0 引 言
　　本試驗(yàn)?zāi)康氖情_(kāi)發(fā)一款醫(yī)療器械產(chǎn)品—手術(shù)電鋸。產(chǎn)品要求運(yùn)行可靠、噪聲小、調(diào)速快且平穩(wěn)，調(diào)速范圍為100—10000r／min，調(diào)速精度高于1％。產(chǎn)品主要由電鋸、電機(jī)和電機(jī)調(diào)速控制器三個(gè)部分組成。
　　無(wú)刷直流電機(jī)具有傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)良好的動(dòng)、靜態(tài)調(diào)速特性，且具有交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、易于控制、維護(hù)方便，及運(yùn)行效率高、噪聲小等特點(diǎn)。因此本電鋸選用無(wú)刷直流電機(jī)。產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的主要任務(wù)是調(diào)速控制器設(shè)計(jì)。為達(dá)到良好的控制效果，控制器的核心采用運(yùn)算速度快、控制功能強(qiáng)、價(jià)格便宜的MC56F8013型數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）。
1 無(wú)刷直流電機(jī)原理及其數(shù)學(xué)模型
1．1 無(wú)刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理
　　無(wú)刷直流電機(jī)可分為電機(jī)本體、磁極位置傳感器、電子換向開(kāi)關(guān)電路（逆變器）三部分。其電樞繞組位于定子上，轉(zhuǎn)子由永久磁鋼組成。試驗(yàn)采用兩兩導(dǎo)通星型三相六狀態(tài)驅(qū)動(dòng)，如圖1所示。三相橋式電路在任何時(shí)刻，都只有上橋臂和下橋臂各一個(gè)晶體管導(dǎo)通，使三相繞組中的二相串聯(lián)接到電源上，而剩下的一相繞組則沒(méi)有通電；產(chǎn)生的定子磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子永磁磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩推動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)霍爾位置傳感器測(cè)得的轉(zhuǎn)子位置，按6個(gè)節(jié)拍順序?qū)ňw管，產(chǎn)生順序變化的定子磁場(chǎng)使無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)[1]。
1．2 無(wú)刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型
　　在理想狀態(tài)下，可以推導(dǎo)得到無(wú)刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型[2-3]。
　　主回路的電壓平衡方程：

　　電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩乎衡方程：

　　經(jīng)過(guò)拉氏變換后聯(lián)立方程組推導(dǎo)，電機(jī)的理想近似傳遞函數(shù)可表示為：

式中： гa— 電動(dòng)機(jī)電磁時(shí)問(wèn)常數(shù)， гa=L／R；
гm— 電機(jī)機(jī)電時(shí)間常數(shù)， гm=（2п／60）×（RC/KeKm ）；
Ke— 直流電機(jī)在額定磁通下的反電動(dòng)勢(shì)
轉(zhuǎn)速比，Ke=（Ue-IeR）／ne ；
Km — 直流電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩與電樞電流比，
Km≈ Ke。

　　通常，гm>4гa，且гa很小，即гaгm《гm，一般取гm=10гa，故控制對(duì)象可近似看作一階系統(tǒng)。產(chǎn)品中使用喜泰62xwc—TKN無(wú)刷無(wú)槽永磁直流電動(dòng)機(jī)，額定電壓Ue=120V，額定轉(zhuǎn)速ne=10000r／min，額定電流Ie=1．25A，額定功率Pe=150W，磁極對(duì)數(shù)np=2。根據(jù)上面的推導(dǎo)可以得到電機(jī)的近似一階模型為：

　　此傳遞函數(shù)為無(wú)刷電機(jī)的傳遞函數(shù)[4]。
2 控制器的硬件
　　控制器硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。MC56F8013是Freescale公司生產(chǎn)的16位定點(diǎn)運(yùn)算的高速DSP。該DSP 采用56800E 增強(qiáng)型內(nèi)核。56F80XX系列是針對(duì)電動(dòng)機(jī)控制而設(shè)計(jì)的，集成了電動(dòng)機(jī)控制所必須的外圍接口電路[6-7]：6通道96 MHz高速脈寬調(diào)制（PWM），2個(gè)3通道12位高速高精度（A／D）模塊，4個(gè)16位定時(shí)／計(jì)數(shù)器以及串行通信接口（SCI）等。
　　控制器驅(qū)動(dòng)電路使用仙童公司的FCBS5CH60型功率模塊。該型智能功率模塊（SPM）額定電流可達(dá)5A，耐壓DC600V，擁有完整的電源輸出電路，使用方便，工作可靠。

