手術(shù)動(dòng)力裝置微電機(jī)的測(cè)功機(jī)的研究

趙志強(qiáng) ， 廖 程 ， 沈 巍 ， 鄭國(guó)維

（1.重慶郵電大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)研究中心，重慶 400065；2.重慶醫(yī)科大學(xué) 附屬第二醫(yī)院，重慶 400010）

隨著我國(guó)臨床醫(yī)學(xué)的發(fā)展，手術(shù)動(dòng)力裝置成為臨床手術(shù)中重要的器械之一。一般要求手術(shù)動(dòng)力裝置需具有尺寸小，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，轉(zhuǎn)速精確可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。手術(shù)動(dòng)力裝置所選用電機(jī)與動(dòng)力設(shè)備匹配之前，都需經(jīng)過(guò)測(cè)功機(jī)進(jìn)行動(dòng)力測(cè)試，因手術(shù)動(dòng)力裝置的微型電機(jī)要求轉(zhuǎn)速高而轉(zhuǎn)矩精確等特點(diǎn)，市場(chǎng)上沒(méi)有適合手術(shù)動(dòng)力裝置微型電機(jī)的測(cè)功機(jī)，所以對(duì)手術(shù)動(dòng)力裝置微型電機(jī)的測(cè)功機(jī)研究就顯得尤為重要。

手術(shù)動(dòng)力裝置微電機(jī)的測(cè)功機(jī)由被測(cè)電機(jī)、加載器、多種傳感器、單片機(jī)、上位機(jī)及驅(qū)動(dòng)電路等組成。其中，加載器是一臺(tái)他勵(lì)直流電機(jī)；被測(cè)電機(jī)與加載器用聯(lián)軸器相連；數(shù)據(jù)采集采用STC12C5A60S2單片機(jī)，它采集被測(cè)電機(jī)和加載器的信號(hào)，并傳遞給計(jì)算機(jī)，并接受計(jì)算機(jī)處理之后信號(hào)用以驅(qū)動(dòng)被測(cè)電機(jī)和加載器；上位機(jī)應(yīng)用程序完成啟動(dòng)、停止整個(gè)系統(tǒng)、處理和傳遞參數(shù)給單片機(jī)，以及模糊控制PID算法的運(yùn)行[1-2]。模糊PID控制算法克服了模糊控制精度不高和存在靜態(tài)余差的缺點(diǎn)，達(dá)到良好的控制效果。

1 手術(shù)動(dòng)力裝置微電機(jī)的測(cè)功機(jī)的硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)主要包括STC12C5 A60S2單片機(jī)最小系統(tǒng)、電子負(fù)載加載電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、倍頻電路、放大電路、電壓處理電路和串口通信電路等。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Hardware structure of the system

1.1 電子負(fù)載加載電路

為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)試采用自動(dòng)加載模塊，它主要給被測(cè)電機(jī)自動(dòng)加負(fù)載，具體采用電樞外接電阻的自動(dòng)調(diào)節(jié)模塊。此時(shí)勵(lì)磁磁場(chǎng)不變，改變電樞外接電阻來(lái)調(diào)節(jié)電樞電流，從而達(dá)到改變電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的目的。為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)，負(fù)載使用電子可調(diào)電阻，采用PWM控制。

1.2 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測(cè)量

轉(zhuǎn)矩測(cè)量采用定子轉(zhuǎn)矩法，即把電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子同時(shí)架空，電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，電磁力對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)的力矩，同時(shí)也向定子施加一個(gè)大小相等，且方向相反的反作用力矩。通過(guò)力傳感器測(cè)得定子的受力，就能計(jì)算出轉(zhuǎn)子所受到的力矩了。根據(jù)測(cè)試電機(jī)的力矩范圍，這里選取6 kg的力傳感器，并用集成運(yùn)放AD620對(duì)其輸出信號(hào)進(jìn)行放大。

轉(zhuǎn)速測(cè)量采用的是WTK-10凹槽型光電傳感器，傳感器的相關(guān)電路在內(nèi)部，直接開(kāi)關(guān)量輸出，檢測(cè)頻率為1 kHz，測(cè)速采用6縫隙測(cè)速碼盤(pán)[3]。

1.3 無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

其中被測(cè)無(wú)刷直流電機(jī)型號(hào)是portescap生產(chǎn)的B0610-024A-R00電機(jī)，此電機(jī)轉(zhuǎn)子的材料為永磁磁鋼，電樞繞組放置在定子上。通過(guò)永磁磁場(chǎng)和電樞磁場(chǎng)之間的作用，從而產(chǎn)生連續(xù)的轉(zhuǎn)矩來(lái)保證電機(jī)的連續(xù)工作。其中永磁磁場(chǎng)由轉(zhuǎn)子磁鋼定子產(chǎn)生，電樞磁場(chǎng)由定子繞組產(chǎn)生。電機(jī)的電子換相部分采用繞組導(dǎo)通120°電角度、三相橋式控制方式，電機(jī)本體的定子采用星型連接方式的系統(tǒng)比較合適。電路圖如圖2所示。

圖2 無(wú)刷直流電機(jī)三相全控電路圖Fig.2 Brushless dc motor three-phase all control circuit diagram

1.4 其他電路

多路開(kāi)關(guān)采用CD4051，電壓處理電路采用AD620運(yùn)算放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。

