医用电动钻控制器设计应用

     摘要：过载和堵转是医用电动钻等电动工具损坏的常见原因.本文设计出多重保护电路，并配合相关的软件，能有效防止电机的损坏，该技术成功应用到医用电动钻控制器设计中，也可推广到其他电动工具的设计中。

　　一、引言

　　医用电动钻广泛应用于骨科医疗手术中，在电动钻的使用过程中，电机损坏是医用电动钻的主要故障，医用电动钻的电机损坏主要由3 个原因造成的，1）长时间堵转，出现大电流而烧毁电机；2）长时间过载造成电机过热而烧毁电机；3）正转与反转的连续切换容易出现大电流而烧毁电机。本文将重点介绍电钻的电机保护技术。

　　电钻调速是电钻的另一个重要技术，常见的调速有PWM 调速和调压调速，文[1]就采用的是PWM 调速，但PWM 调速需要系统的转动惯量比较大，才能保证转动平稳，而一般的医用电动钻不能带一个很大的飞轮来增大转动惯量，所以采用调压调速比较合适，电钻转速检测、调压电路设计是本文介绍的另一重点。

　　二、控制器的基本功能与总体设计

　　本控制器除具有电机保护外，还有其他功能十分丰富，具体如下：1）可实时显示电机的转速；2）可设置电钻的转速并具有无级调速功能；3）有过载报警指示；4）可用手或者脚控制电钻的启动与停止。5）有正反转指示；6）有过载指示。系统的总体设计框图如图1所示。

图1 系统总体设计框图

　　三、电机保护设计

　　电机驱动控制与保护电路如图 2 所示，本系统采用4 只MOSFET 驱动电钻，Q1 和Q3 为P沟道MOSFET，Q2 和Q4 为N 沟道MOSFET，在选择MOSFET 时，要注意选择漏源通态电阻基本相等MOSFET，且每个MOSFET 上都要安装散热器，这样可保证当电机堵转时，各MOSFET 上产生热量比较平衡，不至于因其中一只MOSFET 过热而损坏。微处理器通过Q1_ctrl，Q2_ctrl，Q3_ctrl，Q4_ctrl 经过光电隔离控制电机的启动、停止与正反转。为了可靠保护电机，本系统采用多级保护。

　　由于医生在手术中希望进度快，使用电钻当用力过猛，则会出现过载，甚至堵转停止，此时为保护电机，电路中采用了康铜丝Rx 与数个运算放大器构成了电机电流检测电路，所检测到的模拟信号送到所述微处理器的AD 通道中，微处理器定时检测电机电流，当电钻堵转时，电机电流达到最大，通过程序设计采用类似“打嗝”技术，即采用定时器定时检测电机电流。当堵转时，电机电流超过设定电流上限一段时间后，微处理器通过控制电机驱动与保护电路切断电机电流，进入暂停等待，等待一定时间后再次启动电机，如此循环，可解决堵转问题。

　　短时间过载是允许的，但长时间的过载同样会使电机发热而烧毁电机。由于一般电机中无温度传感器，温度检测不方便，但电机温度与驱动电路MOSFET 的散热器温度存在对应关系。即过载时，电机温度升高，MOSFET 的散热器温度也会升高，在MOSFET 的散热器旁装一温度传感器，通过检测驱动电路MOSFET 的散热器温度就可检测出电机的温度。当该温度超过一定限度时，先发过载警告，提醒用户应减小负载，如果用户不理会警告，负载不减小，则一段时间后控制器自动停止电机，解决过载问题。

　　当电机正反转切换时，容易出现大电流而烧毁电机。本系统采用软件控制延时技术，即当电机在正反转切换时，插入一定的时间延时，当电机完全停止后再换向，可避免换向出现大电流而烧毁电机。

　　为更可靠，在电机控制电路的电源中串接自恢复保险丝F1，当电机电流过大且其他保护失效时，可通过自恢复保险丝切断电源以保护电机。

图 2 电机驱动控制与保护电路

　　四、电钻转速调节

　　对采用直流电机驱动的电钻而言，为调节电钻转速，常见有调压调速和 PWM 调速，PWM调速简单，但不平稳，实际应用中为保证转速平稳，一般采用飞轮等增加转动惯量，但这对小巧轻便的医用设备而言不现实，所以采用调节电压的方式调速比较合适，常见的永磁直流电机的电压与转速的关系式如下：

　　根据直流电机换向理论可知，在换向时，电刷会在换向片间滑动，接通和短路某些元件，因此电枢回路的电势是变化的，这将造成供电电源与电机构成的回路电流发生周期性的脉动。而且，可以推出，对于同一型号电机，换向片数固定，极对数固定，电流的换向脉动频率与电机转速之间的关系如下:

　　式中，n为电机转速(r/min)；f为电流脉动频率（Hz）；k为换向片数,c为由换向片数的奇偶所决定的系数，k为偶数时，c=1，为奇数时c=2，p为极对数。

　　图2 电机驱动控制与保护电路中MOTOR_I 输出的信号，既包含有电机电流的大小，又包含有周期性的脉动信号，此信号经变换处理后，一路变成检测电机电流信号，另一路变成检测转速的频率信号，通过相关程序，即可检测电机转速，调速框图如图3 所示。

图 3 电机调速框图

　　五、电源电压调节电路

　　自动调节电机驱动电压是解决问题的关键，由于开关电源效率高，系统采用开关电源供电，开关电源的设计这里就不介绍了，下面重点介绍开关电源的输出电压的自动调节方法。一般的开关电源都采用电压反馈电路控制输出电压，如图4 所示。

图4 常见开关电源电压调节电路

　　开关电源输出电压通过集成稳压器 TL431 和光电耦合器反馈作用，调节R1 和R2 的分压比可设定和调节开关电源的输出电压，如果输出电压Uo 升高，集成稳压器TL431 的阴极到阳极的电流增大，使光电耦合器输出的三极管电流增大，再通过其他调节电路，使开关电源的输出电压Uo 减小。输出电压Uo 与R1 和R2 的关系式如下：

　　为实现开关电源输出电压的自动调节，可将图4 中的电阻R2 用一固定电阻和一数字电位器串联，如图5 所示，实现开关电源输出电压的自动调节，图5 中的CAT5113 为数字电位器，P1.0、P1.1 和P1.2 为微处理器的控制端，对CAT5113 输出的电阻进行自动调节。

图5 自动调压电路

　　六、结论

　　本文的创新之处有：采用多种措施保护了电机，即1）采用类似“打嗝”技术处理电机堵转对电机的损坏；2）采用检测散热器温度技术来监测电机是否过热；3）采用软件延时来控制正反转切换时大电流对电机的损坏。另外，本控制器采用了开关电源调压技术并配合智能算法实现电钻大范围无级调速。