醫(yī)用電動(dòng)鉆控制器設(shè)計(jì)應(yīng)用

     摘要：過載和堵轉(zhuǎn)是醫(yī)用電動(dòng)鉆等電動(dòng)工具損壞的常見原因.本文設(shè)計(jì)出多重保護(hù)電路，并配合相關(guān)的軟件，能有效防止電機(jī)的損壞，該技術(shù)成功應(yīng)用到醫(yī)用電動(dòng)鉆控制器設(shè)計(jì)中，也可推廣到其他電動(dòng)工具的設(shè)計(jì)中。

　　一、引言

　　醫(yī)用電動(dòng)鉆廣泛應(yīng)用于骨科醫(yī)療手術(shù)中，在電動(dòng)鉆的使用過程中，電機(jī)損壞是醫(yī)用電動(dòng)鉆的主要故障，醫(yī)用電動(dòng)鉆的電機(jī)損壞主要由3 個(gè)原因造成的，1）長(zhǎng)時(shí)間堵轉(zhuǎn)，出現(xiàn)大電流而燒毀電機(jī)；2）長(zhǎng)時(shí)間過載造成電機(jī)過熱而燒毀電機(jī)；3）正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)的連續(xù)切換容易出現(xiàn)大電流而燒毀電機(jī)。本文將重點(diǎn)介紹電鉆的電機(jī)保護(hù)技術(shù)。

　　電鉆調(diào)速是電鉆的另一個(gè)重要技術(shù)，常見的調(diào)速有PWM 調(diào)速和調(diào)壓調(diào)速，文[1]就采用的是PWM 調(diào)速，但PWM 調(diào)速需要系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比較大，才能保證轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)，而一般的醫(yī)用電動(dòng)鉆不能帶一個(gè)很大的飛輪來增大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，所以采用調(diào)壓調(diào)速比較合適，電鉆轉(zhuǎn)速檢測(cè)、調(diào)壓電路設(shè)計(jì)是本文介紹的另一重點(diǎn)。

　　二、控制器的基本功能與總體設(shè)計(jì)

　　本控制器除具有電機(jī)保護(hù)外，還有其他功能十分豐富，具體如下：1）可實(shí)時(shí)顯示電機(jī)的轉(zhuǎn)速；2）可設(shè)置電鉆的轉(zhuǎn)速并具有無級(jí)調(diào)速功能；3）有過載報(bào)警指示；4）可用手或者腳控制電鉆的啟動(dòng)與停止。5）有正反轉(zhuǎn)指示；6）有過載指示。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

　　三、電機(jī)保護(hù)設(shè)計(jì)

　　電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制與保護(hù)電路如圖 2 所示，本系統(tǒng)采用4 只MOSFET 驅(qū)動(dòng)電鉆，Q1 和Q3 為P溝道MOSFET，Q2 和Q4 為N 溝道MOSFET，在選擇MOSFET 時(shí)，要注意選擇漏源通態(tài)電阻基本相等MOSFET，且每個(gè)MOSFET 上都要安裝散熱器，這樣可保證當(dāng)電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)，各MOSFET 上產(chǎn)生熱量比較平衡，不至于因其中一只MOSFET 過熱而損壞。微處理器通過Q1_ctrl，Q2_ctrl，Q3_ctrl，Q4_ctrl 經(jīng)過光電隔離控制電機(jī)的啟動(dòng)、停止與正反轉(zhuǎn)。為了可靠保護(hù)電機(jī)，本系統(tǒng)采用多級(jí)保護(hù)。

　　由于醫(yī)生在手術(shù)中希望進(jìn)度快，使用電鉆當(dāng)用力過猛，則會(huì)出現(xiàn)過載，甚至堵轉(zhuǎn)停止，此時(shí)為保護(hù)電機(jī)，電路中采用了康銅絲Rx 與數(shù)個(gè)運(yùn)算放大器構(gòu)成了電機(jī)電流檢測(cè)電路，所檢測(cè)到的模擬信號(hào)送到所述微處理器的AD 通道中，微處理器定時(shí)檢測(cè)電機(jī)電流，當(dāng)電鉆堵轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)電流達(dá)到最大，通過程序設(shè)計(jì)采用類似“打嗝”技術(shù)，即采用定時(shí)器定時(shí)檢測(cè)電機(jī)電流。當(dāng)堵轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)電流超過設(shè)定電流上限一段時(shí)間后，微處理器通過控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路切斷電機(jī)電流，進(jìn)入暫停等待，等待一定時(shí)間后再次啟動(dòng)電機(jī)，如此循環(huán)，可解決堵轉(zhuǎn)問題。

　　短時(shí)間過載是允許的，但長(zhǎng)時(shí)間的過載同樣會(huì)使電機(jī)發(fā)熱而燒毀電機(jī)。由于一般電機(jī)中無溫度傳感器，溫度檢測(cè)不方便，但電機(jī)溫度與驅(qū)動(dòng)電路MOSFET 的散熱器溫度存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。即過載時(shí)，電機(jī)溫度升高，MOSFET 的散熱器溫度也會(huì)升高，在MOSFET 的散熱器旁裝一溫度傳感器，通過檢測(cè)驅(qū)動(dòng)電路MOSFET 的散熱器溫度就可檢測(cè)出電機(jī)的溫度。當(dāng)該溫度超過一定限度時(shí)，先發(fā)過載警告，提醒用戶應(yīng)減小負(fù)載，如果用戶不理會(huì)警告，負(fù)載不減小，則一段時(shí)間后控制器自動(dòng)停止電機(jī)，解決過載問題。

　　當(dāng)電機(jī)正反轉(zhuǎn)切換時(shí)，容易出現(xiàn)大電流而燒毀電機(jī)。本系統(tǒng)采用軟件控制延時(shí)技術(shù)，即當(dāng)電機(jī)在正反轉(zhuǎn)切換時(shí)，插入一定的時(shí)間延時(shí)，當(dāng)電機(jī)完全停止后再換向，可避免換向出現(xiàn)大電流而燒毀電機(jī)。

　　為更可靠，在電機(jī)控制電路的電源中串接自恢復(fù)保險(xiǎn)絲F1，當(dāng)電機(jī)電流過大且其他保護(hù)失效時(shí)，可通過自恢復(fù)保險(xiǎn)絲切斷電源以保護(hù)電機(jī)。

圖 2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制與保護(hù)電路

　　四、電鉆轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)

　　對(duì)采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電鉆而言，為調(diào)節(jié)電鉆轉(zhuǎn)速，常見有調(diào)壓調(diào)速和 PWM 調(diào)速，PWM調(diào)速簡(jiǎn)單，但不平穩(wěn)，實(shí)際應(yīng)用中為保證轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，一般采用飛輪等增加轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，但這對(duì)小巧輕便的醫(yī)用設(shè)備而言不現(xiàn)實(shí)，所以采用調(diào)節(jié)電壓的方式調(diào)速比較合適，常見的永磁直流電機(jī)的電壓與轉(zhuǎn)速的關(guān)系式如下：

　　根據(jù)直流電機(jī)換向理論可知，在換向時(shí)，電刷會(huì)在換向片間滑動(dòng)，接通和短路某些元件，因此電樞回路的電勢(shì)是變化的，這將造成供電電源與電機(jī)構(gòu)成的回路電流發(fā)生周期性的脈動(dòng)。而且，可以推出，對(duì)于同一型號(hào)電機(jī)，換向片數(shù)固定，極對(duì)數(shù)固定，電流的換向脈動(dòng)頻率與電機(jī)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系如下:

　　式中，n為電機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min)；f為電流脈動(dòng)頻率（Hz）；k為換向片數(shù),c為由換向片數(shù)的奇偶所決定的系數(shù)，k為偶數(shù)時(shí)，c=1，為奇數(shù)時(shí)c=2，p為極對(duì)數(shù)。

　　圖2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制與保護(hù)電路中MOTOR_I 輸出的信號(hào)，既包含有電機(jī)電流的大小，又包含有周期性的脈動(dòng)信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)變換處理后，一路變成檢測(cè)電機(jī)電流信號(hào)，另一路變成檢測(cè)轉(zhuǎn)速的頻率信號(hào)，通過相關(guān)程序，即可檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速，調(diào)速框圖如圖3 所示。

圖 3 電機(jī)調(diào)速框圖

　　五、電源電壓調(diào)節(jié)電路

　　自動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓是解決問題的關(guān)鍵，由于開關(guān)電源效率高，系統(tǒng)采用開關(guān)電源供電，開關(guān)電源的設(shè)計(jì)這里就不介紹了，下面重點(diǎn)介紹開關(guān)電源的輸出電壓的自動(dòng)調(diào)節(jié)方法。一般的開關(guān)電源都采用電壓反饋電路控制輸出電壓，如圖4 所示。

圖4 常見開關(guān)電源電壓調(diào)節(jié)電路

　　開關(guān)電源輸出電壓通過集成穩(wěn)壓器 TL431 和光電耦合器反饋?zhàn)饔?，調(diào)節(jié)R1 和R2 的分壓比可設(shè)定和調(diào)節(jié)開關(guān)電源的輸出電壓，如果輸出電壓Uo 升高，集成穩(wěn)壓器TL431 的陰極到陽極的電流增大，使光電耦合器輸出的三極管電流增大，再通過其他調(diào)節(jié)電路，使開關(guān)電源的輸出電壓Uo 減小。輸出電壓Uo 與R1 和R2 的關(guān)系式如下：

　　為實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源輸出電壓的自動(dòng)調(diào)節(jié)，可將圖4 中的電阻R2 用一固定電阻和一數(shù)字電位器串聯(lián)，如圖5 所示，實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源輸出電壓的自動(dòng)調(diào)節(jié)，圖5 中的CAT5113 為數(shù)字電位器，P1.0、P1.1 和P1.2 為微處理器的控制端，對(duì)CAT5113 輸出的電阻進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。

圖5 自動(dòng)調(diào)壓電路

　　六、結(jié)論

　　本文的創(chuàng)新之處有：采用多種措施保護(hù)了電機(jī)，即1）采用類似“打嗝”技術(shù)處理電機(jī)堵轉(zhuǎn)對(duì)電機(jī)的損壞；2）采用檢測(cè)散熱器溫度技術(shù)來監(jiān)測(cè)電機(jī)是否過熱；3）采用軟件延時(shí)來控制正反轉(zhuǎn)切換時(shí)大電流對(duì)電機(jī)的損壞。另外，本控制器采用了開關(guān)電源調(diào)壓技術(shù)并配合智能算法實(shí)現(xiàn)電鉆大范圍無級(jí)調(diào)速。