CN108923692A - 一种脊椎畸形矫正器及控制方法 - Google Patents

一种脊椎畸形矫正器及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于医用器械技术领域，公开了一种脊椎畸形矫正器及控制方法，脊椎畸形矫正器设置有：腰部紧固带；腰部紧固带前方焊接有半圆柱托腮柱；半圆柱托腮柱中间通过螺纹连接托腮柱高度旋钮；半圆柱托腮柱顶部焊接有托腮板；腰部紧固带后方焊接有两根背部矫形柱；背部矫形柱中部通过螺纹连接背部矫形柱高度调节旋钮；两根背部矫形柱上方均设置有紧固带。此脊椎畸形矫正器设置有半圆柱托腮柱，可以在患者胸前托住腮部，配合背部矫形柱，让患者上半身保持伸直；并且紧固带可以将背部矫形柱紧紧禁锢在患者背部，辅助进行脊椎畸形矫正工作。

Description

一种脊椎畸形矫正器及控制方法
技术领域
本发明属于医用器械技术领域，尤其涉及一种脊椎畸形矫正器及控制方法。
背景技术
目前，业内常用的现有技术是这样的：
脊柱的冠状位，矢状位或轴向位偏离正常位置，发生形态上异常的表现，称为脊柱畸形。从外形上，侧弯可以产生背部隆起畸形，产生“剃刀背”畸形，有的甚至产生“漏斗胸”或“鸡胸”畸形，同时合并这种背部畸形，可以伴随双侧肩关节不平衡或者骨盆不平衡，以及双下肢不等长；后凸畸形，尤其是胸椎结核性后凸畸形，可以引起患者明显局部畸形，身高减少，胸腔和腹腔容量的减少，甚至造成神经功能，呼吸功能，消化功能的损害等；同时对于脊柱骨结构本身发育不良的患者，可以伴发脑脊膜膨出，隐形脊柱裂等神经发育异常的表现。此外，先天性脊柱侧凸还可能伴有心血管系统异常，气管－食管瘘，多囊肾等多脏器异常的表现。传统治疗脊柱畸形的方式是手术矫正，可是此类手术风险极大，很容易对患者造成不可逆的伤害，因此我们需要一种温和的物理方式治疗脊柱畸形。
综上所述，现有技术存在的问题是：
传统治疗脊柱畸形的方式是手术矫正，可是此类手术风险极大，很容易对患者造成不可逆的伤害，因此我们需要一种温和的物理方式治疗脊柱畸形。
现有的控制设备中，单芯片不能对多路(最高达25路)第一电机或第二电机的电流细分驱动控制和轨迹运动控制功能。
现有的FPGA存储信息容量小，保存多份FPGA配置信息时需要多个芯片；并且对信息配置时需要停电处理，使用比较麻烦。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种脊椎畸形矫正器及控制方法。
本发明是这样实现的，一种脊椎畸形矫正器的控制方法，所述脊椎畸形矫正器的控制方法包括：
通过托腮柱高度旋钮控制模块控制托腮板的高度；
通过背部矫形柱高度调节旋钮控制模块控制背部矫形柱的高度；
通过控制模块分别控制托腮柱高度旋钮控制模块集成的第一电机、背部矫形柱高度调节旋钮控制模块集成的第二电机，执行托腮柱高度旋钮控制模块、背部矫形柱高度调节旋钮控制模块的控制指令；
通过计算机对托腮柱高度旋钮控制模块、背部矫形柱高度调节旋钮控制模块进行控制指令；
控制模块包括：
与FPGA控制模块互逆连接，至少集成一组功率驱动和位置及电流采集电路，用于第一电机或第二电机的功率驱动，以及将电机位置及电流的实时信号采集并反馈给FPGA控制模块的多路功率驱动及信号采集模块；
与多路功率驱动及信号采集模块互逆连接，至少设置一组第一电机或第二电机/编码器，用于第一电机或第二电机转子位置的实时检测的第一电机或第二电机/编码器组；
所述FPGA控制模块，包括Nios II微处理器、CAN控制器IP核、多路第一电机或第二电机控制IP核、定时器IP核、EPCS IP核、JTAG UART；所述多路第一电机或第二电机控制IP核通过片内Avalon总线分别连通Nios II微处理器、CAN控制器IP核、定时器IP核、EPCS IP核、JTAG UART；所述多路第一电机或第二电机控制IP核连接多路功率驱动和位置及电流采集电路；
所述CAN控制器IP核，一端通过CAN通信接口电路连接计算机，另一端通过片内Avalon总线连接Nios II微处理器，用于实现Nios II微处理器与计算机之间的串行通讯；
