CN214318120U - 一种上钉刀具驱动系统和上钉刀具动力装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种上钉刀具驱动系统和上钉刀具动力装置。一种上钉刀具驱动系统，包括控制器、PWM驱动器、场效开关、接近传感器、无刷电机、放大器、转速传感器和电源；所述无刷电机用于驱动上钉刀具转动；所述电源通过所述场效开关向所述无刷电机供电，还用于对所述控制器供电；所述场效开关分别与所述PWM驱动器、所述放大器连接；所述接近传感器、所述PWM驱动器、所述放大器分别与所述控制器连接；所述控制器通过所述接近传感器识别所述上钉刀具的刀具类型。通过接近传感器检测上钉刀具的刀具类型，控制器根据不同的刀具类型，控制PWM驱动器控制无刷电机输出对应的转速和扭力，实现一个装置匹配多种刀具，可以适用不同的螺钉。

Description

一种上钉刀具驱动系统和上钉刀具动力装置

技术领域

本实用新型涉及上钉刀具动力领域，尤其涉及一种上钉刀具驱动系统和上钉刀具动力装置。

背景技术

在外科手术中，有时需要对骨骼上钉。由于螺钉类型不一样，所以有多种刀具匹配螺钉。不同大小的螺钉在攻入骨骼的过程中所受阻力差异很大。针对不同的螺钉，如果扭力过小，螺钉松动不能达到紧固目的；如果扭力过大，容易造成滑丝，导致螺钉或上钉位置的骨骼损坏，延误手术。上钉时电机的转速应可控，提高上钉速度，同时避免过快导致的上钉效果不理想。螺钉紧固到位后，应有扭力过载保护，防止转动过度导致骨骼和螺钉损坏，不同类型螺钉的过载力大小不相同。现有的技术中，通过开关直接控制电机电源的接通。开关闭合时，电机转动。当电池电量最高时，输出电流最大，扭力最高；电池电量降低后，输出电流变小，扭力降低。

目前的上钉动力装置由电池供电，只匹配一种刀具，适用一种螺钉，当需要用其它规格螺钉时，需要手动上钉。而且当电池电量减少时，扭力减小，造成螺钉不紧固。

现有技术不能根据不同的螺钉提供不同的扭力，不能控制扭力输出。由于没有对电机的电流进行控制，所以不能调节电机的扭力，也没有可调的过载保护。当电池充满电时，电机在额定电压工作，扭力基本恒定，适应需要对应扭力的螺钉上钉，但电量降低时扭力逐渐变小，不能克服骨骼的阻力，导致螺钉不能紧固。速度不可调节，不能根据上钉过程的阻力情况调节转速。

申请号为CN201610119585.8的专利文献公开了一种电钻，其包括电钻本体以及设置于电钻本体的电动机、与电动机连接的电流传感器、与电流传感器连接的微控制器以及与微控制器连接的数据传输装置。电流传感器用于检测电动机的驱动电路的实时电流值，微控制器用于从电流传感器采集实时电流值，并将实时电流值与电动机的驱动电路的预设的最少工作电流值以及过载保护电流值分别进行比较，以得到电钻的工作状态参数，并对工作状态参数进行存储，数据传输装置用于从微控制器读取工作状态参数并输出。但是依然没有解决上述问题。

因而现有的骨骼上钉领域存在不足，还有待改进和提高。

实用新型内容

鉴于上述现有技术的不足之处，本实用新型的目的在于提供一种上钉刀具驱动系统和上钉刀具动力装置，用以解决背景技术中提到的技术问题。

为了达到上述目的，本实用新型采取了以下技术方案：

一种上钉刀具驱动系统，包括控制器、PWM驱动器、场效开关、接近传感器、无刷电机、放大器、转速传感器和电源；所述无刷电机用于驱动上钉刀具转动；

所述电源通过所述场效开关向所述无刷电机供电，还用于对所述控制器供电；所述场效开关分别与所述PWM驱动器、所述放大器连接；所述接近传感器、所述PWM驱动器、所述放大器分别与所述控制器连接；所述控制器通过所述接近传感器识别所述上钉刀具的刀具类型。

