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DSP控制的无刷直流电机在输液泵中的应用
【 字体: 】 【打印此页】 来源: 日期:2016-05-20

 前言随着医疗事业的发展,人们对临床输液的要求越来越高,医生和患者都希望能有一种智能化、高性能的自动输液装置。此外在药品成分分析等场合,对输液量、输液速度的控制有很高的精度要求。为此需要设计用微处理器控制的自动输液系统。用步进电机作为驱动电机时,容易出现失步现象,控制精度较差。本文提出了以无刷直流伺服电机为驱动电机,以DSP为控制核心的输液泵系统。

  永磁直流无刷电机是近年随着电力、电子器件及新型永磁材料而发展起来的机电一体化电机,具有结构简单、无换向火花、调速性能好、运行可靠等优点。它体积小、转距高,在各个领域得到广泛的应用,成为研究热点之一。
  美国TI公司生产的新型DSP芯片TMS320F40是专门面向控制应用设计的。它把高性能的DSP内核和微控制器的外围集成在一块芯片上。它具有强大的数据处理功能:20MIPS的速度,32位累加器,16K 3个定时器,16位地址总线,16位数据总线。此外,它还具有为电机控制提供单片解决方案所必需的外围设备,包括:12路脉宽调制(PWM)输出;4个捕获单元(QEP),其中两个有正交编码器脉冲接口功能;2路10位A/D;串行通讯接口SCI,串行外设备接口SPI;28个独立可编程的多路复用I/O引脚,等等。由它构成的控制器所需的外围电路简单,具有良好的抗干扰能力,而且体积小。由于具有这些特点,所以非常适合在医疗器械中使用。
  2输液泵系统的组成输液泵系统由微小流量泵、无刷直流伺服电机、TMS320F240DSP、减速器等构成。无刷直流伺服电机减速后带动微小流量泵工作,微小流量泵采用蠕动泵。DSP是系统的控制核心,它控制直流伺服电机的运动,进而控制系统的输液速度、输液量。DSP控制的输液管气泡检测电路和输液管阻塞检测电路可以检测输液过程中是否有输液管阻塞现象以及是否有气泡产生。输液泵系统按给定的输液容量、输液速度、循环次数、间隔延时时间运行。
  3无刷直流电机控制系统硬件设计心,以功率MOSFET场效应管作为功率变换元件,功率驱动采用IR2131.采用PWM方式控制电机的转速,如所示。由SPI接口完成串行驱动数码管显示功能,4 4键盘接在I/O接口上,用来设定输液量、输液速度,以及进行输液控制。4个捕获单元(QEP单元)中的两个用来接脉冲编码器进行位置检测。另两个单元分别用来连接输液管堵塞检测回路和气泡检测回路。
  速度电流反馈计算3.2电流检测采用分流电阻来检测电流,其特点是成本低廉。分流电阻产生一定的电压降,对此电压降放大后送入DSP的双ADC模块进行模数转换。
  3.3磁极位置检测磁极位置检测采用了霍尔元件作为磁极位置传感器,霍尔元件传感器发出三路磁极位置信号,此信号经DSP的并行I/O接口PD口输入。
  3.4输液管堵塞检测和气泡检测输液管气泡检测电路由红外传感器及放大器组成。传感器采用GK122红外对管,当有气泡通过时,发射管发射出的光信号由于气泡的影响而改变了强度,造成接收管电压的改变,经放大器LM324放大后发出一个低电平信号。阻塞检测电路由一个橡胶导管及微动开关组成,当出现输液阻塞现象时,药液流入橡胶导管,触动微动开关,微动开关发出一个低电平信号。DSP检测到低电平信号后,产生相应的捕获中断信号并执行捕获中断服务程序。该中断服务程序中,DSP控制报警蜂鸣器进行声音报警,并在LED中显示故障标志,同时停止PWM信号的产生,电机停止运行。
  4控制系统软件设计整个控制系统软件由主程序和中断服务子程序组成。
  4.1主程序主程序主要完成DSP芯片的初始化,变量的初始化以及IR2131的初始化等工作。主程序流程图如所示。参数转换计算将输液量、输液速度分别转换为电机角位移、电机转速。
  4.2中断服务程序中断服务程序包括ADC中断、捕获中断和PDPNT中断等程序。
  3.1位置检测和速度检测脉冲编码器输出的两路相位相差90b的脉冲信号经差动放大隔离后输入到QEP单元,进行四倍频和鉴相,可得到电机的角位移和转向,在本系统中电机只有一个转向(正向旋转),没有反向旋转。同时,利用M法可得到电机的转速。M法测速的原理如下:若编码器每转产生N个脉冲,在T时间内有m个脉冲产生,则电机转速为:电机的角位移与输液量成正比,控制电机的角位移即可控制输液量;电机的速度与输液速度成正比,控制电机转速即可控制输液速度。
  无刷直流电机伺服系统控制框图如所示。
  ADC中断服务程序如所示。检测到的电流进行A/D转DSP事件管理器初始化主程序流程图换,转换结束后产生中断标志,从而使DSP执行中断服务程序,一1般每经过几次的电流环调节后就进行一次速度环调节,确保电机按要求运行。电流环调节采用PI调节器。
  在功率器件发生过载保护时,会有PDPINT中断发生,中断月艮务程序在LED中显示故障标志,并停止PWM信号的产生。


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