直柄式多功能电动骨锯、钻单片机控制系统

　　0　引言

　　医疗器械中的直柄式多功能电动骨锯、骨钻由控制箱、电动主机及各种机头(如钻机头、往复锯机头、摆锯机头等)组成,用于各种骨科手术中的切割及钻孔。本文介绍控制箱的设计。控制箱主要用于为电动主机提供电源、控制电动主机的正反转及调节转速,其主要技术要求如下:1) 5位LED转速显示确;2)转速调节范围:0~20 000r/min;3)正反转点触式控制。

　　1　控制系统的组成

　　本控制系统(即控制箱)主要包括按键电路[1]、看门狗电路[2,3]、显示电路、正反转控制电路和转速调节电路[4],其组成框图如图1所示:

　　在图1中,按键电路用于实现对控制系统的人工干预,如正反转切换、转速的增减控制。按键电路包括5个键(SET、+、-、ENTER、正/反),采用独立式编码形式,接单片机P1.0~P1.4;看门狗电路采用了Xilinx公司的X25045芯片,它在本系统中完成某些数据(如:转速、正反转状态等)的掉电保护及非正常工作状态下对整个控制器的复位,该芯片通过P3.0、P3.1、P3.3、P3.4引脚与单片机相连;显示电路采用5位动态LED,用于完成主电机的转速显示,数据由P0口输出,P2.0~P2.4实现显示位选择;正反转控制电路及转速调节电路完成对主电机的正反转控制及速度调节。其中正反转由P2.5、P2.6通过中间继电器K1、K2控制,转速由P2.7脚的输出脉冲控制。

　　2　硬件电路及工作原理

　　2.1　正反转控制电路

　　多功能电动骨锯、骨钻的电动主机一般为中速或高速低压直流伺服电动机,其正反转控制电路如图2所示:

　　如图2所示,电动机的正反转由两个中间继电器K1、K2来控制。当K1、K2均不得电,两个触点均在常闭位置,电动机被旁路,不能工作;当K1得电,K2不得电,K1吸合接通常开触点,K2触点常闭,电动机正向得电,正转;当K1不得电,K2得电,K1触点常闭,K2吸合接通常开触点,电动机反向得电,反转。中间继电器K1、K2的工作情况分别由单片机AT89C51的P3.4、P3.5引脚(接三极管基极)经三极管驱动后控制,当P3.4、P3.5中某个引脚输出低电平,三极管截止,对应的继电器线圈不得电;当P3.4、P3.5中某个引脚输出高电平,三极管导通,对应的继电器线圈得电,其常开触点闭合,常闭触点断开。

　　2.2　转速调节电路

　　直流伺服电动机的机械特性公式(n - t曲线):

　　式中:Uc———电枢控制电压;

　　Ke,Kt———电动机结构常数;

　　Ф———每极磁通;

　　R———电枢回路电阻。

　　由公式可看出,改变电枢电压Uc和改变磁通Ф都可以改变电动机的转速,前者称为电枢控制,后者称为磁场控制。由于电枢控制具有响应迅速,机械特性硬,调速特性线性度好的优点,在实际生产中大都采用这种方式。在这里我们也采用电枢控制方式(又称调压调速)。改变电枢电压的方法有多种,如调幅、调频等,在这里我们采用调占空比的方式,其原理和实现电路如图3所示: