CN112842784B - 一种用于电动手术台液压系统的智能调速控制装置 - Google Patents
一种用于电动手术台液压系统的智能调速控制装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及电动液压手术台领域，具体涉及一种用于电动手术台液压系统的智能调速控制装置，所述装置包括动作速度传感器、油泵驱动电路和微控制单元；其中，所述动作速度传感器，用于采集电动手术台的动作速度反馈信号并发送至微控制单元；所述油泵驱动电路，用于根据微控制单元发出的PWM控制信号，控制场效应管的开关占空比，从而控制液压系统的油泵转速；所述微控制单元，用于根据接收的动作速度反馈信号，与目标动作速度进行对比，通过PID运算，输出占空比变化的PWM控制信号至油泵驱动电路，进而动态调节电动手术台的运动速度。本发明的装置不需要手动调节节流阀，调速由电气系统自动完成，无需人工干预，操作简单，更为精准。
Description
技术领域
本发明涉及电动液压手术台领域，尤其涉及一种用于电动手术台液压系统的智能调速控制装置。
背景技术
手术台是手术室的必备医用设备，目前普遍使用的是电动液压手术台。其液压系统方案多为一个油泵驱动多个液压缸，因手术台各个动作对应的液压缸的横截面积大小不一、装配的方式有差异，导致各个动作的速度不一致，影响用户体验。现在市场上的相关产品多以节流阀调速方案为主。
节流阀调速方案，是将动作液压缸油路中串接节流阀，通过手动调节节流阀，一次性调整液压油流速，从而实现液压系统调速(减速)。具体方案示意见图1。由图可见，节流阀调速方案有如下缺点：1)需手动调节节流阀，不够精准；2)需要对每一组动作液压缸进行单独调节，操作复杂；3)油路需单独预留节流阀接口，加工有难度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提出了一种用于电动手术台液压系统的智能调速控制装置。
为了实现上述目的，本发明提出了一种用于电动手术台液压系统的智能调速控制装置，所述装置包括动作速度传感器、微控制单元和油泵驱动电路；其中，
所述动作速度传感器，用于采集电动手术台的动作速度反馈信号并发送至微控制单元；
所述油泵驱动电路，用于根据微控制单元发出的PWM控制信号，控制场效应管的开关占空比，从而控制液压系统的油泵转速；
所述微控制单元，用于根据接收的动作速度反馈信号，与目标动作速度进行对比，通过PID运算，输出占空比变化的PWM控制信号至油泵驱动电路，进而动态调节电动手术台的运动速度。
作为上述装置的一种改进，所述动作速度传感器安装在电动手术台的运动部件上。
作为上述装置的一种改进，所述微控制单元的具体处理过程包括：
接收动作速度反馈信号；
由动作速度反馈信号结合预设的目标动作速度值，经由PID运算，得到PWM占空比的增量值；
根据PWM占空比的增量值，输出新的PWM控制信号至油泵驱动电路，进而动态调节电动手术台的运动速度。
作为上述装置的一种改进，所述由动作速度反馈信号结合预设的目标动作速度值，经由PID运算，得到PWM占空比的增量值；具体为：
根据第k次采样的动作速度反馈信号S(k)，第k-1次采样的动作速度反馈信号S(k-1)，第k-2次采样的动作速度反馈信号S(k-2)，以及预设的目标动作速度值Sp，分别计算第k次采样的偏差E(k)为：
E(k)＝Sp-S(k)；
第k-1次采样的偏差E(k-1)为：
E(k-1)＝Sp-S(k-1)；
第k-2次采样的偏差E(k-2)为：
E(k-2)＝Sp-S(k-2)；
由下式得到第k次PWM占空比的增量值U(k)为：
U(k)＝Kp*[E(k)-E(k-1)]+Ki*E(k)+Kd*[E(k)–2*E(k-1)+E(k-2)]
其中，Kp是比例调节系数，Ki是积分调节系数，Kd是微分调节系数。
作为上述装置的一种改进，所述油泵驱动电路包括场效应管驱动电路、场效应管和电机；其中，所述场效应管驱动电路由光耦、三极管和电阻串并联组成。
作为上述装置的一种改进，所述油泵驱动电路的具体实现过程为：所述场效应管驱动电路的光耦对收到的PWM控制信号进行隔离，通过控制三极管的通断，快速切换场效应管的栅极电压，使场效应管开关状态占空比与PWM控制信号占空比一致，从而控制液压系统的油泵转速。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
1、本发明的装置不需要手动调节节流阀，更为精准；
2、本发明的装置操作简单，调速由电气系统自动完成，无需人工干预；
3、本发明的装置省去每组动作所需的节流阀，节省成本；
4、本发明的装置避免了因负载不同而导致的速度不一致。
附图说明
图1是现有技术的节流阀调速液压系统示意图；
图2是本发明的用于电动手术台液压系统的智能调速控制装置组成示意图；
图3是本发明的油泵驱动电路示意图。
具体实施方式
本发明采取油泵调速+动作速度反馈的方案，有效解决了上述方案的三个问题，并在我公司产品上得到了有效应用。
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细的说明。
如图2所示，本发明提供了一种用于电动手术台液压系统的智能调速控制装置。
