医学治疗仪全数字式专用变频器的设计方案

2011-04-20 20:01:31来源: 互联网
1 前言

  医学治疗仪的服务对象是人,由此决定了对其传动控制系统要求的严格性,尤其是用于治疗颈椎病和腰椎间盘突出症的治疗设备,对传动系统的安全性和准确性提出了 更高的要求:绝对不允许失速,不允许越位,且停车准确。同时为了简化机械部分的设计及减少相关的传感器,从机电一体化的原则考虑,将大部分控制功能由电气 控制来完成。

  治疗仪传动系统要求电机转速控制在100~250r/min之间,再通过50∶1的机械减速器减速,传动扭矩>1.5Nm。摆动幅度要求为颈椎:±30°~±60°;腰椎:±60°~±100°;起终点均应控制在中心位置。转速及摆幅均应根据具体病例可调。

2 智能化全数字式专用变频器的设计

  (1) 考虑到医学治疗仪的特殊要求,为了提高变频器的工作可靠性和控制精度,采用智能化数字化设计,同时也结合小型化的特点,主功率器件采用日本三菱电机的 IGBT智能功率模块(IPM)PM20CSJ060。输入为单相220V交流,经单相全桥整流器整流后供给智能功率模块,输出为三相220V交流,接 0.5kW三相异步电动机(改为△接法)。

  (2) 采用INTEL公司的16位单片机80C196KC作为系统CPU,它具有运算速度快,精度高,指令功能强等特点。并带有8路10位A/D转换器,可以完 成模拟量和数字量信号的检测。控制运算及数据处理,保护功能的逻辑判断,给PWM产生电路SA4828送设定和控制数据,以及管理键盘和数码显示等功能。

  (3)SPWM波发生器采用英国MITEL公司 的增强型运动控制大规模集成电路SA4828。该芯片作为一种独立于微处理器的外设形式工作,但它可以受控于任何类型的微处理器而几乎不需要附加任何逻辑 电路。管脚的配置使其能适用于大部分总线格式,包括复用的地址/数据总线格式和RD/WR或R/W控制模式。由于仅在改变运行状态时需要微处理器的介入, 因此工作时芯片几乎不占用CPU的资源。

  SA4828采用全数字化操作,载波频率可达24kHz。内部ROM中存有三种可选的输出电源波形,谐波抑制技术可减少功率器件的损耗。16位频率控制精度,三个独立的幅值寄存器可进行三相不平衡补偿。利用SA4828设计的变频器硬件结构图如图1所示。

利用SA4828设计的变频器硬件结构图

图1采用SA4828的变频器硬件结构框图

3 SA4828的功能特点及工作原理

  3.1 SA4828管脚图及管脚功能说明

  SA4828管脚图如图2所示。管脚功能说明见表1。

SA4828管脚图

图2 SA4828管脚图

表1 SA4828管脚说明

SA4828管脚说明

  3.2 SA4828内部结构框图及工作原理

  图3为SA4828的内部结构框图,从图中可以看到SA4828主要由三部分构成:

  (1)接收并存储微处理器命令(控制字)的部分,它主要由总线控制、总线译码、暂存器R0、R1…R5,虚拟寄存器R14、R15及32位初始化寄存器和48位控制寄存器构成;

  (2)从波形ROMS读取调制波形的部分,它由地址发生器和波形解压缩缓冲器构成;

  (3)三相输出控制电路及输出脉冲锁存电路,每相输出控制电路又由脉冲删除电路和脉冲延迟电路组成。

SA4828的内部结构框图

图3SA4828芯片内部框图

  SA4828 芯片具有并行的接口与微处理器进行通信。该接口和几乎所有工业标准的微处理器诸如8051、8096、6805、68000和TMS320等兼容而不需要 考虑总线的宽度及增加额外的逻辑电路。大多数的数据总线结构可分为复用地址/数据总线和独立的地址/数据总线,而大部分的微处理器不是WR/RD结构就是R/W结构;而该芯片设计成可以与上述四种组合中的任一种配合使用。通过一个配置引脚(MUX)和一个寄存器选择引脚(RS)的状态来区别所有的总线格式。

