CN220896547U - 一种带过载保护的旋切针驱动手柄控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种带过载保护的旋切针驱动手柄控制系统，包括MCU控制单元，所述MCU控制单元连接有三组独立的电机控制模块，每个所述电机控制模块均包含有PWM调制器、电机功率驱动芯片、驱动电机、反馈编码器、电流反馈检测电路，所述MCU控制单元的接线端连接有PWM调制器，所述PWM调制器的接线端连接有电机功率驱动芯片，所述电机功率驱动芯片的接线端连接有驱动电机，所述驱动电机的接线端分别连接有与MCU控制单元电连接的反馈编码器和电流反馈检测电路，本带过载保护的旋切针驱动手柄控制系统能够及时分辨电机电流是否异常，防止电机过载和失控。

Description

一种带过载保护的旋切针驱动手柄控制系统

技术领域

本实用新型涉及医疗器械技术领域，具体为一种带过载保护的旋切针驱动手柄控制系统。

背景技术

在乳房活检与旋切系统使用过程中，对驱动手柄中电机恒速控制和驱动保护是一个非常关键的技术，它不仅是保护电机设备本身不会受到损伤，更关键是对患者端的一种主动保护措施。一旦控制电机出现了过载和失控，旋切针将在人体内处于失控的工作状态，失控后的电机带动旋切针进行高速旋转动作，将会带来两种后果：1，由于旋切针内管处于高速旋转，随着旋转时间延长，将会造成刀头部分发热严重，严重时会造成人体组织的灼伤；2.由于旋切针内管旋转失控，造成了旋切针产生撞击效应，同样会对人体组织产生不可预测的负面影响。同时在旋切运行时，随着旋切针负载的变化（旋切过程遇到不同硬度的人体组织时），要求电机输出维持一个恒定的切割速度和切割力矩，来保证最终的切割效果。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是克服现有的缺陷，提供一种带过载保护的旋切针驱动手柄控制系统，能够及时分辨电机电流是否异常，防止电机过载和失控，可以有效解决背景技术中的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种带过载保护的旋切针驱动手柄控制系统，包括MCU控制单元，所述MCU控制单元连接有三组独立的电机控制模块，每个所述电机控制模块均包含有PWM调制器、电机功率驱动芯片、驱动电机、反馈编码器、电流反馈检测电路；

所述MCU控制单元的接线端连接有PWM调制器，所述PWM调制器的接线端连接有电机功率驱动芯片，所述电机功率驱动芯片的接线端连接有驱动电机，所述驱动电机的接线端分别连接有与MCU控制单元电连接的反馈编码器和电流反馈检测电路。

作为本实用新型的一种优选技术方案，三组所述电机控制模块分别为进刀电机控制模块、旋切电机控制模块和定位电机控制模块。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述进刀电机控制模块中的驱动电机为进刀驱动电机，所述旋切电机控制模块中的驱动电机为旋切电机，所述定位电机控制模块中的驱动电机为定位电机。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述电流反馈检测电路包括并联在所述MCU控制单元和驱动电机之间的四路运算放大器和电阻。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述电机控制模块中的驱动电机均为带有编码器的直流电机。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本带过载保护的旋切针驱动手柄控制系统在电机过流检测中采用了4段电流识别的检测方法，同时在识别过程中加入电机编码器进行位置识别，能够及时分辨出电机过流时是正常的大负载造成，还是出现故障造成的电机过载，进而能够及时分辨电机电流是否异常，防止电机过载和失控。

附图说明

图1为本实用新型驱动手柄电机控制示意框图。

图2为本实用新型驱动手柄电机闭环控制示意图。

图3为带PID调节电机闭环控制器模型图。

图4为带比例调节电机速度跟随仿真图。

图5为比例+积分+微分调节电机速度跟随仿真图。

实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1-2，本实用新型提供一种技术方案：一种带过载保护的旋切针驱动手柄控制系统，包括MCU控制单元，所述MCU控制单元连接有三组独立的电机控制模块，每个所述电机控制模块均包含有PWM调制器、电机功率驱动芯片、驱动电机、反馈编码器、电流反馈检测电路；