2 手術(shù)動(dòng)力裝置微電機(jī)的測(cè)功機(jī)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的要求不僅是對(duì)外界參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，在一定時(shí)間內(nèi)完成對(duì)數(shù)據(jù)的采集和處理，而且還必須對(duì)相應(yīng)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、電壓、電流、功率等進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。系統(tǒng)的主要任務(wù)有4個(gè)：通過(guò)串口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信任務(wù)、發(fā)送加載器及電機(jī)驅(qū)動(dòng)任務(wù)、數(shù)據(jù)采集任務(wù)、數(shù)據(jù)分析顯示。測(cè)功機(jī)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括兩部分，上位機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)和單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)。

2.1 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)主要任務(wù)是：串口通信、數(shù)據(jù)分析顯示和發(fā)送任務(wù)。上位機(jī)利用Visual C++6.0作為開(kāi)發(fā)工具，實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)的通信，通信采用MFC的MSComm控件。上位機(jī)可以提供如下功能：被測(cè)電機(jī)參數(shù)設(shè)置（轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速）、參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)（其中包括轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、電流、功率等參數(shù)）和控制策略的實(shí)現(xiàn)。具體的流程框圖如圖3（a）所示。

2.2 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)信息采集控制系統(tǒng)是一個(gè)多輸入多輸出的測(cè)控系統(tǒng)，主要任務(wù)有：數(shù)據(jù)采集任務(wù)、串口通信任務(wù)和發(fā)送電流加載任務(wù)，實(shí)時(shí)性要求較高。由于單片機(jī)內(nèi)存資源有限，應(yīng)盡量減少任務(wù)個(gè)數(shù)，即減少任務(wù)堆棧個(gè)數(shù)將相近的功能整合到一個(gè)任務(wù)中；同時(shí)中斷有關(guān)的任務(wù)要注意保護(hù)，避免反復(fù)響應(yīng)和進(jìn)入中斷，導(dǎo)致系統(tǒng)負(fù)荷過(guò)大，實(shí)時(shí)性受影響；還應(yīng)把計(jì)算量較大的任務(wù)給上位機(jī)來(lái)運(yùn)行，保證實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性[4-6]。具體的流程框圖如圖3（b）所示。

圖3 上位機(jī)和單片機(jī)程序流程圖Fig.3 PC and MCU program flow chart

2.3 模糊PID控制器的設(shè)計(jì)

目前，工業(yè)過(guò)程中廣泛采用PID控制，不同的對(duì)象要用不同的PID參數(shù)，而且調(diào)整不方便，抗干擾能力差，超調(diào)量大。因此采用模糊控制系統(tǒng)對(duì)模型進(jìn)行控制。

模糊PID控制器是模糊控制器與傳統(tǒng)PID控制器的結(jié)合，它的設(shè)計(jì)思想是：先找出PID參數(shù)與期望值與實(shí)際輸出的偏差E和偏差變化EC之間的模糊關(guān)系，在運(yùn)行中通過(guò)不斷檢測(cè)E和EC，再根據(jù)模糊控制原理對(duì)3個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線整定，傳統(tǒng) PID控制器在獲得新的 Kp，Ki，Kd后，對(duì)控制對(duì)象輸出控制量。模糊PID控制器原理圖如圖4所示。

圖4 模糊PID控制器原理圖Fig.4 Fuzzy PID controller principle diagram

模糊控制系統(tǒng)是2輸入3輸出系統(tǒng)。根據(jù)掌握的經(jīng)驗(yàn)，共分7個(gè)等級(jí)。 模糊控制器的設(shè)計(jì)必須通過(guò)多次修改模糊推理規(guī)則進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并進(jìn)行在線、離線的反復(fù)調(diào)試才能最后確定。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期人工操作經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，并作出Kp、Ki、Kd的模糊推理表。

模糊推理設(shè)計(jì)采用Mamdani方法，分別用max和min實(shí)現(xiàn)OR和AND算子，用min實(shí)現(xiàn)蘊(yùn)含關(guān)系，用max實(shí)現(xiàn)合成規(guī)則。清晰化方法采用重心法。通過(guò)重心法解模糊處理，得到量化值輸出 ΔKp，ΔKi，ΔKd，實(shí)現(xiàn) PID 3 個(gè)參數(shù)的在線整定。

圖5 傳統(tǒng)PID控制器仿真圖Fig.5 Traditional PID controller simulation diagram

圖6 模糊PID控制器仿真圖Fig.6 Fuzzy PID controller simulation diagram

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的設(shè)備，選用一臺(tái)他勵(lì)直流額定轉(zhuǎn)速為25 000 r/min、額定功率為24 W的他勵(lì)直流電機(jī)為測(cè)功機(jī)，圖7為上位機(jī)采集到的數(shù)據(jù)。

圖7 上位機(jī)程序Fig.7 PC program

4 結(jié) 論

經(jīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，測(cè)試結(jié)果與實(shí)際相符，測(cè)功機(jī)使用模糊控制PID算法使得響應(yīng)迅速，不僅體積小、價(jià)格低、功能全、使用維護(hù)方便，無(wú)需人手操作，也可用于其它各種機(jī)械傳動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測(cè)量，為研究手術(shù)動(dòng)力裝置微電機(jī)提供了良好的條件。

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