　　整個(gè)控制器采用110 V交流電源供電，通過(guò)AC—DC變換電路和DC—DC變壓電路輸出直流電，分別供給功率電路和控制電路。無(wú)刷直流電機(jī)帶有三相霍爾位置傳感器，產(chǎn)生脈沖信號(hào)輸入DSP的定時(shí)器單元，產(chǎn)生上下邊沿中斷，在中斷程序中讀取位置信號(hào)，并且可以通過(guò)檢測(cè)霍爾位置傳感器的脈沖數(shù)來(lái)計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速；DSP通過(guò)控制PWM的占空比來(lái)控制電樞電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制；SCI口同PC機(jī)相連，在控制器工作過(guò)程中向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，同時(shí)上位機(jī)也可以向控制器發(fā)送各種命令參數(shù)[5]。
3 控制器的控制方案
3．1 調(diào)速系統(tǒng)控制對(duì)象模型
　　當(dāng)PWM輸出頻率為20kHz、輸出電壓Ue1為3．3V時(shí)，DSP的PWM計(jì)數(shù)值為4800，對(duì)應(yīng)占空比為1。經(jīng)過(guò)電壓轉(zhuǎn)換電路，得驅(qū)動(dòng)電路電壓Us=160V。程序中設(shè)置占空比最高限為0．75，保證電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓不超過(guò)額定120V；電流容量為5A，能夠承受較大的瞬時(shí)電流。正常工作時(shí)，輸人為額定電壓，電機(jī)可以穩(wěn)定工作在額定轉(zhuǎn)速上。對(duì)應(yīng)的PWM模塊的傳遞函數(shù)：

　　由于時(shí)間常數(shù)非常小，可以近似地看作一個(gè)比例環(huán)節(jié)，即Kpw =48．48。所以調(diào)速系統(tǒng)控制對(duì)象模型的傳遞函數(shù)可以表示為[4]：

3．2 無(wú)刷直流電機(jī)的控制結(jié)構(gòu)圖
　　電機(jī)采用速度單閉環(huán)調(diào)速方式[2]，如圖3所示。速度環(huán)的主要任務(wù)是快速響應(yīng)給定的速度以及消除靜差，滿足系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)要求。

3．3 積分分離PI控制算法
　　PI調(diào)節(jié)器兼顧快速響應(yīng)和消除靜態(tài)誤差兩方面要求。作為校正裝置，它又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，易于實(shí)現(xiàn)，在電機(jī)控制中應(yīng)用十分普遍。在電機(jī)的起動(dòng)、停止或大幅度增減設(shè)定值時(shí)，短時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)輸出有很大的偏差，會(huì)造成PI運(yùn)算的積分積累，致使算得的控制量超過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)可能最大動(dòng)作范圍對(duì)應(yīng)的極限控制量，引起系統(tǒng)較大的超調(diào)。所以速度調(diào)節(jié)器采用積分分離PI算法，既保持了積分作用，又減小了超調(diào)量，使得控制性能有了較大的改善。
　　在DSP中，誤差量為e（k），輸入量為r（k）。據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)e（k）／r（k）≤0．2，采用PI調(diào)節(jié)：
　　P（k）=Kp1× e（k）
　　△u（k）=P（k）+K1× e（k）+I（k一1）
　　I（k一1）= △u（k一1）一P（k一1）
　　e（k）／r（k）>0．2，采用P調(diào)節(jié)：
　　△u（k）=Kp2×e（k）
調(diào)速系統(tǒng)的控制器的輸出控制量為：
　　M（k）=M（k一1）+△u（k）
　　Kp1、Kp2 為比例系數(shù)，K1為積分系數(shù)。一般Kp1大于Kp2 。先進(jìn)行單純比例調(diào)節(jié)，適當(dāng)減小比例系數(shù)以獲得較好的穩(wěn)定性；后進(jìn)行比例積分調(diào)節(jié)，增大比例系數(shù)以得到快速響應(yīng)。同時(shí)根據(jù)實(shí)際的速度曲線對(duì)Kp1、Kp2、K1 值進(jìn)行調(diào)整。
3．4 仿真與試驗(yàn)結(jié)果
　　根據(jù)上面給出的控制對(duì)象模型傳遞函數(shù)、閉環(huán)控制方式和積分分離PI控制算法，在Simulink中進(jìn)行積分分離PI控制算法仿真，如圖4所示。

　　設(shè)定轉(zhuǎn)速為9 000 r／min，仿真結(jié)果見(jiàn)圖5

　　通過(guò)虛擬儀器編程語(yǔ)言（CVI）編寫(xiě)的調(diào)試程序接收電機(jī)的速度值，可以很方便地進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。圖6所示為在空載情況下，下位機(jī)根據(jù)給定轉(zhuǎn)速為9 000r／min，實(shí)時(shí)發(fā)送的電機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。相對(duì)于理想的仿真結(jié)果，實(shí)際速度曲線有微小超調(diào)和振蕩，響應(yīng)時(shí)間也較長(zhǎng)一點(diǎn)；曲線較為平穩(wěn)，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差在1％以內(nèi)，能滿足產(chǎn)品要求。

4 結(jié) 語(yǔ)
　　基于MC56F8013DSP的無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定可靠，調(diào)速效果良好。無(wú)刷直流電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中起動(dòng)快、運(yùn)行平穩(wěn)、噪聲低，能滿足醫(yī)療器械的要求，應(yīng)用前景廣闊。