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(chē)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)

　?。?） 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）,。

　?。?） 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),?？刂七\(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。

　?。?）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,。

圖1采用SA4828的變頻器硬件結(jié)構(gòu)框圖

　　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,。

圖2 SA4828管腳圖

表1 SA4828管腳說(shuō)明

　　3.2SA4828內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖及工作原理

　　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；

　?。?）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；

　?。?）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(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,。

　　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。

　?。?）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

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

　?、佥d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。

　?、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(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=

　?、勖}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=

　?、苊}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,。

　?、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(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(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。

　?、哂?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,。

　?。?）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)傳送到控制寄存器,。其內(nèi)容如表4所示。

　?、匐娫搭l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,。

　?、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(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,。

　?、壅?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)。

　?、茌敵鼋惯x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

　?。?）初始化寄存器編程實(shí)例

　?、僭O(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

　?、茉O(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

　?、菰O(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(chē)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(chē)，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(chē),，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

　?。?）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)。

　?。?）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(chē)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,。