所述Nios II微处理器，用于与计算机的数据交互，将计算机的控制指令信息解析，根据解析结果对每路第一电机或第二电机控制IP核的配置信息、运行信息进行设定，并将多轴第一电机或第二电机控制器的状态信息反馈给计算机；
所述第一电机或第二电机控制IP核，包括Avalon总线接口模块、速度剖面产生模块、细分电流计算模块、电流调节器、PWM输出模块、AD接口控制模块、电流调理模块、位置反馈处理模块和时序规划模块；用于实现第一电机或第二电机的电流细分驱动控制和轨迹运动控制功能；
所述Avalon总线接口模块，用于与Nios II微处理器的数据交互，接收Nios II微处理器过来的配置信息和运行信息，并将状态信息反馈给Nios II微处理器；
所述速度剖面产生模块用于根据配置信息和运行信息进行梯形速度剖面参数的运算，实时计算出每一个步进脉冲的控制周期，并生成步进脉冲信号CP和转向信号Dir；
所述细分电流计算模块用于根据步进脉冲信号CP和转向信号Dir计算第一电机或第二电机两相绕组电流的给定值Ia *和Ib *；
所述AD接口控制模块用于控制外部的双通道AD转换器完成模数转换，以读取外部AD转换器的电流采样结果；
所述电流调理模块用于根据电流采样结果计算出第一电机或第二电机两相绕组电流的反馈值Ia和Ib；
所述电流调节器用于根据两相绕组电流的给定值Ia *和Ib *和反馈值Ia和Ib分别进行电流PI闭环运算，以生成相应绕组电流控制所需的脉冲占空比信号Duty；
所述PWM输出模块用于根据脉冲占空比信号Duty和转向信号Dir，以生成相应绕组电流控制所需的PWM信号；
所述FPGA控制模块还通过导线连接FPGA配置电路；FPGA配置电路包括串行FLASH存储器；串行FLASH存储器的FCLK、FnCS、FMOSI、FMIS接口连接外部处理器；通过上述接口将配置信息写至串行FLASH存储器；接口CLK、SDA连接外部处理；通过上述接口设置引导信息；nConfig、DI、DCLK、nCS、DO通过导线连接FPGA；
所述串行FLASH存储器的数据写入为：外部处理器通过FCLK、FnCS、FMOSI、FMIS完成配置信息写入。
进一步，所述位置反馈处理模块用于获取当前电机转子位置信息；
所述时序规划模块用于Avalon总线接口模块、速度剖面产生模块、细分电流计算模块、电流调节器、PWM输出模块、AD接口控制模块、电流调理模块、位置反馈处理模块的时序调度，使得它们按照一定的顺序执行以完成第一电机或第二电机的电流细分驱动控制和轨迹运动控制功能；
所述功率驱动及信号采集模块，包括电平转换电路、驱动电路、功率H桥电路、电流传感器、电流调理电路、AD转换电路和位置调理电路；所述第一电机或第二电机控制IP核输出的PWM信号经电平转换电路后接驱动电路的输入端；
所述驱动电路的输出端接功率H桥电路的输入端；
所述功率H桥电路的输出端接两相第一电机或第二电机的一相绕组；
所述电流传感器串联在第一电机或第二电机绕组回路中，用于绕组电流的采集，依次通过电流调理电路、AD转换电路和电平转换电路后接第一电机或第二电机控制IP核的电流信号输入；
所述第一电机或第二电机后端设置有光电编码器用于采集电机转子位置信号，依次通过位置调理电路、电平转换电路后接第一电机或第二电机控制IP核的转子位置信号输入；
进一步，所述速度剖面产生模块根据Avalon总线接口模块的配置信息和运行信息；
首先计算出速度剖面各阶段所需的控制参数；按梯形速度剖面运行时，则加速阶段、匀速阶段和减速阶段的加速度a1、a2、a3分别为：
其中，启动速度为Fs，匀速速度为Fc，停止速度为Fe，加速步数为N1，匀速步数为N2，减速步数为N3；
其次实时计算出每一个步进脉冲的控制周期；由第一电机或第二电机工作原理及运动学方程，得加速阶段、匀速阶段和减速阶段每个步进脉冲的步进周期Δti、Δtj和Δtk分别为：