所述MCU控制单元的接线端连接有PWM调制器，所述PWM调制器的接线端连接有电机功率驱动芯片，所述电机功率驱动芯片的接线端连接有驱动电机，所述驱动电机的接线端分别连接有与MCU控制单元电连接的反馈编码器和电流反馈检测电路。

三组所述电机控制模块分别为进刀电机控制模块、旋切电机控制模块和定位电机控制模块。

所述进刀电机控制模块中的驱动电机为进刀驱动电机，所述旋切电机控制模块中的驱动电机为旋切电机，所述定位电机控制模块中的驱动电机为定位电机。

所述电流反馈检测电路包括并联在所述MCU控制单元和驱动电机之间的四路运算放大器和电阻。

所述电机控制模块中的驱动电机均为带有编码器的直流电机，编码器是在电机运转时，一组转盘通过光电传感器或磁编码传感器，将电机的角位移和角速度信号转换为连续输出的电脉冲信号，通过对脉冲信号的检测可以计算出电机速度和当前的运行位置。旋转编码器是用来测量转速的装置。它分为单路输出和双路输出两种。技术参数主要有每转脉冲数和供电电压等。单路输出是指旋转编码器的输出是一组脉冲，而双路输出的旋转编码器输出两组相位差 90 度的脉冲，通过这两组脉冲不仅可以测量转速，还可以判断旋转的方向。

参阅图1，本带过载保护的旋切针驱动手柄控制系统由3组独立的电机驱动模块所组成，每个模块均包含PWM调制器、电机功率驱动芯片、反馈编码器、电流反馈检测电路组成完整的闭环系统，可以实现旋切针进刀电机驱动，旋切针旋切电机驱动，旋切针定位旋转电机驱动。

参阅图2，本带过载保护的旋切针驱动手柄控制系统的闭环控制原理：1、选用一款带编码器的直流电机（可通过编码器进行位置和速度检测）；2、选用一款带驱动电流检测的电机功率驱动模块；3、根据旋切采样的要求设定电机的旋切速度；4、在旋切针采样的过程中，由于被采样的人体组织具有不同的强度和硬度，手柄电机在驱动过程中将随着负载的变化需要不断的根据负载变化自动适应，根据编码器反馈的速度和位置信号，通过MCU计算和调节电机控制PWM输出信号，维持切割速度不变，同时在电机出现过载时（电流传感器出现过载）能够及时反馈并报警提示。

本带过载保护的旋切针驱动手柄控制系统中电机运行控制流程：

在电机启动前，将编码器中断计数器清零，再启动电机。电机转动后，编码器信号输入MUC的编译器中断，在中断代码中，编码器中断计数器增加，当编码器中断计数值达到设计行程的80%时，开始降低PWM以达到减速的目的；同时，在这个中断中也会检测反馈电流，当电流反馈超过设定值时，停机报错；当编码器中断计数值达到行程设置值，正常停机。

本带过载保护的旋切针驱动手柄控制系统中电机稳速控制方案：

满足负载变化时电机转速不变的要求，我们采用了带控制算法的闭环系统。在这个闭环系统中，可以采用PID闭环调节控制器（比例-积分-微分控制），它能够根据当前的系统状态调整控制输入以实现期望的系统输出如图3。

在此方案中，电机的转速是系统输出，我们需要通过调整PWM的占空比（控制输入）来调节电机的转速。我们选用的直流电机电气时间常数很小，较高的开关频率有助于降低损耗，一般将PWM的输出频率设定>20KHz 比较合理，在本方案中，我们将PWM输出频率设定为32 KHz，通过测试在该频率下电机运行稳定并无噪音影响。

