醫(yī)學(xué)治療儀專用變頻器的研制

1前言

醫(yī)學(xué)治療儀的服務(wù)對(duì)象是人，由此決定了對(duì)其傳動(dòng)控制系統(tǒng)要求的嚴(yán)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(shè)備，對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的安全性和準(zhǔn)確性提出了更高的要求：絕對(duì)不允許失速，不允許越位，且停車準(zhǔn)確。同時(shí)為了簡(jiǎn)化機(jī)械部分的設(shè)計(jì)及減少相關(guān)的傳感器，從機(jī)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(tǒng)要求電機(jī)轉(zhuǎn)速控制在100～250r/min之間，再通過(guò)50∶1的機(jī)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(yīng)控制在中心位置。轉(zhuǎn)速及擺幅均應(yīng)根據(jù)具體病例可調(diào)。

2智能化全數(shù)字式專用變頻器的設(shè)計(jì)

（1）考慮到醫(yī)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(shù)字化設(shè)計(jì)，同時(shí)也結(jié)合小型化的特點(diǎn)，主功率器件采用日本三菱電機(jī)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(jī)（改為△接法）。

（2）采用INTEL公司的16位單片機(jī)80C196KC作為系統(tǒng)CPU，它具有運(yùn)算速度快,精度高,指令功能強(qiáng)等特點(diǎn)。并帶有8路10位A/D轉(zhuǎn)換器，可以完成模擬量和數(shù)字量信號(hào)的檢測(cè)。控制運(yùn)算及數(shù)據(jù)處理，保護(hù)功能的邏輯判斷，給PWM產(chǎn)生電路SA4828送設(shè)定和控制數(shù)據(jù)，以及管理鍵盤(pán)和數(shù)碼顯示等功能。

（3）SPWM波發(fā)生器采用英國(guó)MITEL公司的增強(qiáng)型運(yùn)動(dòng)控制大規(guī)模集成電路SA4828。該芯片作為一種獨(dú)立于微處理器的外設(shè)形式工作，但它可以受控于任何類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格式，包括復(fù)用的地址/數(shù)據(jù)總線格式和RD/WR或R/W控制模式。由于僅在改變運(yùn)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(shù)字化操作，載波頻率可達(dá)24kHz。內(nèi)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(dú)立的幅值寄存器可進(jìn)行三相不平衡補(bǔ)償。利用SA4828設(shè)計(jì)的變頻器硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

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。3.2SA4828內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖及工作原理

圖1采用SA4828的變頻器硬件結(jié)構(gòu)框圖

圖2SA4828管腳圖

圖3為SA4828的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖，從圖中可以看到SA4828主要由三部分構(gòu)成：

（1）接收并存儲(chǔ)微處理器命令(控制字)的部分,它主要由總線控制、總線譯碼、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(gòu)成；

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

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(biāo)準(zhǔn)的微處理器諸如8051、8096、6805、68000和TMS320等兼容而不需要考慮總線的寬度及增加額外的邏輯電路。大多數(shù)的數(shù)據(jù)總線結(jié)構(gòu)可分為復(fù)用地址/數(shù)據(jù)總線和獨(dú)立的地址/數(shù)據(jù)總線，而大部分的微處理器不是WR/RD結(jié)構(gòu)就是R/W結(jié)構(gòu)；而該芯片設(shè)計(jì)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(qū)別所有的總線格式。

更重要的是，在系統(tǒng)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(hù)，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(duì)SA4828芯片的控制是通過(guò)微處理器接口將數(shù)據(jù)送入內(nèi)部的兩個(gè)寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。它們是初始化寄存器和控制寄存器。

表1SA4828管腳說(shuō)明

圖3SA4828芯片內(nèi)部框圖

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

控制寄存器在電機(jī)工作過(guò)程中控制脈寬調(diào)制波的狀態(tài)，從而進(jìn)一步控制電機(jī)的運(yùn)行，比如轉(zhuǎn)速，正/反轉(zhuǎn)，起動(dòng)和停止等。通常在電機(jī)工作時(shí)寄存器的內(nèi)容經(jīng)常被改寫(xiě)以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的實(shí)時(shí)控制。