优选的所述的上钉刀具驱动系统，所述场效开关包括多个场效应管和多个电流检测电阻，按照三相供电电路布设；每个所述场效应管的栅极均与所述PWM驱动器连接；所述放大器与每相供电电路连接。

优选的所述的上钉刀具驱动系统，所述控制器为单片机。

优选的所述的上钉刀具驱动系统，所述放大器与单片机的ADC通道连接。

优选的所述的上钉刀具驱动系统，还包括转速传感器，与所述控制器连接，用于检测所述无刷电机的转速。

优选的所述的上钉刀具驱动系统，还包括电量指示器，与控制器连接，所述控制器通过所述电量指示器显示电源电量。

一种上钉刀具动力装置，使用所述的上钉刀具驱动系统驱动上钉刀具。

相较于现有技术，本实用新型提供的一种上钉刀具驱动系统和上钉刀具动力装置，具有以下有益效果：

本实用新型提供的上钉刀具驱动系统通过接近传感器检测上钉刀具的刀具类型，控制器根据不同的刀具类型，控制PWM驱动器控制无刷电机输出对应的转速和扭力，实现一个装置匹配多种刀具，可以适用不同的螺钉；能够识别多种刀具，适应不同刀具的扭力、转速和保护控制，使电机运行不受电池电量影响。

附图说明

图1是本实用新型提供的驱动系统结构框图；

图2是本实用新型提供的控制器、PWM驱动器、放大器、接近传感器的电路图；

图3是本实用新型提供的场效开关、无刷电机、转速传感器的电路图；

图4是本实用新型提供的电量指示器电路图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本实用新型进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本领域技术人员应当理解，前面的一般描述和下面的详细描述是本实用新型的示例性和说明性的具体实施例，不意图限制本实用新型。

本文中术语“包括”，“包含”或其任何其他变体旨在覆盖非排他性包括，使得包括步骤列表的过程或方法不仅包括那些步骤，而且可以包括未明确列出或此类过程或方法固有的其他步骤。同样，在没有更多限制的情况下，以“包含...一个”开头的一个或多个设备或子系统，元素或结构或组件也不会没有更多限制，排除存在其他设备或其他子系统或其他元素或其他结构或其他组件或其他设备或其他子系统或其他元素或其他结构或其他组件。在整个说明书中，短语“在一个实施例中”，“在另一个实施例中”的出现和类似的语言可以但不一定都指相同的实施例。

除非另有定义，否则本文中使用的所有技术和科学术语具有与本实用新型所属领域的普通技术人员通常所理解的相同含义。

本实用新型提供一种上钉刀具驱动系统，包括控制器1、PWM(Pulse widthmodulation，脉冲宽度调制)驱动器2、场效开关3、接近传感器5、无刷电机4、放大器6、转速传感器7和电源8；所述无刷电机4用于驱动上钉刀具转动；

所述电源8通过所述场效开关3向所述无刷电机4供电，还用于对所述控制器1供电；所述场效开关3分别与所述PWM驱动器2、所述放大器6连接；所述接近传感器5、所述PWM驱动器2、所述放大器6分别与所述控制器1连接；所述控制器1通过所述接近传感器5识别所述上钉刀具的刀具类型。

