本文介紹一種用於電動牙科座椅的稀土永磁無刷直流電機驅動系統， 此系統將近年來發展迅速的無刷直流電機與DSP控制技術相結合， 採用一片DSP控制器實現對兩台稀土永磁無刷直流電機的控制， 具有低成本、高性能的特點。
近年來， 由於永磁材料、電力電子和控制技術等的發展， 使得稀土永磁無刷電機成本進一步下降， 而性能則大幅提高， 其應用逐漸向軍用、民用各領域滲透。 在醫療器械行業， 醫用牙科座椅驅動機構正由直線式取代旋轉式。
稀土永磁無刷直流電動機由於具有效率高、性能好、結構簡單、散熱容易、雜訊小、安全可靠、無須維修、壽命長等特點，
本文闡述一種牙科座椅用數位式稀土永磁無刷直流電機驅動系統方案， 包括電機、控制器、驅動及軟體部分。 該系統還可廣泛應用於電動床和其它類型電動座椅的驅動， 在醫院、療養院及家庭等領域市場潛力很大。
系統原理及其組成
圖1 系統原理圖
電動牙科座椅具有兩個自由度， 俯仰和升降。 本伺服系統採用兩台稀土永磁無刷直流電動機作為運動控制主部件， 針對兩個自由度分別給以驅動。 如圖1所示， 電機A為俯仰電機， 電機B為升降電機。
電機控制部分僅採用一片DSP（數位訊號處理器）晶片TMS320LF2407A實現對兩台無刷電機的控制， 充分利用了DSP豐富的片上資源,對兩台電機的PWM輸入全部採用DSP提供,省去了邏輯晶片,提高了系統的可靠性。
電機
電機額定功率為55W， 額定電壓 24 V， 工作狀態為短時運行， 額定轉速1800rpm， 設計模式按方波設計， 電機為十二槽兩對極。 槽形為梯形口扇形槽， 繞組形式為三相星形六狀態， 槽滿率為52%， 轉子磁鋼採用粘結釹鐵硼， 徑向充磁。 磁鋼具體參數如下： Br>6000Gs,Hc>5000Oe,[BH]max>8MG·Oe,Hjc>10000Oe。
電機總裝圖如圖2所示：
圖2 電機總裝圖
有限元分析中， 電機實際電磁轉矩為0.2394N·m。 電機磁通、磁感應強度等參數的分佈情況如圖3、圖4所示。 從圖4可以看出， 電機氣隙磁感應強度分佈基本呈方波分佈， 求平均值基本與電磁方案設計結果相符。
圖3 電機磁通分布
圖4 電機氣隙磁感應強度
控制器本控制器主控單元採用TI公司的DSP晶片TMS320LF2407A， 主控單元需要檢測電機的電流信號和轉子位置信號，並為驅動板提供六路PWM驅動信號，因此，控制一個無刷直流電動機，需要6個PWM輸出，一路ADC轉換，三個捕獲單元。
對於TMS320LF2407A 處理器，由於其有兩個事件管理器（EVA和EVB），每個事件管理器都有3個捕獲單元並可以輸出6路PWM，所以該晶片可以同時直接為兩台無刷直流電動機提供控制信號。如圖1所示。由於控制晶片週邊電路較為成熟，但其具有較大的程式記憶體，因此，相對於硬體而言，要實現針對電機的靈活控制，著重從軟體方面入手。
驅動本電機控制系統的驅動環節電路採用全橋結構，通過對六個功率元件的開、關的控制，對電機電壓、電流波形進行調製。通過利用 TMS320LF2407A內含的四個各自獨立的 16位通用計時器、六個全比較器實現電機電壓的PWM調製。TMS320LF2407A內含可程式設計死區控制，六個全比較器中的任何一個與通用計時器、死區控制單元一起用於產生一對有可程式設計死區和輸出極性的PWM輸出。共有十二路這樣的PWM輸出。每六個輸出可以用來控制無刷直流電機，實現DSP對兩台電機的控制。
圖5 功率主電路