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

數(shù)據(jù)的傳送是通過(guò)寫(xiě)入虛擬寄存器的操作來(lái)實(shí)現(xiàn)的。如寫(xiě)寄存器R14是將初始化數(shù)據(jù)傳送到初始化寄存器中，寫(xiě)寄存器R15則是將控制數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)被寫(xiě)入并不重要，往這里寫(xiě)數(shù)據(jù)的操作才真正執(zhí)行往初始化寄存器或控制寄存器中傳送數(shù)據(jù)的操作。

（1）初始化寄存器的編程

初始化寄存器將確定如下參數(shù)：載波頻率，電源頻率范圍，脈沖延遲時(shí)間，脈沖取消時(shí)間，波形選擇，醫(yī)學(xué)治療儀專用變頻器的研制幅值控制，計(jì)數(shù)器復(fù)位（這個(gè)功能可使SA4828內(nèi)部將調(diào)制頻率計(jì)數(shù)器置為0,此時(shí)禁止正常的頻率控制操作,每一相輸出占空比為50％的脈沖）,軟件復(fù)位等。這些參數(shù)由相應(yīng)的控制字確定,而這些控制字在送到32位初始化寄存器之前,先要分別送到4個(gè)8位寄存器R0、R1、R2和R3中。其內(nèi)容如表2所示：

表2寄存器內(nèi)容

①載波頻率選擇

R0中的CFS字稱為載波頻率選擇字,設(shè)n為與CFS字相對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù),則實(shí)際載波頻率fc為:fc=

式中fk為外部時(shí)鐘頻率。

②輸出電源頻率范圍選擇

R0中的FRS字稱為電源頻率范圍選擇字,設(shè)m為與FRS字相對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù),則實(shí)際的輸出電源頻率fr范圍為:fr=

③脈沖延遲時(shí)間選擇

R2中的PDY字為脈沖延遲時(shí)間選擇字，設(shè)x為與PDY字相對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制值，則實(shí)際的脈沖延遲時(shí)間Tpdy由下式確定：Tpdy=

④脈沖取消時(shí)間選擇

R1中的PDT字為脈沖取消時(shí)間選擇字，設(shè)y為與PDT字相對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制值，則實(shí)際的脈沖取消時(shí)間Tpdt由下式確定：Tpdt=

應(yīng)該指出的是，由于脈沖延遲電路跟在脈沖刪除電路之后（見(jiàn)圖3），故輸出的PWM脈沖的實(shí)際最小寬度將比設(shè)定的脈沖取消時(shí)間為窄，這個(gè)實(shí)際的最小脈沖寬度為T(mén)pdt?Tpdy。

⑤波形選擇

R3中的WS1、WS0兩位用于確定輸出的電源波形，詳見(jiàn)表3。波形可由具體的數(shù)學(xué)表達(dá)式來(lái)表示，具體的形狀見(jiàn)圖4。

表3WS1、WSO確定的輸出電源波形

R3中的幅值控制位（AC）定義了三相波形幅值的受控方式。當(dāng)AC=0（芯片默認(rèn)值）時(shí)，控制寄存器內(nèi)紅色相幅值，寄存器用于控制所有三相調(diào)制頻率的幅值。而當(dāng)AC=1時(shí)，采用三個(gè)獨(dú)立的幅值寄存器分別控制對(duì)應(yīng)相調(diào)制頻率的幅值。

⑦計(jì)數(shù)器復(fù)位（CR）

當(dāng)R3中的計(jì)數(shù)器復(fù)位CR=1時(shí)，紅色相相位計(jì)數(shù)器設(shè)置為0,此時(shí)禁止正常的頻率控制操作,每一相輸出占空比為50％的脈沖.

⑧軟件復(fù)位(RST)

R3中的RST=1時(shí),將整個(gè)芯片復(fù)位為初始化默認(rèn)狀態(tài),它的效果與硬件復(fù)位腳RST等同。

（2）控制寄存器的編程

控制寄存器是一個(gè)48位寄存器，控制寄存器的數(shù)據(jù)以8位為一個(gè)單元分別讀入臨時(shí)寄存器R0～R5中，然后通過(guò)寫(xiě)虛擬寄存器R15將R0～R5中的數(shù)據(jù)