具体的，所述上钉刀具驱动系统中，所述接近传感器5用于检测上钉刀具的类型，本领域中共用的小型接近传感器5均能实现上述功能，在本实用新型中，为了适应上钉刀具的大小，使用的是感应距离1-3mm的微型光电式传感器，当然也可以是其他种类的传感器，本实用新型不做限定，优选的感应距离为1-5mm，进一步优选为1-3mm，所述接近传感器5在不同刀具靠近过程中由于刀具的不同大小尺寸，导致接近传感器5的输出信号不一样，当控制器1接收到不同的感应信号后，即可根据存在控制器1中的不同的信号特征，识别得到具体的上钉刀具的刀具类型，根据不同的刀具类型，控制PWM驱动器2驱动无刷电机4启动；进一步的，控制器1可以直接根据所述接近传感器5输出的不同的输出信号，直接控制PWM驱动器2执行不同的驱动动作。所述PWM驱动器2用于根据控制器1的指令，驱动场效开关3对无刷电机4的输出电流；无刷电机4接收不同的电流即可实现输出不同的转速和扭力。所述放大器6用于将场效开关3的输出电流输送到所述控制器1中，所述控制器1还能够根据场效开关3输出的电流进行动态控制，具体的动态控制是控制器1通过PWM驱动器2间接控制场效开关3，实现输出电流的控制；具体是通过场效开关3通过不同的占空比实现不同的电流输出，例如驱动方案可以是控制器1通过放大器6检测场效开关3的输出电流，当输出电流符合当前刀具类型的要求时，不做调整，当输出电流大于刀具类型的电流需求时，减小场效开关3的占空比，当输出电流小于刀具类型的电流需求时，增大场效开关3的占空比。优选的，所述场效开关3为场效应管。所述转速传感器7用于检测所述无刷电机4的相应的，本实用新型还提供一种适用所述的上钉刀具驱动系统的驱动方法，包括步骤：控制器1通过接近传感器5识别上钉刀具的刀具类型，驱动PWM驱动器2控制无刷电机4输出与所述刀具类型适配的转速。具体的控制过程如上述，此处不做赘述。

作为优选方案，本实施例中，所述场效开关3包括多个场效应管U1-U6和多个电流检测电阻，按照三相供电电路布设，优选的布设结构如图3所示，所述场效应管U1-U6的数量优选为6个，所述电流检测电阻的优选数量为3个，每两个所述场效应管串接(一个场效应管的漏极与另一个场效应管的源极连接)形成一相供电电路，再串接一个所述电流检测电阻；每个所述场效应管的栅极均与所述PWM驱动器2连接；优选的，所述PWM驱动器2在驱动所述场效开关3时，应当保证每一相供电电路的输出电流相同，即每相供电电路中的场效应管的占空比是相同的，当然，也可以根据实际情况动态调整，具体的调整方案可以预先设定到所述控制器1中，也可以按照转速、扭力的需求大小进行动态设定，本实用新型不做限定。所述放大器6与每相供电电路连接。所述控制器1为单片机。所述放大器6与单片机U7的ADC(analog to digital converter，模拟数字转换器)通道连接。

在本实施例中，还包括转速传感器7，与所述控制器1连接，用于检测所述无刷电机4的转速。此处所述无刷电机4的转速的控制是通过控制场效开关3的输出电压控制。具体的，所述驱动方法还包括：控制器1通过转速传感器7检测无刷电机4的转速，驱动PWM驱动器2控制无刷电机4的转速。

在本实施例中，还包括电量指示器(未标示)，与控制器1连接，所述控制器1通过所述电量指示器显示电源8电量。当然，所述驱动系统还需要具有电源8的电量检测模块(未标示)，此为本领域常用的构建即可，本实用新型使用的电量检测模块为电源检测元件，即使用两个串联的检测电阻实现。相应的，所述驱动方法还包括：控制器1检测电源8的剩余电量，并通过电量指示器显示电源8的剩余电量；当剩余电量低于预定电量时，控制所述电量指示器发出更换电源8或给电源8充电的信息。

如图2-4所示，为本实用新型一种实施例的电路图，该电路图包含：单片机U7(为图1中的控制器1)，PWM驱动器U8(为图1中PWM驱动器2)，场效应管U1-U6、电源检测元件R4、R5，电流检测元件R1、R2、R3(为场效开关中的电流检测电阻)，放大器U9(为图1中的放大器6)，转速传感器Q2(为图1中的转速传感器7)，接近传感器Q1(为图1中的接近传感器5)，启动按钮S1，电量指示D1—D3、R6—R8(合成所述电量指示器)。电机M1为无刷电机，上钉刀具J1为需要电路识别的刀具。

单片机U7是电路的信号处理和控制中心，自带有AD转换接口，实现智能控制的基础。可以将电机电流CU1—CU3、电源电压和接近传感器Q1的模拟信号转换为数字信号，再进行数字化处理。具有数字输入和输出端口，检测转速PB0和启动开关PB1的数字信号，输出6路PWM数字信号PWM01—PWM06控制电机的扭力和转速，输出数字口PB1—PB3控制电量指示。