控制系統功率主電路如圖5。選用IRF540功率管，該器件最高工作電壓為100V，最大工作電流28A，最大功率損耗150W，完全滿足該系統功率要求；續流二極體D1～D6選用快恢二極體；電容C1～C3用來吸收直流母線上的尖峰電壓，防止過高的母線電壓擊穿功率管；電阻R2用來檢測電機的直流母線上電流，防止電機過流發生故障，該過流信號Isence經過處理後輸入到功率橋的前級驅動晶片和DSP處理器中，在過流時可以及時封鎖門極驅動信號。
功率管的前級驅動採用IR公司的電機驅動晶片IR2130，該晶片集驅動、死區、過流保護等功能與一體，使用單電源即可完成六隻功率管的驅動，使用時極為方便，特別適合於小功率驅動領域。
軟體根據定義的功能，軟體分為如下幾大模組：
初始化模組：主程序初始化模組（_c_int0），EVA初始化模組（EVA_INIT），EVB初始化模組（EVB_INIT）；
電機啟動模組：電機A啟動模組（MOTORA_START），電機B啟動模組（MOTORB_START）；
換向模組：電機A換向模組（COMMUTATION_A），電機B換向模組（COMMUTATION_B）；
霍爾信號捕獲模組：電機A的霍爾信號捕獲模組（CAPIN_A），電機B的霍爾信號捕獲模組（CAPIN_B）；
鍵盤分析模組：電機A的鍵盤輸入分析模組（KEY_ANALYSE_A），電機B的鍵盤輸入分析模組（KEY_ANALYSE_B）；
PID調節模組（_PID），位置記憶模組（REM）。
圖6 軟體主流程圖
軟體主體採用工程上流行的模組化順序結構，霍爾信號捕獲和PID調節採用中斷控制方式。圖6為系統軟體流程圖。其中圖6（a）為系統主程序流程圖，主要實現系統初始化以及兩個電機運行狀態的讀取和設置，系統初始化完成對DSP系統寄存器、I/O埠、以及系統中斷的設置，兩個電機的運行狀態的獲得由鍵盤分析模組獲得，根據得到的狀態，決定電機是處於運行、啟動或是停轉狀態。電機運行狀態由全域變數RUN_STATE_A和RUN_STATE_B表示，088H表示電機處於運行狀態，00H表示電機啟動，0FFH表示電機停轉。
軟體中電機換向和PID速度調節都採用中斷控制的方式。圖6（b）是電機逆變器換向流程圖，該中斷副程式各模組完成霍爾位置信號的捕獲、逆變器換向、速度計算三個主要功能，使電機正常運行，並為PID速度調節提供了速度回饋值。圖6（c）為電機PID調節中斷流程圖，PID中斷調節的中斷信號由內部軟體產生。
結論隨著技術不斷發展，成本不斷降低，稀土永磁無刷直流電機在醫療領域的應用將會進一步得到普及。將稀土永磁無刷直流電機與DSP控制技術相結合，是無刷電機的一個重要發展方向。本文介紹的電動牙科座椅驅動系統採用稀土永磁無刷直流電機，以DSP為主控晶片，具有全數位控制、位置記憶、過壓過流保護等功能，在電動座椅驅動系統領域當中具有廣闊的前景。
（摘編自《電氣技術》，原文標題為“新型牙科座椅用數位式稀土永磁無刷直流電機驅動系統”，作者為李榕、劉衛國、馬瑞卿、韓英桃。）
主控單元需要檢測電機的電流信號和轉子位置信號，並為驅動板提供六路PWM驅動信號，因此，控制一個無刷直流電動機，需要6個PWM輸出，一路ADC轉換，三個捕獲單元。對於TMS320LF2407A 處理器，由於其有兩個事件管理器（EVA和EVB），每個事件管理器都有3個捕獲單元並可以輸出6路PWM，所以該晶片可以同時直接為兩台無刷直流電動機提供控制信號。如圖1所示。由於控制晶片週邊電路較為成熟，但其具有較大的程式記憶體，因此，相對於硬體而言，要實現針對電機的靈活控制，著重從軟體方面入手。