最后生成相应的步进脉冲信号CP和转向信号Dir；第一电机或第二电机在高速运行时，步进周期Δt的数值在us甚至ns量级，用计算出的步进周期Δt除以计数器的基本计数单位T，得到一个计数初值c0，将这个值写入到计数器中，并使之开始减1计数；比较器的值为计数初值c0的一半；当计数器计数值大于比较器的值时，脉冲信号CP输出为低；反之输出为高；同时根据每个步进脉冲的控制周期Δt的符号，确定转向信号Dir值；若控制周期Δt为正，则转向信号Dir为1，否则为0。
进一步，所述细分电流计算模块根据Avalon总线接口模块的配置信息、速度剖面产生模块的步进脉冲信号CP和转向信号Dir，计算第一电机或第二电机两相绕组电流的给定值Ia *和Ib *；第一电机或第二电机绕组电流采用微步细分驱动方式时，其运算公式如下：
式(3)中，Imax为电机的绕组电流峰值，N为微步细分数，由微处理器通过Avalon总线接口模块设定；s为当前所需要的步数，由速度剖面产生模块输出的步进脉冲信号CP和方向信号Dir决定，当方向信号为1时，检测到步进脉冲信号的上升沿时步数s加1，否则s减1。
进一步，所述调理模块根据AD接口控制模块输出的两相绕组电流采样结果，依次进行数字滤波、零点漂移校正补偿、逆电流调理转换运算和锁存处理，计算得到第一电机或第二电机两相绕组电流的反馈值Ia和Ib；
所述电流调节器根据细分电流计算模块的两相绕组电流给定值Ia *和Ib *、电流调理模块的两相绕组电流反馈值Ia和Ib、以及Avalon总线接口模块的调节器控制参数，完成两路电流闭环算法运算，以生成相应绕组电流控制所需的脉冲占空比信号Duty；电流调节算法采用PI控制，其运算公式如下：
式(4)中，Kp、Ki为电流调节器的比例系数和积分系数，T为电流调节器的控制周期，由微处理器通过Avalon总线接口模块设置。
本发明的另一目的在于提供一种实现所述脊椎畸形矫正器的控制方法的计算机程序。
本发明的另一目的在于提供一种实现所述脊椎畸形矫正器的控制方法的信息数据处理终端。
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行所述的脊椎畸形矫正器的控制方法。
本发明的另一目的在于提供一种实现所述脊椎畸形矫正器的控制方法的脊椎畸形矫正器，所述脊椎畸形矫正器设置有：
腰部紧固带；
腰部紧固带前方焊接有半圆柱托腮柱；半圆柱托腮柱中间通过螺纹连接托腮柱高度旋钮；半圆柱托腮柱顶部焊接有托腮板；腰部紧固带后方焊接有两根背部矫形柱；背部矫形柱中部通过螺纹连接背部矫形柱高度调节旋钮；两根背部矫形柱上方均设置有紧固带。
托腮柱高度旋钮上集成有托腮柱高度旋钮控制模块，通过托腮柱高度旋钮控制模块控制托腮板的高度；
背部矫形柱高度调节旋钮集成有背部矫形柱高度调节旋钮控制模块，通过背部矫形柱高度调节旋钮控制模块控制背部矫形柱的高度；
控制模块分别控制托腮柱高度旋钮控制模块集成的第一电机、调节背部矫形柱高度调节旋钮控制模块集成的第二电机，执行调节托腮柱高度旋钮控制模块、调节背部矫形柱高度调节旋钮控制模块的控制指令；
计算机对调节托腮柱高度旋钮控制模块、调节背部矫形柱高度调节旋钮控制模块进行控制指令。
进一步，所述前方腰部紧固带与腰部紧固带通过松紧带连接；
所述左侧紧固带设置有卡槽；
所述右侧紧固带焊接有卡扣。
本发明的优点及积极效果为：
此新型脊椎畸形矫正器设置有半圆柱托腮柱，可以在患者胸前托住腮部，配合背部矫形柱，让患者上半身保持伸直；并且紧固带可以将背部矫形柱紧紧禁锢在患者背部，辅助进行脊椎畸形矫正工作。
此新型脊椎畸形矫正器方便穿戴，并且均设置有调节旋钮，可以适配各种身高的人，并且有效地帮助患者通过物理的方式治疗脊椎畸形、适宜大规模推广。
本发明充分利用了FPGA丰富可编程硬件资源和并行处理能力，实现了单片FPGA同时控制多路第一电机或第二电机，解决了传统控制器只能控制一路或两路的问题，同时也较好地解决多个电机之间的同步问题，实现了多轴第一电机或第二电机控制系统的高度集成化，减小了控制系统体积，降低了成本，提高了系统稳定性。
本发明采用模块化和IP设计思想，将各模块作为独立体系设计，不仅在FPGA内部嵌入Nios II微处理器使FPGA具备数字信号处理和事务性协调处理功能，同时在Nios II微处理器周围通过纯硬件逻辑单元的形式(第一电机或第二电机控制IP核)构建多路第一电机或第二电机控制功能模块，并配置与现场总线通信有关的功能模块，整个系统结构简洁清晰，便于系统扩展以及升级维护。
