路[6-7]：6通道96 MHz高速脈寬調(diào)制（PWM），2個(gè)3通道12位高速高精度（A／D）模塊，4個(gè)16位定時(shí)／計(jì)數(shù)器以及串行通信接口（SCI）等。 　　控制器驅(qū)動(dòng)電路使用仙童公司的FCBS5CH60型功率模塊。該型智能功率模塊（SPM）額定電流可達(dá)5A，耐壓DC600V，擁有完整的電源輸出電路，使用方便，工作可靠。 　　整個(gè)控制器采用110 V交流電源供電，通過AC—DC變換電路和DC—DC變壓電路輸出直流電，分別供給功率電路和控制電路。無刷直流電機(jī)帶有三相霍爾位置傳感器，產(chǎn)生脈沖信號(hào)輸入DSP的定時(shí)器單元，產(chǎn)生上下邊沿中斷，在中斷程序中讀取位置信號(hào)，并且可以通過檢測(cè)霍爾位置傳感器的脈沖數(shù)來計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速；DSP通過控制PWM的占空比來控制電樞電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制；SCI口同PC機(jī)相連，在控制器工作過程中向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，同時(shí)上位機(jī)也可以向控制器發(fā)送各種命令參數(shù)[5]。 [b]3 控制器的控制方案 3．1 調(diào)速系統(tǒng)控制對(duì)象模型[/b] 　　當(dāng)PWM輸出頻率為20kHz、輸出電壓Ue1為3．3V時(shí)，DSP的PWM計(jì)數(shù)值為4800，對(duì)應(yīng)占空比為1。經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換電路，得驅(qū)動(dòng)電路電壓Us=160V。程序中設(shè)置占空比最高限為0．75，保證電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓不超過額定120V；電流容量為5A，能夠承受較大的瞬時(shí)電流。正常工作時(shí)，輸人為額定電壓，電機(jī)可以穩(wěn)定工作在額定轉(zhuǎn)速上。對(duì)應(yīng)的PWM模塊的傳遞函數(shù)： 　　由于時(shí)間常數(shù)非常小，可以近似地看作一個(gè)比例環(huán)節(jié)，即Kpw =48．48。所以調(diào)速系統(tǒng)控制對(duì)象模型的傳遞函數(shù)可以表示為[4]： 3．2 無刷直流電機(jī)的控制結(jié)構(gòu)圖 　　電機(jī)采用速度單閉環(huán)調(diào)速方式[2]，如圖3所示。速度環(huán)的主要任務(wù)是快速響應(yīng)給定的速度以及消除靜差，滿足系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)要求。 3．3 積分分離PI控制算法 　　PI調(diào)節(jié)器兼顧快速響應(yīng)和消除靜態(tài)誤差兩方面要求。作為校正裝置，它又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，易于實(shí)現(xiàn)，在電機(jī)控制中應(yīng)用十分普遍。在電機(jī)的起動(dòng)、停止或大幅度增減設(shè)定值時(shí)，短時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)輸出有很大的偏差，會(huì)造成PI運(yùn)算的積分積累，致使算得的控制量超過執(zhí)行機(jī)構(gòu)可能最大動(dòng)作范圍對(duì)應(yīng)的極限控制量，引起系統(tǒng)較大的超調(diào)。所以速度調(diào)節(jié)器采用積分分離PI算法，既保持了積分作用，又減小了超調(diào)量，使得控制性能有了較大的改善。 　　在DSP中，誤差量為e（k），輸入量為r（k）。據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)e（k）／r（k）≤0．2，采用PI調(diào)節(jié)： 　　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調(diào)節(jié)： 　　△u（k）=Kp2×e（k） 調(diào)速系統(tǒng)的控制器的輸出控制量為： 　　M（k）=M（k一1）+△u（k） 　　Kp1、Kp2 為比例系數(shù)，K1為積分系數(shù)。一般Kp1大于Kp2 。先進(jìn)行單純比例調(diào)節(jié)，適當(dāng)減小比例系數(shù)以獲得較好的穩(wěn)定性；后進(jìn)行比例積分調(diào)節(jié)，增大比例系數(shù)以得到快速響應(yīng)。同時(shí)根據(jù)實(shí)際的速度曲線對(duì)Kp1、Kp2、K1 值進(jìn)行調(diào)整。 3．4 仿真與試驗(yàn)結(jié)果 　　根據(jù)上面給出的控制對(duì)象模型傳遞函數(shù)、閉環(huán)控制方式和積分分離PI控制算法，在Simulink中進(jìn)行積分分離PI控制算法仿真，如圖4所示。 　　設(shè)定轉(zhuǎn)速為9 000 r／min，仿真結(jié)果見圖5 　　通過虛擬儀器編程語言（CVI）編寫的調(diào)試程序接收電機(jī)的速度值，可以很方便地進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。圖6所示為在空載情況下，下位機(jī)根據(jù)給定轉(zhuǎn)速為9 000r／min，實(shí)時(shí)發(fā)送的電機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。相對(duì)于理想的仿真結(jié)果，實(shí)際速度曲線有微小超調(diào)和振蕩，響應(yīng)時(shí)間也較長(zhǎng)一點(diǎn)；曲線較為平穩(wěn)，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差在1％以內(nèi)，能滿足產(chǎn)品要求。 4 結(jié) 語 　　基于MC56F8013DSP的無刷直流電機(jī)調(diào)速控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定可靠，調(diào)速效果良好。無刷直流電機(jī)在運(yùn)行過程中起動(dòng)快、運(yùn)行平穩(wěn)、噪聲低，能滿足醫(yī)療器械的要求，應(yīng)用前景廣闊。 【參考文獻(xiàn)】 [1]王曉明，王玲．電動(dòng)機(jī)的DSP控制——TI公司DSP應(yīng)用[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004． [2]范正翹．電力傳動(dòng)與自動(dòng)控制系統(tǒng)[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003． [3]黃立培．電動(dòng)機(jī)控制[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2003． [4]王鋒．基于DSP的直流無刷電機(jī)控制器的研究[D]．北京：北京航空航天大學(xué)，2007． [5]邵貝貝，龔光華，薛濤，等．Motorola DSP型16位單片機(jī)原理與實(shí)踐[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出 版社，2003． [6]Freescale．DSP56F8013 Data Sheet[G]．2005．Tongte—one．TT—MC56F8013一EVM User Guide[G]． 2005．