PWM驱动U8接受单片机U7的PWM输出信号，增强输出能力，驱动场效应管U1—U6的打开和关闭。

场效应管U1—U6共6个元件，元件之间不同的开关顺序可以控制无刷电机的运转方向，实现正转和反转，还可以使电机快速停止，准确控制转动量。不同的PWM占空比控制场效应管的开与关的时间，使流过电机的电流随PWM信号改变，实现扭力和转速的控制。

电源检测元件R4、R5对电源电压进行分压，使产生适合单片机U7的AD5转换口输入的值。单片机U7可以实时检测电源电压，根据电压高低对控制参数预处理，使电机的运转更接近控制目的，电压过低时停止电机运行。

电流检测元件R1、R2、R3在电路中为采样电阻，采样电机的电流，采样的电流信号需要放大器U9进行信号放大，再由输入到单片机U7的AD转换接口AD1—AD3。单片机根据电机电流大小调整PWM输出，进行扭力控制。

放大器U9对电流信号进行放大，使信号适合单片机U7处理。

转速传感器Q2感应电机的旋转速度，输出脉冲信号到单片机U7的PB0。单片机U7根据当前转速调整PWM输出对转速进行控制。

接近传感器Q1感应刀具J1，将信号输出到单片机U7的AD转换接口AD4，单片机U7识别出刀具的类型，根据不同类型启用不同的控制。

启动按钮S1连接在单片机U7的PB1输入口，按钮按下后可以启动电机运行。

电量指示D1—D3、R6—R8，D1—D3为发光二极管，由单片机U7的数字输出口PB2—PB4控制。三颗灯亮表示电量充足，两颗灯亮提醒使用者更换电池，一颗灯亮时电量太低，不能运行。

电机M1为三相无刷直流电机，由场效应管U1—U6控制内部绕组通过的电流和绕组两端的电压，电机转动可以对转速传感器Q2感应出信号。

刀具J1根据匹配的螺钉不同或作用不同而有多种类型，各种类型长度不一样。不同型号刀具J1和接近传感器Q1有不同的距离，所以接近传感器Q1感应并输出不同的电压。

相应的，本实用新型还提供一种上钉刀具动力装置，使用所述的上钉刀具驱动系统驱动上钉刀具。可以识别多种刀具，适应不同刀具的扭力、转速和保护控制，电机运行不受电池电量影响。当电池电量充足时，保证针对不同的上钉刀具的刀具类型输出稳定的扭力(即无刷电机电流恒定，得到的扭力相同)，不会受到电池电量的影响。当然，在电池电量低于预定值的情况下，则不能正常工作，提示更换电池。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本实用新型所附的权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种上钉刀具驱动系统，其特征在于，包括控制器、PWM驱动器、场效开关、接近传感器、无刷电机、放大器、转速传感器和电源；所述无刷电机用于驱动上钉刀具转动；

所述电源通过所述场效开关向所述无刷电机供电，还用于对所述控制器供电；所述场效开关分别与所述PWM驱动器、所述放大器连接；所述接近传感器、所述PWM驱动器、所述放大器分别与所述控制器连接；所述控制器通过所述接近传感器识别所述上钉刀具的刀具类型。

2.根据权利要求1所述的上钉刀具驱动系统，其特征在于，所述场效开关包括多个场效应管和多个电流检测电阻，按照三相供电电路布设；每个所述场效应管的栅极均与所述PWM驱动器连接；所述放大器与每相供电电路连接。

3.根据权利要求1所述的上钉刀具驱动系统，其特征在于，所述控制器为单片机。

4.根据权利要求3所述的上钉刀具驱动系统，其特征在于，所述放大器与单片机的ADC通道连接。

5.根据权利要求1所述的上钉刀具驱动系统，其特征在于，还包括转速传感器，与所述控制器连接，用于检测所述无刷电机的转速。

6.根据权利要求1所述的上钉刀具驱动系统，其特征在于，还包括电量指示器，与控制器连接，所述控制器通过所述电量指示器显示电源电量。

7.一种上钉刀具动力装置，其特征在于，使用权利要求1-6任一所述的上钉刀具驱动系统驱动上钉刀具。

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