驅動本電機控制系統的驅動環節電路採用全橋結構，通過對六個功率元件的開、關的控制，對電機電壓、電流波形進行調製。通過利用 TMS320LF2407A內含的四個各自獨立的 16位通用計時器、六個全比較器實現電機電壓的PWM調製。TMS320LF2407A內含可程式設計死區控制，六個全比較器中的任何一個與通用計時器、死區控制單元一起用於產生一對有可程式設計死區和輸出極性的PWM輸出。共有十二路這樣的PWM輸出。每六個輸出可以用來控制無刷直流電機，實現DSP對兩台電機的控制。
圖5 功率主電路
控制系統功率主電路如圖5。選用IRF540功率管，該器件最高工作電壓為100V，最大工作電流28A，最大功率損耗150W，完全滿足該系統功率要求；續流二極體D1～D6選用快恢二極體；電容C1～C3用來吸收直流母線上的尖峰電壓，防止過高的母線電壓擊穿功率管；電阻R2用來檢測電機的直流母線上電流，防止電機過流發生故障，該過流信號Isence經過處理後輸入到功率橋的前級驅動晶片和DSP處理器中，在過流時可以及時封鎖門極驅動信號。
功率管的前級驅動採用IR公司的電機驅動晶片IR2130，該晶片集驅動、死區、過流保護等功能與一體，使用單電源即可完成六隻功率管的驅動，使用時極為方便，特別適合於小功率驅動領域。
軟體根據定義的功能，軟體分為如下幾大模組：
初始化模組：主程序初始化模組（_c_int0），EVA初始化模組（EVA_INIT），EVB初始化模組（EVB_INIT）；
電機啟動模組：電機A啟動模組（MOTORA_START），電機B啟動模組（MOTORB_START）；
換向模組：電機A換向模組（COMMUTATION_A），電機B換向模組（COMMUTATION_B）；
霍爾信號捕獲模組：電機A的霍爾信號捕獲模組（CAPIN_A），電機B的霍爾信號捕獲模組（CAPIN_B）；
鍵盤分析模組：電機A的鍵盤輸入分析模組（KEY_ANALYSE_A），電機B的鍵盤輸入分析模組（KEY_ANALYSE_B）；
PID調節模組（_PID），位置記憶模組（REM）。
圖6 軟體主流程圖
軟體主體採用工程上流行的模組化順序結構，霍爾信號捕獲和PID調節採用中斷控制方式。圖6為系統軟體流程圖。其中圖6（a）為系統主程序流程圖，主要實現系統初始化以及兩個電機運行狀態的讀取和設置，系統初始化完成對DSP系統寄存器、I/O埠、以及系統中斷的設置，兩個電機的運行狀態的獲得由鍵盤分析模組獲得，根據得到的狀態，決定電機是處於運行、啟動或是停轉狀態。電機運行狀態由全域變數RUN_STATE_A和RUN_STATE_B表示，088H表示電機處於運行狀態，00H表示電機啟動，0FFH表示電機停轉。
軟體中電機換向和PID速度調節都採用中斷控制的方式。圖6（b）是電機逆變器換向流程圖，該中斷副程式各模組完成霍爾位置信號的捕獲、逆變器換向、速度計算三個主要功能，使電機正常運行，並為PID速度調節提供了速度回饋值。圖6（c）為電機PID調節中斷流程圖，PID中斷調節的中斷信號由內部軟體產生。
結論隨著技術不斷發展，成本不斷降低，稀土永磁無刷直流電機在醫療領域的應用將會進一步得到普及。將稀土永磁無刷直流電機與DSP控制技術相結合，是無刷電機的一個重要發展方向。本文介紹的電動牙科座椅驅動系統採用稀土永磁無刷直流電機，以DSP為主控晶片，具有全數位控制、位置記憶、過壓過流保護等功能，在電動座椅驅動系統領域當中具有廣闊的前景。
（摘編自《電氣技術》，原文標題為“新型牙科座椅用數位式稀土永磁無刷直流電機驅動系統”，作者為李榕、劉衛國、馬瑞卿、韓英桃。）