  更重要的是,在系统异常情况(过流或过压)下,一个紧急关断输入(SETTRIP)能不受微处理器的控制而迅速关断所有的PWM输出,这很好地解决了变频器的快速保护,避免了因CPU中断服务指令周期所造成的延误。

  3.3 SA4828芯片的控制功能

  对SA4828芯片的控制是通过微处理器接口将数据送入内部的两个寄存器来实现的。它们是初始化寄存器和控制寄存器。

  初始化寄存器用于设定和电机及逆变器有关的一些基本参数,这些参数在电机工作前就被初始化,并且在电机工作时一般不允许改变。

  控制寄存器在电机工作过程中控制脉宽调制波的状态,从而进一步控制电机的运行,比如转速,正/反转,起动和停止等。通常在电机工作时寄存器的内容经常被改写以实现对电机的实时控制。

  由于受到8位数据接口的限制,数据需首先读入六个临时寄存器R0、R1…R5中,这些数据随即被送入相应的初始化寄存器或控制寄存器。新的数据只有在写入对应的寄存器中时才能真正地发挥作用。

  数据的传送是通过写入虚拟寄存器的操作来实现的。如写寄存器R14是将初始化数据传送到初始化寄存器中,写寄存器R15则是将控制数据传送到控制寄存器中。 由于R14、R15并不是实际的寄存器,因此什么数据被写入并不重要,往这里写数据的操作才真正执行往初始化寄存器或控制寄存器中传送数据的操作。

  (1)初始化寄存器的编程

  初始化寄存器将确定如下参数:载波频率,电源频率范围,脉冲延迟时间,脉冲取消时间,波形选择,医学治疗仪专用变频器的研制幅值控制,计数器复位(这个功能 可使SA4828内部将调制频率计数器置为0,此时禁止正常的频率控制操作,每一相输出占空比为50%的脉冲),软件复位等。这些参数由相应的控制字确 定,而这些控制字在送到32位初始化寄存器之前,先要分别送到4个8位寄存器R0、R1、R2和R3中。其内容如表2所示:

表2 寄存器内容

寄存器内容

  注:不用的位(×)应该写入0,这样可与以后的产品保持代码兼容。

  ①载波频率选择

  R0中的CFS字称为载波频率选择字,设n为与CFS字相对应的十进制数,则实际载波频率fc为:fc= 公式

  式中fk为外部时钟频率。

  ②输出电源频率范围选择

  R0中的FRS字称为电源频率范围选择字,设m为与FRS字相对应的十进制数,则实际的输出电源频率fr范围为:fr= 公式

  ③脉冲延迟时间选择

  R2中的PDY字为脉冲延迟时间选择字,设x为与PDY字相对应的十进制值,则实际的脉冲延迟时间Tpdy由下式确定:Tpdy= 公式

  ④脉冲取消时间选择

  R1中的PDT字为脉冲取消时间选择字,设y为与PDT字相对应的十进制值,则实际的脉冲取消时间Tpdt由下式确定:Tpdt= 公式

  应该指出的是,由于脉冲延迟电路跟在脉冲删除电路之后(见图3),故输出的PWM脉冲的实际最小宽度将比设定的脉冲取消时间为窄,这个实际的最小脉冲宽度为TpdtTpdy。

  ⑤波形选择

  R3中的WS1、WS0两位用于确定输出的电源波形,详见表3。波形可由具体的数学表达式来表示,具体的形状见图4。

表3 WS1、WSO确定的输出电源波形

WS1

SA4828的内部调制波形

图4 SA4828的内部调制波形

(a)正弦波(b)基波加三次谐波(c)带有死区的基波加三次谐波

  

[1] [2]

关键字:治疗仪  全数字式  变频器  设计方案

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/medical_electronics/2011/0420/article_2006.html
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