本发明设计的第一电机或第二电机控制IP核，不仅具有电流细分驱动控制功能，还具有运行速度剖面计算功能，可实现多轴、完整、精确的第一电机或第二电机驱动与控制功能，而且控制参数可根据用户需求由微处理器灵活设置，具有较广的适用性。
该可引导的FPGA配置电路如果FLASH存储器容量足够，则可以在一片FLASH芯片中保存有两份及以上FPGA配置信息，可减少50％及以上的芯片数量。外部处理器通过CLK、SDA可以强制FPGA进行重新配置，可以实现FPGA功能的“热切换。
附图说明
图1是本发明实施例提供的脊椎畸形矫正器示意图。
图2是本发明实施例提供的脊椎畸形矫正器半圆柱托腮柱示意图。
图3是本发明实施例提供的计算机连接示意图。
图中：1、托腮板；2、紧固带；3、卡扣；4、背部矫形柱高度调节旋钮；5、背部矫形柱；6、松紧带；7、卡槽；8、托腮柱高度旋钮；9、腰部紧固带；10、半圆柱托腮柱；11、托腮柱高度旋钮控制模块；12、背部矫形柱高度调节旋钮控制模块；13、控制模块；14、第一电机；15、第二电机；16、计算机。
图4是本发明实施例提供的第一电机、第二电机(第一电机或第二电机)控制IP核架构图。
图5是本发明实施例提供的FPGA配置电路的原理图。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。
如附图1及附图2所示，本发明实施例提供的脊椎畸形矫正器包括：托腮板1、紧固带2、卡扣3、背部矫形柱高度调节旋钮4、背部矫形柱5、松紧带6、卡槽7、托腮柱高度旋钮8、腰部紧固带9、半圆柱托腮柱10。
腰部紧固带9前方焊接有半圆柱托腮柱10；半圆柱托腮柱10中间通过螺纹连接托腮柱高度旋钮8；半圆柱托腮柱10顶部焊接有托腮板1；腰部紧固带9后方焊接有两根背部矫形柱5；背部矫形柱5中部通过螺纹连接背部矫形柱高度调节旋钮4；两根背部矫形柱5上方均设置有紧固带2。
托腮柱高度旋钮上集成有托腮柱高度旋钮控制模块11，通过托腮柱高度旋钮控制模块控制托腮板的高度；
背部矫形柱高度调节旋钮集成有背部矫形柱高度调节旋钮控制模块12，通过背部矫形柱高度调节旋钮控制模块控制背部矫形柱的高度；
控制模块13分别控制托腮柱高度旋钮控制模块集成的第一电机14、调节背部矫形柱高度调节旋钮控制模块集成的第二电机15，执行调节托腮柱高度旋钮控制模块、调节背部矫形柱高度调节旋钮控制模块的控制指令；
计算机16对调节托腮柱高度旋钮控制模块、调节背部矫形柱高度调节旋钮控制模块进行控制指令。
前方腰部紧固带9与腰部紧固带9通过松紧带6连接。
左侧紧固带2设置有卡槽7。
右侧紧固带2焊接有卡扣3。
本发明的工作原理：
在使用时，首先将腰部紧固带9从头部自上而下套在患者体内，固定在患者腰部，随后调节托腮柱高度旋钮8，使托腮板1架在患者下巴处，随后调节背部矫形柱高度调节旋钮4，使背部矫形柱5达到合适高度后，将紧固带2在患者胸前系紧。
此新型脊椎畸形矫正器设置有半圆柱托腮柱10，可以在患者胸前托住腮部，配合背部矫形柱5，让患者上半身保持伸直；并且紧固带2可以将背部矫形柱5紧紧禁锢在患者背部，辅助进行脊椎畸形矫正工作。
此新型脊椎畸形矫正器方便穿戴，并且均设置有调节旋钮，可以适配各种身高的人，并且有效地帮助患者通过物理的方式治疗脊椎畸形、适宜大规模推广。
图4是本发明实施例提供的第一电机、第二电机(第一电机或第二电机)控制IP核架构图。
图5是本发明实施例提供的FPGA配置电路的原理图
下面结合具体分析对本发明作进一步描述。
本发明实施例提供的脊椎畸形矫正器的控制方法，所述脊椎畸形矫正器的控制方法包括：
通过托腮柱高度旋钮控制模块控制托腮板的高度；
通过背部矫形柱高度调节旋钮控制模块控制背部矫形柱的高度；
通过控制模块分别控制托腮柱高度旋钮控制模块集成的第一电机、背部矫形柱高度调节旋钮控制模块集成的第二电机，执行托腮柱高度旋钮控制模块、背部矫形柱高度调节旋钮控制模块的控制指令；