主机控制系统采用一块MCU/STM32来产生电机控制所需要的PWM波形，在实际设计中选用一个15V直流电机作为控制对象：

参考电机型号：CN_1224_SR_FMM

使用Ziegler-Nichols规则来设定PID控制器的参数。先给定一组参考的PID系数进行模拟测试：

1）Kp * e(t): Kp误差比例调节

2） Ki 误差积分调节

3）Kd * de(t)/dt Kd误差微分调节

4）u(t) 控制器在时间t时的输出

5）e(t) 是当前时刻的偏差（设定值与实际值之间的差异）

6）e(t) = r(t) - y(t) 是误差信号，其中r(t)是设定的速度值，y(t)是当前的速度值。

这个控制器会根据当前的转速和期望的转速来计算误差，然后根据误差及其积分和微分来调整PWM的占空比，以实现对电机转速的精确控制。

根据CN_1224_SR_FMM电机选型所得的参数（参考电机选型手册）

Ke=0.1 L=0.022 R=18.2 φ=0.1 Ki=0.12 J=0.18 B=0.005 TL=0.5

Te=4.7 mNm

将电机速度稳定控制在1600rpm (104.7rad/s) ±100rpm对应电机的扭矩：

电机电流：I=Te/Kt/φ=0.047/0.9529/0.1=0.493A

电机电压：U=I*R+Ke*φ*w=0.493*18.2+0.1*0.1*104.7=10.01V

比例系数Kp=U/e=10.01/100=0.1001

用 Kp=0.1001, Ki=0, Kd=0 仿真结果如下，稳态偏差100rpm 左右。电机速度在上升过程中出现了严重超调的现象；如图4所示。

新设定：KP=0.05 Ki=0.06 Kd=0.001 系统响应如下：

如图5所示，通过反复调整PID系数可以将电机目标速度稳定在1600rpm ±50rpm,电机启动到达稳态的响应时间可控制在0.5S以内，无论从速度稳定性还是响应时间完全可以满足手柄电机驱动的要求。

手柄电机过载保护功能的实现：

电机功率驱动芯片采用了一片带电流反馈检测的专用电机驱动芯片DRV8874，该芯片具有电机正转，反转和快速刹车控制功能，通过修改PWM控制波形的占空比来对电机运行速度进行调整，占空比越大，速度越快，占空比越低，电机运行速度越慢。同时电机驱动电流会在采样电阻R65（1.6K）上得到一组与电机线圈驱动电流成正比的电压信号，通道2显示电机端PWM控制波形，通道1显示电阻R65（1.6K）上的电压采样波形。

由于电机负载上的控制波形流过采样电阻的电流为脉冲化的尖峰波形不方便对信号进行采样计算，我们将电流采样输出信号增加了一组滤波放大器对采样信号进行调理，经过采样滤波处理后变成了一组平稳的电压波形，再将电压采集信号引入MCU的AD-1进行模数转换处理。

驱动电流反馈分析：电机驱动芯片DRV8874的IPROPI 引脚会输出与流经H桥中的低侧功率 MOSFET 的电流成正比并经过AIPROPI调节的模拟电流。

此电流由驱动芯片内部电流镜像架构测得。将IPROPI引脚连接到外部电阻器RIPROPI，从而利用 IPROPI 模拟电流输出在 IPROPI 引脚上产生一个比例电压VIPROPI。这样即可使用标准模数转换器 (ADC) 将负载电流作为RIPROPI电阻器两端的压降进行测量。根据应用中的预期负载电流调节RIPROPI电阻器的大小，以利用控制器 ADC 的整个量程。同时可通过设置电流斩波阈值 (ITRIP) 最大的关断电流。可从硬件层面实现对电机的过载检测和保护功能。当电机驱动电流> ITRIP 时，芯片内部将自动关闭驱动输出。

ITRIP (A) x AIPROPI (μA/A) = VVREF (V) / RIPROPI (Ω) 一般取AIPROPI =1000μA/A

如果选取电机最大过载电流门坎为3A

选取 VVREF (V) =3.0V, 电流采样电阻为1K时。

最大关断电流：ITRIP (A) = VVREF (V) / RIPROPI (Ω) / AIPROPI (μA/A)=3A

电机驱动保护与以下因素有关：电机正常工作时驱动电流处于一个比较稳定的状态，电流输出相对比较稳定。 正常切割时遇到了较大阻力时，由于转速下降，系统将逐步加大驱动电流以保证电机速度维持不变。当驱动电流达到设定上限值仍无法满足电机驱动速度时（通过电机自带编码器进行速度反馈计算），说明电机已经处于过载的状态，需要进行故障报警并停止电机运行。