圖4SA4828的內(nèi)部調(diào)制波形

(a)正弦波(b)基波加三次諧波(c)帶有死區(qū)的基波加三次諧波

傳送到控制寄存器。其內(nèi)容如表4所示。

①電源頻率選擇

輸出電源頻率可在最大電源頻率范圍內(nèi)線性地調(diào)節(jié),它由一個(gè)16位的電源頻率選擇字"PFS"決定,整個(gè)電源頻率范圍被劃分為65536等分。由于PFS字跨越兩個(gè)臨時(shí)寄存器R0、R1，所以當(dāng)改變輸出電源頻率時(shí)，必須在寫(xiě)虛似寄存器R15之前同時(shí)刷新這兩個(gè)臨時(shí)寄存器的值。

電源頻率fp由下式?jīng)Q定：fp=Pfs

式中：Pfs為16位PFS選擇字的十進(jìn)制值。

②電源幅值選擇

輸出電源的幅值正比于內(nèi)部ROM中的采樣值和8位幅值選擇字（RAMP、BAMP、YAMP）的值。幅值的百分比計(jì)算公式如下：APOWER=100％

式中：A為8位幅值選擇字的十進(jìn)制值。

值得注意的是，初始化寄存器中的幅值控制位（AC）決定了紅色相幅值寄存器的值是否用于控制所有的三相輸出幅值。

③正/反轉(zhuǎn)選擇

三相PWM輸出的相位決定于R2中的F/R選擇位：

F/R=0正轉(zhuǎn)相序?yàn)榧t?黃?蘭；

F/R=1反轉(zhuǎn)相序?yàn)樘m?黃?紅。

在正反轉(zhuǎn)切換時(shí)，輸出波形仍保持連續(xù)。

④輸出禁止選擇

當(dāng)R2中的輸出禁止位（INH）有效（為1）時(shí)，所有的PWM輸出變?yōu)榈碗娖綘顟B(tài)，而芯片內(nèi)部其他操作并不受影響。該位被釋放后所有的輸出立即恢復(fù)原狀。

需要注意的是，輸出禁止電路在脈沖刪除和脈寬延遲電路之后，因此在輸出禁止的初期有可能產(chǎn)生一些過(guò)窄的脈沖。

3.4SA4828芯片編程實(shí)例

本例的變頻器采用12.288MHz時(shí)鐘。初始化寄存器設(shè)計(jì)的具體參數(shù)如下：

載波頻率3kHz

電源頻率15Hz

脈沖取消時(shí)間10μs

脈寬延遲時(shí)間5μs

電源波形抑制了三次諧波的波形

幅值控制三相幅值對(duì)稱

（1）初始化寄存器編程實(shí)例

①設(shè)定載波頻率由fc=得2n==8

則n=3R0中的CFS字為011H

②設(shè)定輸出電源頻率范圍由fr=2m得2m==2

則m=1，R0中的FRS字為001H。

③設(shè)定脈寬延遲時(shí)間由Tpdy==5μs

可得x=64－ (Tpdy×fc×512)=56.32

取整數(shù)56，則R2中的6位PDY字為111000H

④設(shè)定脈沖取消時(shí)間

由于實(shí)際輸出PWM脈沖的最小脈寬為T(mén)pdt?Tpdy,所以在設(shè)定最小脈沖取消時(shí)間時(shí),應(yīng)加上脈寬延遲時(shí)間。

因此在本例中實(shí)際最小脈沖寬度應(yīng)為10μs＋5μs=15μs由Tpdt=

可得y=128－ (Tpdt×fc×512)

=128－(15.2×10－6×3×103×512)

≈104.65

取整數(shù)104,則R1中的PDT值為01101000H

⑤設(shè)定波形選擇,幅值控制等

選擇輸出波形為基波加三次諧波，故WS1=0，WS0=1，無(wú)用戶輸出選擇，故OPT1=0， OPTO=0。設(shè)定幅值控制位AC=0，選擇三相平衡幅值控制方式，正常工作時(shí)計(jì)數(shù)器復(fù)位和軟件復(fù)位均無(wú)效，故 CR=RST=0。所以R3中的二進(jìn)制代碼為00000001。綜上所述，初始化寄存器中：