通过计算机对托腮柱高度旋钮控制模块、背部矫形柱高度调节旋钮控制模块进行控制指令；
控制模块包括：
与FPGA控制模块互逆连接，至少集成一组功率驱动和位置及电流采集电路，用于第一电机或第二电机的功率驱动，以及将电机位置及电流的实时信号采集并反馈给FPGA控制模块的多路功率驱动及信号采集模块；
与多路功率驱动及信号采集模块互逆连接，至少设置一组第一电机或第二电机/编码器，用于第一电机或第二电机转子位置的实时检测的第一电机或第二电机/编码器组；
所述FPGA控制模块，包括Nios II微处理器、CAN控制器IP核、多路第一电机或第二电机控制IP核、定时器IP核、EPCS IP核、JTAG UART；所述多路第一电机或第二电机控制IP核通过片内Avalon总线分别连通Nios II微处理器、CAN控制器IP核、定时器IP核、EPCS IP核、JTAG UART；所述多路第一电机或第二电机控制IP核连接多路功率驱动和位置及电流采集电路；
所述CAN控制器IP核，一端通过CAN通信接口电路连接计算机，另一端通过片内Avalon总线连接Nios II微处理器，用于实现Nios II微处理器与计算机之间的串行通讯；
所述Nios II微处理器，用于与计算机的数据交互，将计算机的控制指令信息解析，根据解析结果对每路第一电机或第二电机控制IP核的配置信息、运行信息进行设定，并将多轴第一电机或第二电机控制器的状态信息反馈给计算机；
所述第一电机或第二电机控制IP核，包括Avalon总线接口模块、速度剖面产生模块、细分电流计算模块、电流调节器、PWM输出模块、AD接口控制模块、电流调理模块、位置反馈处理模块和时序规划模块；用于实现第一电机或第二电机的电流细分驱动控制和轨迹运动控制功能；
所述Avalon总线接口模块，用于与Nios II微处理器的数据交互，接收Nios II微处理器过来的配置信息和运行信息，并将状态信息反馈给Nios II微处理器；
所述速度剖面产生模块用于根据配置信息和运行信息进行梯形速度剖面参数的运算，实时计算出每一个步进脉冲的控制周期，并生成步进脉冲信号CP和转向信号Dir；
所述细分电流计算模块用于根据步进脉冲信号CP和转向信号Dir计算第一电机或第二电机两相绕组电流的给定值Ia *和Ib *；
所述AD接口控制模块用于控制外部的双通道AD转换器完成模数转换，以读取外部AD转换器的电流采样结果；
所述电流调理模块用于根据电流采样结果计算出第一电机或第二电机两相绕组电流的反馈值Ia和Ib；
所述电流调节器用于根据两相绕组电流的给定值Ia *和Ib *和反馈值Ia和Ib分别进行电流PI闭环运算，以生成相应绕组电流控制所需的脉冲占空比信号Duty；
所述PWM输出模块用于根据脉冲占空比信号Duty和转向信号Dir，以生成相应绕组电流控制所需的PWM信号；
所述FPGA控制模块还通过导线连接FPGA配置电路；FPGA配置电路包括串行FLASH存储器；串行FLASH存储器的FCLK、FnCS、FMOSI、FMIS接口连接外部处理器；通过上述接口将配置信息写至串行FLASH存储器；接口CLK、SDA连接外部处理；通过上述接口设置引导信息；nConfig、DI、DCLK、nCS、DO通过导线连接FPGA；
所述串行FLASH存储器的数据写入为：外部处理器通过FCLK、FnCS、FMOSI、FMIS完成配置信息写入。
所述位置反馈处理模块用于获取当前电机转子位置信息；
所述时序规划模块用于Avalon总线接口模块、速度剖面产生模块、细分电流计算模块、电流调节器、PWM输出模块、AD接口控制模块、电流调理模块、位置反馈处理模块的时序调度，使得它们按照一定的顺序执行以完成第一电机或第二电机的电流细分驱动控制和轨迹运动控制功能；
所述功率驱动及信号采集模块，包括电平转换电路、驱动电路、功率H桥电路、电流传感器、电流调理电路、AD转换电路和位置调理电路；所述第一电机或第二电机控制IP核输出的PWM信号经电平转换电路后接驱动电路的输入端；
所述驱动电路的输出端接功率H桥电路的输入端；
所述功率H桥电路的输出端接两相第一电机或第二电机的一相绕组；
