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手术动力装置微电机的测功机的研究

日期:2018-12-17 08:51

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

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