手术动力装置微电机的测功机的研究

摘要：手术动力装置是临床的重要器械，它的电机的性能直接关系到病患的生命，所以对手术动力装置微电机的测功机的研究就显得尤为重要。基于windows平台，以STC单片机为数据采集系统，配合必要的传感器和驱动电路及信号调理电路，应用模糊控制PID算法，开发手术动力装置微型电机的测功机主控系统。该系统完成了数据采集、处理、显示和报警等功能。
关键词：测功机；单片机；模糊控制；手术动力装置

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。

1 手术动力装置微电机的测功机的硬件设计
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。

1．1 电子负载加载电路
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。
1．2 转矩转速测量
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。
1．3 无刷电机驱动电路
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。

1．4 其他电路
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。