R0=0010001123H

R1=0110100068H

R2=0011100038H

R3=0000000101H

（2）控制寄存器編程實(shí)例

根據(jù)治療儀控制的具體要求，變頻器輸出頻率最高不超過(guò)10Hz，相應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為280r/min。由于輸出頻率需要隨時(shí)調(diào)整，利用80C196KC單片機(jī)的模擬量輸入通道CH0，輸入經(jīng)5.1kΩ電阻和10kΩ電位器將＋5V電源電壓分壓后提供的電壓信號(hào)。80C196KC的模擬量轉(zhuǎn)換為10位精度,給分壓電位器提供的最高電壓約3.3V左右,采樣碼為680。由于SA4828的輸出電源頻率精度為16位,必須將10位采樣值左移6位,然后將其低位送入臨時(shí)寄存器R0,高位則送入R1。

由于采用VVVF控制，幅值與電源頻率成正比，可得頻率設(shè)定電位器的采樣值，A×15/50，再右移2位后送入臨時(shí)寄存器R3。由于采用三相平衡幅值,R4、R5可以不賦值。

輸出禁止無(wú)效，故INH=0，正反轉(zhuǎn)F/R是周期性改變的，開(kāi)始半擺為正轉(zhuǎn)，F(xiàn)/R=0，故R2=0，以后每次要改變方向時(shí)，將R2的D0位取反即可。

擺幅控制則可通過(guò)一只10kΩ電位器將＋5V電源電壓分壓后送入80C196KC的模擬量輸入通道CH1實(shí)現(xiàn)。

4治療儀控制功能的實(shí)現(xiàn)

4.1失速控制

通過(guò)將SA4828的最高調(diào)制頻率設(shè)定為10Hz，其轉(zhuǎn)速為280r/min，稍高于250r/min，留有一定的調(diào)節(jié)余量。

4.2擺幅控制

當(dāng)電機(jī)以最高轉(zhuǎn)速250r/min旋轉(zhuǎn)時(shí)，經(jīng)1/50減速器后，轉(zhuǎn)速為5r/min=1800°/min=30°/s。100°/(30°/s)=3.33s。200°/(30°/s)=6.67s。若以100ms為控制周期，則全擺幅周期T為：T=67×

式中：t為擺幅輸入采樣值；

f則為轉(zhuǎn)速輸入采樣值。

剛開(kāi)始的第一次擺動(dòng)應(yīng)從中間開(kāi)始正轉(zhuǎn)，故T1=T/2。經(jīng)過(guò)以上處理，就將位置控制變成了定時(shí)時(shí)間控制，不僅省去了不易調(diào)整的位置開(kāi)關(guān)，也使轉(zhuǎn)速及擺幅的控制方便多了。通過(guò)兩只電位器就可實(shí)現(xiàn)快速、便捷的控制。停車時(shí)，由操作人員根據(jù)目測(cè)，到中心位置時(shí)按下轉(zhuǎn)/停開(kāi)關(guān)即可準(zhǔn)確停車，且每次轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)均從中心位置開(kāi)始正轉(zhuǎn)半幅，然后全幅往復(fù)運(yùn)行。由于通過(guò)SA4828實(shí)現(xiàn)了0Hz直流制功，即實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確停車，又不會(huì)將電機(jī)制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的再生能量反饋回直流環(huán)節(jié)的極性電容，避免了泵升電壓的產(chǎn)生。

5結(jié)論

（1）用SA4828設(shè)計(jì)的變頻器，接口簡(jiǎn)單，功能強(qiáng)，控制精度高，使用方便，能構(gòu)成高性能的變頻調(diào)速系統(tǒng)，SA系列PWM控制器在變頻調(diào)速領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。

（2）16位單片機(jī)控制提高了系統(tǒng)的智能化，控制速度快，系統(tǒng)性能改變方便，控制、保護(hù)、人機(jī)界面功能強(qiáng)。

（3）通過(guò)在醫(yī)學(xué)治療儀上的實(shí)際應(yīng)用證明，變頻控制系統(tǒng)工作安全可靠，頻率控制精度及穩(wěn)定度高，輸出諧波含量小，低速運(yùn)行特性好，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，停車準(zhǔn)確、迅速。轉(zhuǎn)速及擺幅調(diào)節(jié)極其方便。作為特殊應(yīng)用的專用變頻器設(shè)計(jì)，具有推廣價(jià)值。