醫學(xué)治療儀專(zhuān)用變頻器的設計

1前言

醫學(xué)治療儀的服務(wù)對象是人，由此決定了對其傳動(dòng)控制系統要求的嚴格性，尤其是用于治療頸椎病和腰椎間盤(pán)突出癥的治療設備，對傳動(dòng)系統的安全性和準確性提出了更高的要求：絕對不允許失速，不允許越位，且停車(chē)準確。同時(shí)為了簡(jiǎn)化機械部分的設計及減少相關(guān)的傳感器，從機電一體化的原則考慮，將大部分控制功能由電氣控制來(lái)完成。

治療儀傳動(dòng)系統要求電機轉速控制在100～250r/min之間，再通過(guò)50∶1的機械減速器減速，傳動(dòng)扭矩>1.5Nm。擺動(dòng)幅度要求為頸椎：±30°～±60°;腰椎:±60°～±100°；起終點(diǎn)均應控制在中心位置。轉速及擺幅均應根據具體病例可調。

2智能化全數字式專(zhuān)用變頻器的設計

（1）考慮到醫學(xué)治療儀的特殊要求，為了提高變頻器的工作可靠性和控制精度，采用智能化數字化設計，同時(shí)也結合小型化的特點(diǎn)，主功率器件采用日本三菱電機的IGBT智能功率模塊（IPM）PM20CSJ060。輸入為單相220V交流，經(jīng)單相全橋整流器整流后供給智能功率模塊，輸出為三相220V交流，接0.5kW三相異步電動(dòng)機（改為△接法）。

（2）采用INTEL公司的16位單片機80C196KC作為系統CPU，它具有運算速度快,精度高,指令功能強等特點(diǎn)。并帶有8路10位A/D轉換器，可以完成模擬量和數字量信號的檢測?？刂七\算及數據處理，保護功能的邏輯判斷，給PWM產(chǎn)生電路SA4828送設定和控制數據，以及管理鍵盤(pán)和數碼顯示等功能。

（3）SPWM波發(fā)生器采用英國MITEL公司的增強型運動(dòng)控制大規模集成電路SA4828。該芯片作為一種獨立于微處理器的外設形式工作，但它可以受控于任何類(lèi)型的微處理器而幾乎不需要附加任何邏輯電路。管腳的配置使其能適用于大部分總線(xiàn)格式，包括復用的地址/數據總線(xiàn)格式和RD/WR或R/W控制模式。由于僅在改變運行狀態(tài)時(shí)需要微處理器的介入，因此工作時(shí)芯片幾乎不占用CPU的資源。

SA4828采用全數字化操作，載波頻率可達24kHz。內部ROM中存有三種可選的輸出電源波形，諧波抑制技術(shù)可減少功率器件的損耗。16位頻率控制精度，三個(gè)獨立的幅值寄存器可進(jìn)行三相不平衡補償。利用SA4828設計的變頻器硬件結構圖如圖1所示。

圖1 采用SA4828的變頻器硬件結構框圖

3SA4828的功能特點(diǎn)及工作原理

3.1SA4828管腳圖及管腳功能說(shuō)明

SA4828管腳圖如圖2所示。管腳功能說(shuō)明見(jiàn)表1。

圖2 SA4828管腳圖

表1 SA4828管腳說(shuō)明

3.2SA4828內部結構框圖及工作原理

圖3為SA4828的內部結構框圖，從圖中可以看到SA4828主要由三部分構成：

（1）接收并存儲微處理器命令(控制字)的部分,它主要由總線(xiàn)控制、總線(xiàn)譯碼、暫存器R0、R1…R5，虛擬寄存器R14、R15及32位初始化寄存器和48位控制寄存器構成；

（2）從波形ROMS讀取調制波形的部分，它由地址發(fā)生器和波形解壓縮緩沖器構成；

（3）三相輸出控制電路及輸出脈沖鎖存電路，每相輸出控制電路又由脈沖刪除電路和脈沖延遲電路組成。

圖3 SA4828芯片內部框圖

SA4828芯片具有并行的接口與微處理器進(jìn)行通信。該接口和幾乎所有工業(yè)標準的微處理器諸如8051、8096、6805、68000和TMS320等兼容而不需要考慮總線(xiàn)的寬度及增加額外的邏輯電路。大多數的數據總線(xiàn)結構可分為復用地址/數據總線(xiàn)和獨立的地址/數據總線(xiàn)，而大部分的微處理器不是WR/RD結構就是R/W結構；而該芯片設計成可以與上述四種組合中的任一種配合使用。通過(guò)一個(gè)配置引腳（MUX）和一個(gè)寄存器選擇引腳（RS）的狀態(tài)來(lái)區別所有的總線(xiàn)格式。

更重要的是，在系統異常情況（過(guò)流或過(guò)壓）下，一個(gè)緊急關(guān)斷輸入（SETTRIP）能不受微處理器的控制而迅速關(guān)斷所有的PWM輸出，這很好地解決了變頻器的快速保護，避免了因CPU中斷服務(wù)指令周期所造成的延誤。

3.3SA4828芯片的控制功能

對SA4828芯片的控制是通過(guò)微處理器接口將數據送入內部的兩個(gè)寄存器來(lái)實(shí)現的。它們是初始化寄存器和控制寄存器。

初始化寄存器用于設定和電機及逆變器有關(guān)的一些基本參數，這些參數在電機工作前就被初始化，并且在電機工作時(shí)一般不允許改變。

控制寄存器在電機工作過(guò)程中控制脈寬調制波的狀態(tài)，從而進(jìn)一步控制電機的運行，比如轉速，正/反轉，起動(dòng)和停止等。通常在電機工作時(shí)寄存器的內容經(jīng)常被改寫(xiě)以實(shí)現對電機的實(shí)時(shí)控制。

由于受到8位數據接口的限制，數據需首先讀入六個(gè)臨時(shí)寄存器R0、R1…R5中，這些數據隨即被送入相應的初始化寄存器或控制寄存器。新的數據只有在寫(xiě)入對應的寄存器中時(shí)才能真正地發(fā)揮作用。

數據的傳送是通過(guò)寫(xiě)入虛擬寄存器的操作來(lái)實(shí)現的。如寫(xiě)寄存器R14是將初始化數據傳送到初始化寄存器中，寫(xiě)寄存器R15則是將控制數據傳送到控制寄存器中。由于R14、R15并不是實(shí)際的寄存器，因此什么數據被寫(xiě)入并不重要，往這里寫(xiě)數據的操作才真正執行往初始化寄存器或控制寄存器中傳送數據的操作。