所述电流传感器串联在第一电机或第二电机绕组回路中，用于绕组电流的采集，依次通过电流调理电路、AD转换电路和电平转换电路后接第一电机或第二电机控制IP核的电流信号输入；
所述第一电机或第二电机后端设置有光电编码器用于采集电机转子位置信号，依次通过位置调理电路、电平转换电路后接第一电机或第二电机控制IP核的转子位置信号输入；
所述速度剖面产生模块根据Avalon总线接口模块的配置信息和运行信息；
首先计算出速度剖面各阶段所需的控制参数；按梯形速度剖面运行时，则加速阶段、匀速阶段和减速阶段的加速度a1、a2、a3分别为：
其中，启动速度为Fs，匀速速度为Fc，停止速度为Fe，加速步数为N1，匀速步数为N2，减速步数为N3；
其次实时计算出每一个步进脉冲的控制周期；由第一电机或第二电机工作原理及运动学方程，得加速阶段、匀速阶段和减速阶段每个步进脉冲的步进周期Δti、Δtj和Δtk分别为：
最后生成相应的步进脉冲信号CP和转向信号Dir；第一电机或第二电机在高速运行时，步进周期Δt的数值在us甚至ns量级，用计算出的步进周期Δt除以计数器的基本计数单位T，得到一个计数初值c0，将这个值写入到计数器中，并使之开始减1计数；比较器的值为计数初值c0的一半；当计数器计数值大于比较器的值时，脉冲信号CP输出为低；反之输出为高；同时根据每个步进脉冲的控制周期Δt的符号，确定转向信号Dir值；若控制周期Δt为正，则转向信号Dir为1，否则为0。
所述细分电流计算模块根据Avalon总线接口模块的配置信息、速度剖面产生模块的步进脉冲信号CP和转向信号Dir，计算第一电机或第二电机两相绕组电流的给定值Ia *和Ib *；第一电机或第二电机绕组电流采用微步细分驱动方式时，其运算公式如下：
式(3)中，Imax为电机的绕组电流峰值，N为微步细分数，由微处理器通过Avalon总线接口模块设定；s为当前所需要的步数，由速度剖面产生模块输出的步进脉冲信号CP和方向信号Dir决定，当方向信号为1时，检测到步进脉冲信号的上升沿时步数s加1，否则s减1。
所述调理模块根据AD接口控制模块输出的两相绕组电流采样结果，依次进行数字滤波、零点漂移校正补偿、逆电流调理转换运算和锁存处理，计算得到第一电机或第二电机两相绕组电流的反馈值Ia和Ib；
所述电流调节器根据细分电流计算模块的两相绕组电流给定值Ia *和Ib *、电流调理模块的两相绕组电流反馈值Ia和Ib、以及Avalon总线接口模块的调节器控制参数，完成两路电流闭环算法运算，以生成相应绕组电流控制所需的脉冲占空比信号Duty；电流调节算法采用PI控制，其运算公式如下：
式(4)中，Kp、Ki为电流调节器的比例系数和积分系数，T为电流调节器的控制周期，由微处理器通过Avalon总线接口模块设置。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘SolidState Disk(SSD))等。
以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种脊椎畸形矫正器的控制方法，其特征在于，所述脊椎畸形矫正器的控制方法包括：
通过托腮柱高度旋钮控制模块控制托腮板的高度；
通过背部矫形柱高度调节旋钮控制模块控制背部矫形柱的高度；
通过控制模块分别控制托腮柱高度旋钮控制模块集成的第一电机、背部矫形柱高度调节旋钮控制模块集成的第二电机，执行托腮柱高度旋钮控制模块、背部矫形柱高度调节旋钮控制模块的控制指令；
通过计算机对托腮柱高度旋钮控制模块、背部矫形柱高度调节旋钮控制模块进行控制指令；
控制模块包括：
与FPGA控制模块互逆连接，至少集成一组功率驱动和位置及电流采集电路，用于第一电机或第二电机的功率驱动，以及将电机位置及电流的实时信号采集并反馈给FPGA控制模块的多路功率驱动及信号采集模块；
与多路功率驱动及信号采集模块互逆连接，至少设置一组第一电机或第二电机/编码器，用于第一电机或第二电机转子位置的实时检测的第一电机或第二电机/编码器组；