判断电机是否处于过载可以通过2种方法进行交叉判断。

通过测量电机驱动电流是否超过设定门坎，来判断电机是否过载运行。

通过检测内刀管在单位时间内的移动位置（通过编码器计数来计算出当前运行位置），来判断电机是否过载运行。

电流检测：将电流过载识别分成4个阶段进行判断。

1、准备区间：旋切针10-内刀管在11-外刀管内，位于5-原点限位的位置启动轴向前行，处于空载运行状态，这个阶段电流输出比较平稳，电压幅度为0.2V左右， 2-采样区间：旋切针10-内刀管运行到取样槽位置进入2-采样区间，这时样本组织，已经被负压抽吸进入到取样刀槽内，10-内刀管在前行和切割过程中会遇到一定的阻力，电流输出幅度增加，电压采集可达到0.4V。3-过流区间：在10-内刀管从5-原点限位至6-顶点限位过程中，如果遇到较强的阻力，这个时间段的电流幅度会随着驱动阻力的加强而逐步增加，电压采集幅度可达到0.7V。在这个区间电机的驱动电流已经达到了给定过流门坎，在这个区间虽然遇到了较大的驱动阻力，但内刀管仍能正常进刀前行，允许在大负载下继续工作。4-过载区间：当电机驱动内管前行过程中如果遇到了强大的阻力，已经阻碍了电机的前行时，电流驱动将会快速拔高，随着驱动电流急速增加，这时采集的电压幅度可达到1V左右，说明此时电机驱动已经严重过载，一旦电压采集达到过载门坎，无论电机是否还能运转，都需要尽快停止电机驱动并给出故障报警信息。

2、根据旋切针管的运行位置进行判断，将电机自带的编码器信号作为一个精确的位置判断， 当给出电机动作控制信号后，可计算出刀头前行和后退的具体行程， 在旋切针前行和后退的过程中，如果未达顶点和原点位置，出现电流采样急剧增大，说明采样过程遇到了较大阻力，通过加大PWM电流调节后，如果检测到刀头仍无法移动（在给定时间内检测编码器的移动个数）说明刀管出现机械故障，需要停止驱动，终止电机工作。电机正常前行过程中，电流采集波形处于一个较平稳的状态，当遇到较强的阻力时，电流输出会产生一个快速上升的波形，在检测到电流快速上升时，如果电机前进速度能够维持不变，系统认为是遇到了正常的切割阻力 ，主机在PID调节控制下，通过提高PWM占空比继续加大电机驱动电流。当电流加大到驱动电流过载门坎，电机仍无法驱动继续前行（通过计算编码器的位置反馈），说明旋切针遇到了超出电机驱动能力的机械故障。电机过载判断说明：通过对电机驱动电流进行实时检测，同时结合编码器对旋切针的运行位置进行判断，可以将正常的旋切阻力和过载时的产生的故障阻力进行有效区分，这样可以保证电机既可以在最大负载下正常工作，当负载超过最大设定值（通过电流检测），和超出给定时间范围（在给定时间内旋切针所移动的距离不达标），系统将自动停机并给出报警提示，这样可有效保护电机和避免旋切针操作失控。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种带过载保护的旋切针驱动手柄控制系统，包括MCU控制单元，其特征在于：所述MCU控制单元连接有三组独立的电机控制模块，每个所述电机控制模块均包含有PWM调制器、电机功率驱动芯片、驱动电机、反馈编码器、电流反馈检测电路；

所述MCU控制单元的接线端连接有PWM调制器，所述PWM调制器的接线端连接有电机功率驱动芯片，所述电机功率驱动芯片的接线端连接有驱动电机，所述驱动电机的接线端分别连接有与MCU控制单元电连接的反馈编码器和电流反馈检测电路。

2.根据权利要求1所述的带过载保护的旋切针驱动手柄控制系统，其特征在于：三组所述电机控制模块分别为进刀电机控制模块、旋切电机控制模块和定位电机控制模块。

3.根据权利要求2所述的带过载保护的旋切针驱动手柄控制系统，其特征在于：所述进刀电机控制模块中的驱动电机为进刀驱动电机，所述旋切电机控制模块中的驱动电机为旋切电机，所述定位电机控制模块中的驱动电机为定位电机。

4.根据权利要求1所述的带过载保护的旋切针驱动手柄控制系统，其特征在于：所述电流反馈检测电路包括并联在所述MCU控制单元和驱动电机之间的四路运算放大器和电阻。

5.根据权利要求1所述的带过载保护的旋切针驱动手柄控制系统，其特征在于：所述电机控制模块中的驱动电机均为带有编码器的直流电机。