医用电动钻控制器设计

　　1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,文就采用的是PWM调速,但PWM调速需要系统的转动惯量比大,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。

　　2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。

　　3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,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MOS-FET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。