所述FPGA控制模块，包括Nios II微处理器、CAN控制器IP核、多路第一电机或第二电机控制IP核、定时器IP核、EPCS IP核、JTAG UART；所述多路第一电机或第二电机控制IP核通过片内Avalon总线分别连通Nios II微处理器、CAN控制器IP核、定时器IP核、EPCS IP核、JTAG UART；所述多路第一电机或第二电机控制IP核连接多路功率驱动和位置及电流采集电路；
所述CAN控制器IP核，一端通过CAN通信接口电路连接计算机，另一端通过片内Avalon总线连接Nios II微处理器，用于实现Nios II微处理器与计算机之间的串行通讯；
所述Nios II微处理器，用于与计算机的数据交互，将计算机的控制指令信息解析，根据解析结果对每路第一电机或第二电机控制IP核的配置信息、运行信息进行设定，并将多轴第一电机或第二电机控制器的状态信息反馈给计算机；
所述第一电机或第二电机控制IP核，包括Avalon总线接口模块、速度剖面产生模块、细分电流计算模块、电流调节器、PWM输出模块、AD接口控制模块、电流调理模块、位置反馈处理模块和时序规划模块；用于实现第一电机或第二电机的电流细分驱动控制和轨迹运动控制功能；
所述Avalon总线接口模块，用于与Nios II微处理器的数据交互，接收Nios II微处理器过来的配置信息和运行信息，并将状态信息反馈给Nios II微处理器；
所述速度剖面产生模块用于根据配置信息和运行信息进行梯形速度剖面参数的运算，实时计算出每一个步进脉冲的控制周期，并生成步进脉冲信号CP和转向信号Dir；
所述细分电流计算模块用于根据步进脉冲信号CP和转向信号Dir计算第一电机或第二电机两相绕组电流的给定值Ia *和Ib *；
所述AD接口控制模块用于控制外部的双通道AD转换器完成模数转换，以读取外部AD转换器的电流采样结果；
所述电流调理模块用于根据电流采样结果计算出第一电机或第二电机两相绕组电流的反馈值Ia和Ib；
所述电流调节器用于根据两相绕组电流的给定值Ia *和Ib *和反馈值Ia和Ib分别进行电流PI闭环运算，以生成相应绕组电流控制所需的脉冲占空比信号Duty；
所述PWM输出模块用于根据脉冲占空比信号Duty和转向信号Dir，以生成相应绕组电流控制所需的PWM信号；
所述FPGA控制模块还通过导线连接FPGA配置电路；FPGA配置电路包括串行FLASH存储器；串行FLASH存储器的FCLK、FnCS、FMOSI、FMIS接口连接外部处理器；通过上述接口将配置信息写至串行FLASH存储器；接口CLK、SDA连接外部处理；通过上述接口设置引导信息；nConfig、DI、DCLK、nCS、DO通过导线连接FPGA；
所述串行FLASH存储器的数据写入为：外部处理器通过FCLK、FnCS、FMOSI、FMIS完成配置信息写入。
2.如权利要求1所述的脊椎畸形矫正器的控制方法，其特征在于，
所述位置反馈处理模块用于获取当前电机转子位置信息；
所述时序规划模块用于Avalon总线接口模块、速度剖面产生模块、细分电流计算模块、电流调节器、PWM输出模块、AD接口控制模块、电流调理模块、位置反馈处理模块的时序调度，使得它们按照一定的顺序执行以完成第一电机或第二电机的电流细分驱动控制和轨迹运动控制功能；
所述功率驱动及信号采集模块，包括电平转换电路、驱动电路、功率H桥电路、电流传感器、电流调理电路、AD转换电路和位置调理电路；所述第一电机或第二电机控制IP核输出的PWM信号经电平转换电路后接驱动电路的输入端；
所述驱动电路的输出端接功率H桥电路的输入端；
所述功率H桥电路的输出端接两相第一电机或第二电机的一相绕组；
所述电流传感器串联在第一电机或第二电机绕组回路中，用于绕组电流的采集，依次通过电流调理电路、AD转换电路和电平转换电路后接第一电机或第二电机控制IP核的电流信号输入；
所述第一电机或第二电机后端设置有光电编码器用于采集电机转子位置信号，依次通过位置调理电路、电平转换电路后接第一电机或第二电机控制IP核的转子位置信号输入。
3.如权利要求1所述的脊椎畸形矫正器的控制方法，其特征在于，
所述速度剖面产生模块根据Avalon总线接口模块的配置信息和运行信息；