方案取消了现有技术每个动作液压缸回路上的节流阀，通过微控制单元MCU输出脉冲宽度调制信号PWM控制信号，经由油泵驱动电路，调节油泵转速，从而调节液压油流速，同时MCU通过采集手术台动作速度传感器反馈信号，调整MCU输出PWM控制信号的占空比，从而实现调节动作速度。
通过PWM调节油泵的转速，以及通过动作速度传感器获得的动作速度反馈，动态调节运动速度，替代机械节流阀。
动作速度传感器安装于手术台运动部件上，动作传感器将动作速度信号转换电信号即反馈信号传送到MCU；MCU内部可设置目标动作速度值，MCU接收到动作速度反馈信号后，经过PID运算，输出占空比变化的PWM控制信号至油泵驱动电路，驱动电路通过控制MOSFET的开关占空比，控制油泵转速，进而实现对手术台动作速度的调节。
MCU中PID运算方法如下
U(k)＝Kp*[E(k)-E(k-1)]+Ki*E(k)+Kd*[E(k)–2*E(k-1)+E(k-2)]
其中，E(k)＝Sp-S(k)，E(k-1)＝Sp-S(k-1)，E(k-2)＝Sp-S(k-2)，Sp是目标动作速度为设定值，S(k)是动作速度第k次采样值，S(k-1)是动作速度第k-1次采样值，S(k-2)是动作速度第k-2次采样值，E(k)是动作速度第k次采样值与目标值的偏差，E(k-1)是动作速度第(k-1)次采样值与目标值的偏差，E(k-2)是动作速度第(k-2)次采样值与目标值的偏差，Kp是比例调节系数，Ki是积分调节系数，Kd是微分调节系数，U(k)是第k次调节信号增量值。
具体步骤：
1)MCU收到动作控制指令；
2)MCU采集动作速度传感器发过来的运动速度反馈信号；
3)速度反馈信号结合MCU内部设定的目标动作速度值，经由PID运算，得到PWM占空比的增量值U(k)；
4)输出新的PWM控制信号Uout＝U(k)+U(k-1)+U(k-2)+…+U(0)，作用于MOSFET，控制油泵速度，从而控制动作速度；
5)返回步骤2)循环执行。
驱动电路如图3所示，MCU发出的PWM控制信号，经由光耦U1进行隔离，通过控制三极管Q1、Q2的通断，快速切换MOSFET(场效应管)Q3的栅极电压，使Q3开关状态占空比与MCU的PWM控制信号占空比一致。当Q3处于导通状态时，通过电机M1的电流由V_Motor流向GND，当Q3处于关断状态时，电机M1的惯性电流由二极管D2续流。Q3开关状态占空比越高，油泵转速越快。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (5)
1.一种用于电动手术台液压系统的智能调速控制装置，其特征在于，所述装置包括动作速度传感器、油泵驱动电路和微控制单元；其中，
所述动作速度传感器，用于采集电动手术台的动作速度反馈信号并发送至微控制单元；
所述油泵驱动电路包括场效应管驱动电路、场效应管和电机；其中，所述场效应管驱动电路由光耦、三极管和电阻串并联组成；所述油泵驱动电路，用于根据微控制单元发出的PWM控制信号，控制场效应管的开关占空比，从而控制液压系统的油泵转速；
所述微控制单元，用于根据接收的动作速度反馈信号，与目标动作速度进行对比，通过PID运算，输出占空比变化的PWM控制信号至油泵驱动电路，进而动态调节电动手术台的运动速度。
2.根据权利要求1所述的用于电动手术台液压系统的智能调速控制装置，其特征在于，所述动作速度传感器安装在电动手术台的运动部件上。
3.根据权利要求1所述的用于电动手术台液压系统的智能调速控制装置，其特征在于，所述微控制单元的具体处理过程包括：
接收动作速度反馈信号；
由动作速度反馈信号结合预设的目标动作速度值，经由PID运算，得到PWM占空比的增量值；
根据PWM占空比的增量值，输出新的PWM控制信号至油泵驱动电路，进而动态调节电动手术台的运动速度。
4.根据权利要求3所述的用于电动手术台液压系统的智能调速控制装置，其特征在于，所述由动作速度反馈信号结合预设的目标动作速度值，经由PID运算，得到PWM占空比的增量值；具体为：
根据第k次采样的动作速度反馈信号S(k)，第k-1次采样的动作速度反馈信号S(k-1)，第k-2次采样的动作速度反馈信号S(k-2)，以及预设的目标动作速度值Sp，分别计算第k次采样的偏差E(k)为：
E(k)＝Sp-S(k)；
第k-1次采样的偏差E(k-1)为：
E(k-1)＝Sp-S(k-1)；
第k-2次采样的偏差E(k-2)为：
E(k-2)＝Sp-S(k-2)；
由下式得到第k次PWM占空比的增量值U(k)为：
U(k)＝Kp*[E(k)-E(k-1)]+Ki*E(k)+Kd*[E(k)–2*E(k-1)+E(k-2)]
其中，Kp是比例调节系数，Ki是积分调节系数，Kd是微分调节系数。
5.根据权利要求4所述的用于电动手术台液压系统的智能调速控制装置，其特征在于，所述油泵驱动电路的具体实现过程为：所述场效应管驱动电路的光耦对收到的PWM控制信号进行隔离，通过控制三极管的通断，快速切换场效应管的栅极电压，使场效应管开关状态占空比与PWM控制信号占空比一致，从而控制液压系统的油泵转速。
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