1前言

　　醫(yī)學治療儀的服務對象是人,，由此決定了對其傳動控制系統(tǒng)要求的嚴格性,，尤其是用于治療頸椎病和腰椎間盤突出癥的治療設備，對傳動系統(tǒng)的安全性和準確性提出了 更高的要求：絕對不允許失速,，不允許越位,，且停車準確。同時為了簡化機械部分的設計及減少相關的傳感器,，從機電一體化的原則考慮,，將大部分控制功能由電氣 控制來完成。

　　治療儀傳動系統(tǒng)要求電機轉速控制在100～250r/min之間,，再通過50∶1的機械減速器減速,，傳動扭矩>1.5Nm。擺動幅度要求為頸椎：±30°～±60°;腰椎:±60°～±100°,；起終點均應控制在中心位置,。轉速及擺幅均應根據(jù)具體病例可調(diào)。

　　2智能化全數(shù)字式專用變頻器的設計

　?。?） 考慮到醫(yī)學治療儀的特殊要求,，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)字化設計,，同時也結合小型化的特點,，主功率器件采用日本三菱電機的 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三相異步電動機（改為△接法）。

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

　?。?）SPWM波發(fā)生器采用英國MITEL公司 的增強型運動控制大規(guī)模集成電路SA4828。該芯片作為一種獨立于微處理器的外設形式工作,，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,。由于僅在改變運行狀態(tài)時需要微處理器的介入,， 因此工作時芯片幾乎不占用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,，諧波抑制技術可減少功率器件的損耗,。16位頻率控制精度，三個獨立的幅值寄存器可進行三相不平衡補償,。利用SA4828設計的變頻器硬件結構圖如圖1所示,。

圖1采用SA4828的變頻器硬件結構框圖

　　3SA4828的功能特點及工作原理

　　3.1SA4828管腳圖及管腳功能說明

　　SA4828管腳圖如圖2所示。管腳功能說明見表1,。

圖2 SA4828管腳圖

表1 SA4828管腳說明

　　3.2SA4828內(nèi)部結構框圖及工作原理

　　圖3為SA4828的內(nèi)部結構框圖,，從圖中可以看到SA4828主要由三部分構成：

　　（1）接收并存儲微處理器命令(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,。

圖3SA4828芯片內(nèi)部框圖

　　SA4828 芯片具有并行的接口與微處理器進行通信。該接口和幾乎所有工業(yè)標準的微處理器諸如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)總線結構可分為復用地址/數(shù)據(jù)總線和獨立的地址/數(shù)據(jù)總線,，而大部分的微處理器不是WR/RD結構就是R/W結構；而該芯片設計成可以與上述四種組合中的任一種配合使用,。通過一個配置引腳（MUX）和一個寄存器選擇引腳（RS）的狀態(tài)來區(qū)別所有的總線格式,。

　　更重要的是，在系統(tǒng)異常情況（過流或過壓）下,，一個緊急關斷輸入（SETTRIP）能不受微處理器的控制而迅速關斷所有的PWM輸出,，這很好地解決了變頻器的快速保護，避免了因CPU中斷服務指令周期所造成的延誤,。

　　3.3SA4828芯片的控制功能

　　對SA4828芯片的控制是通過微處理器接口將數(shù)據(jù)送入內(nèi)部的兩個寄存器來實現(xiàn)的,。它們是初始化寄存器和控制寄存器。

　　初始化寄存器用于設定和電機及逆變器有關的一些基本參數(shù),，這些參數(shù)在電機工作前就被初始化,，并且在電機工作時一般不允許改變。

　　控制寄存器在電機工作過程中控制脈寬調(diào)制波的狀態(tài),，從而進一步控制電機的運行,，比如轉速，正/反轉,，起動和停止等,。通常在電機工作時寄存器的內(nèi)容經(jīng)常被改寫以實現(xiàn)對電機的實時控制。

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

　　數(shù)據(jù)的傳送是通過寫入虛擬寄存器的操作來實現(xiàn)的。如寫寄存器R14是將初始化數(shù)據(jù)傳送到初始化寄存器中,，寫寄存器R15則是將控制數(shù)據(jù)傳送到控制寄存器中,。 由于R14,、R15并不是實際的寄存器，因此什么數(shù)據(jù)被寫入并不重要,，往這里寫數(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,，脈沖延遲時間，脈沖取消時間,，波形選擇,，醫(yī)學治療儀專用變頻器的研制幅值控制，計數(shù)器復位（這個功能 可使SA4828內(nèi)部將調(diào)制頻率計數(shù)器置為0,此時禁止正常的頻率控制操作,每一相輸出占空比為50％的脈沖）,軟件復位等,。這些參數(shù)由相應的控制字確 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

　　注:不用的位(×)應該寫入0,這樣可與以后的產(chǎn)品保持代碼兼容,。

　　①載波頻率選擇

　　R0中的CFS字稱為載波頻率選擇字,設n為與CFS字相對應的十進制數(shù),則實際載波頻率fc為:fc=

　　式中fk為外部時鐘頻率,。

　?、谳敵鲭娫搭l率范圍選擇

　　R0中的FRS字稱為電源頻率范圍選擇字,設m為與FRS字相對應的十進制數(shù),則實際的輸出電源頻率fr范圍為:fr=

　　③脈沖延遲時間選擇

　　R2中的PDY字為脈沖延遲時間選擇字,，設x為與PDY字相對應的十進制值,，則實際的脈沖延遲時間Tpdy由下式確定：Tpdy=

　　④脈沖取消時間選擇

　　R1中的PDT字為脈沖取消時間選擇字,，設y為與PDT字相對應的十進制值,，則實際的脈沖取消時間Tpdt由下式確定：Tpdt=

　　應該指出的是，由于脈沖延遲電路跟在脈沖刪除電路之后（見圖3）,，故輸出的PWM脈沖的實際最小寬度將比設定的脈沖取消時間為窄,，這個實際的最小脈沖寬度為TpdtTpdy。

　?、莶ㄐ芜x擇

　　R3中的WS1,、WS0兩位用于確定輸出的電源波形，詳見表3,。波形可由具體的數(shù)學表達式來表示，具體的形狀見圖4,。

表3　WS1,、WSO確定的輸出電源波形

圖4　SA4828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

　　⑥幅值控制（AC）

　　R3中的幅值控制位（AC）定義了三相波形幅值的受控方式,。當AC=0（芯片默認值）時,，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AC=1時,，采用三個獨立的幅值寄存器分別控制對應相調(diào)制頻率的幅值,。

　　⑦計數(shù)器復位（CR）

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

　?、嘬浖臀?RST)

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

　?。?）控制寄存器的編程

　　控制寄存器是一個48位寄存器,，控制寄存器的數(shù)據(jù)以8位為一個單元分別讀入臨時寄存器R0～R5中，然后通過寫虛擬寄存器R15將R0～R5中的數(shù)據(jù)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16位的電源頻率選擇字"PFS"決定,整個電源頻率范圍被劃分為65536等分,。由于PFS字跨 越兩個臨時寄存器R0,、R1，所以當改變輸出電源頻率時,，必須在寫虛似寄存器R15之前同時刷新這兩個臨時寄存器的值,。

　　電源頻率fp由下式?jīng)Q定：fp=Pfs

　　式中：Pfs為16位PFS選擇字的十進制值。

　?、陔娫捶颠x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,。幅值的百分比計算公式如下：APOWER=100％

　　式中：A為8位幅值選擇字的十進制值,。

　　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,。

　?、壅?反轉選擇

　　三相PWM輸出的相位決定于R2中的F/R選擇位：

　　F/R=0正轉相序為紅黃蘭；

　　F/R=1反轉相序為蘭黃紅,。

　　在正反轉切換時,，輸出波形仍保持連續(xù)。

　?、茌敵鼋惯x擇

　　當R2中的輸出禁止位（INH）有效（為1）時,，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)生一些過窄的脈沖,。

　　3.4SA4828芯片編程實例

　　本例的變頻器采用12.288MHz時鐘,。初始化寄存器設計的具體參數(shù)如下：

　　載波頻率3kHz

　　電源頻率15Hz

　　脈沖取消時間10μs

　　脈寬延遲時間5μs

　　電源波形抑制了三次諧波的波形

　　幅值控制三相幅值對稱

　　（1）初始化寄存器編程實例

　?、僭O定載波頻率由fc=得2n==8

　　則n=3R0中的CFS字為011H

　?、谠O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,。

　?、墼O定脈寬延遲時間由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

　?、茉O定脈沖取消時間

　　由于實際輸出PWM脈沖的最小脈寬為TpdtTpdy,所以在設定最小脈沖取消時間時,應加上脈寬延遲時間,。

　　因此在本例中實際最小脈沖寬度應為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，無用戶輸出選擇,，故OPT1=0,， OPTO="0"。設定幅值控制位AC=0,，選擇三相平衡幅值控制方式,，正常工作時計數(shù)器復位和軟件復位均無效，故 CR="RST"=0,。所以R3中的二進制代碼為00000001,。綜上所述，初始化寄存器中：

　　R0=0010001123H

　　R1=0110100068H

　　R2=0011100038H

　　R3=0000000101H

　?。?）控制寄存器編程實例

　　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10Hz，相應電機轉速為280r/min,。由于輸出頻率需要隨時調(diào)整,，利用80C196KC單片機的 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,。80C196KC的模擬量轉換為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 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,，可得頻率設定電位器的采樣值，A×15/50,，再右移2位后送入臨時寄存器R3,。由于采用三相平衡幅值,R4、R5可以不賦值,。

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

　　擺幅控制則可通過一只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實現(xiàn),。

　　4治療儀控制功能的實現(xiàn)

　　4.1失速控制

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

　　4.2擺幅控制

　　當電機以最高轉速250r/min旋轉時，經(jīng)1/50減速器后,，轉速為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則為轉速輸入采樣值,。

　　剛開始的第一次擺動應從中間開始正轉,，故T1=T/2。經(jīng)過以上處理,，就將位置控制變成了定時時間控制,，不僅省去了不易調(diào)整的位置開關，也使轉速及擺幅的控 制方便多了,。通過兩只電位器就可實現(xiàn)快速,、便捷的控制。停車時,，由操作人員根據(jù)目測,，到中心位置時按下轉/停開關即可準確停車，且每次轉動時均從中心位置 開始正轉半幅,，然后全幅往復運行,。由于通過SA4828實現(xiàn)了0Hz直流制功，即實現(xiàn)了準確停車,，又不會將電機制動時產(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結論

　　（1）用SA4828設計的變頻器,，接口簡單,，功能強，控制精度高,，使用方便,，能構成高性能的變頻調(diào)速系統(tǒng)，SA系列PWM控制器在變頻調(diào)速領域具有很好的應用前景,。

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

　　（3）通過在醫(yī)學治療儀上的實際應用證明,，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,，低速運行特性好,，起動轉矩大，停車準確,、迅速,。轉速及擺幅調(diào)節(jié)極其方便。作為特殊應用的專用變頻器設計,，具有推廣價值,。