首先计算出速度剖面各阶段所需的控制参数；按梯形速度剖面运行时，则加速阶段、匀速阶段和减速阶段的加速度a1、a2、a3分别为：
其中，启动速度为Fs，匀速速度为Fc，停止速度为Fe，加速步数为N1，匀速步数为N2，减速步数为N3；
其次实时计算出每一个步进脉冲的控制周期；由第一电机或第二电机工作原理及运动学方程，得加速阶段、匀速阶段和减速阶段每个步进脉冲的步进周期Δti、Δtj和Δtk分别为：
最后生成相应的步进脉冲信号CP和转向信号Dir；第一电机或第二电机在高速运行时，步进周期Δt的数值在us甚至ns量级，用计算出的步进周期Δt除以计数器的基本计数单位T，得到一个计数初值c0，将这个值写入到计数器中，并使之开始减1计数；比较器的值为计数初值c0的一半；当计数器计数值大于比较器的值时，脉冲信号CP输出为低；反之输出为高；同时根据每个步进脉冲的控制周期Δt的符号，确定转向信号Dir值；若控制周期Δt为正，则转向信号Dir为1，否则为0。
4.如权利要求1所述的脊椎畸形矫正器的控制方法，其特征在于，
所述细分电流计算模块根据Avalon总线接口模块的配置信息、速度剖面产生模块的步进脉冲信号CP和转向信号Dir，计算第一电机或第二电机两相绕组电流的给定值Ia *和Ib *；第一电机或第二电机绕组电流采用微步细分驱动方式时，其运算公式如下：
式(3)中，Imax为电机的绕组电流峰值，N为微步细分数，由微处理器通过Avalon总线接口模块设定；s为当前所需要的步数，由速度剖面产生模块输出的步进脉冲信号CP和方向信号Dir决定，当方向信号为1时，检测到步进脉冲信号的上升沿时步数s加1，否则s减1。
5.如权利要求1所述的脊椎畸形矫正器的控制方法，其特征在于，
所述调理模块根据AD接口控制模块输出的两相绕组电流采样结果，依次进行数字滤波、零点漂移校正补偿、逆电流调理转换运算和锁存处理，计算得到第一电机或第二电机两相绕组电流的反馈值Ia和Ib；
所述电流调节器根据细分电流计算模块的两相绕组电流给定值Ia *和Ib *、电流调理模块的两相绕组电流反馈值Ia和Ib、以及Avalon总线接口模块的调节器控制参数，完成两路电流闭环算法运算，以生成相应绕组电流控制所需的脉冲占空比信号Duty；电流调节算法采用PI控制，其运算公式如下：
式(4)中，Kp、Ki为电流调节器的比例系数和积分系数，T为电流调节器的控制周期，由微处理器通过Avalon总线接口模块设置。
6.一种实现权利要求1～5任意一项所述脊椎畸形矫正器的控制方法的计算机程序。
7.一种实现权利要求1～5任意一项所述脊椎畸形矫正器的控制方法的信息数据处理终端。
8.一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行如权利要求1-5任意一项所述的脊椎畸形矫正器的控制方法。
9.一种实现权利要求1所述脊椎畸形矫正器的控制方法的脊椎畸形矫正器，其特征在于，所述脊椎畸形矫正器设置有：
腰部紧固带；
腰部紧固带前方焊接有半圆柱托腮柱；半圆柱托腮柱中间通过螺纹连接托腮柱高度旋钮；半圆柱托腮柱顶部焊接有托腮板；腰部紧固带后方焊接有两根背部矫形柱；背部矫形柱中部通过螺纹连接背部矫形柱高度调节旋钮；两根背部矫形柱上方均设置有紧固带；
托腮柱高度旋钮上集成有托腮柱高度旋钮控制模块，通过托腮柱高度旋钮控制模块控制托腮板的高度；
背部矫形柱高度调节旋钮集成有背部矫形柱高度调节旋钮控制模块，通过背部矫形柱高度调节旋钮控制模块控制背部矫形柱的高度；
控制模块分别控制托腮柱高度旋钮控制模块集成的第一电机、调节背部矫形柱高度调节旋钮控制模块集成的第二电机，执行调节托腮柱高度旋钮控制模块、调节背部矫形柱高度调节旋钮控制模块的控制指令；
计算机对调节托腮柱高度旋钮控制模块、调节背部矫形柱高度调节旋钮控制模块进行控制指令。
10.如权利要求9所述脊椎畸形矫正器，其特征在于，所述前方腰部紧固带与腰部紧固带通过松紧带连接；
所述左侧紧固带设置有卡槽；
所述右侧紧固带焊接有卡扣。
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