醫(yī)療電動床用無刷直流電機控制系統(tǒng).doc

西北工業(yè)大學碩士學位論文醫(yī)療電動床用無刷直流電機控制系統(tǒng)姓名：曹愛萍申請學位級別：碩士專業(yè)：電機與電器指導教師：劉衛(wèi)國20050301西北工業(yè)大學碩學位論文摘要本論文來源于研究所承擔的橫向研究課題。論文以醫(yī)療電動床用無刷直流電動機控制系統(tǒng)為研究對象，實現(xiàn)了單控制器對兩臺電機的控制。技術涉及系統(tǒng)硬件電路的設計和相應控制軟件的編制，以及對無刷直流電動機系統(tǒng)進行模糊控制的仿真。所設計的系統(tǒng)采用公司生產(chǎn)的無刷直流電機專用控制驅(qū)動芯片作為主控芯片，大大簡化了電路結構，降低了系統(tǒng)成本。論文在分析芯片內(nèi)部結構和功能的基礎上，進行硬件系統(tǒng)的總體設計，并分別設計了控制驅(qū)動電路、位置信號檢測電路、速度反饋電路、過流過壓檢測和保護等電路。本系統(tǒng)還采用單片機實現(xiàn)了電動床的一個位置記憶輔助功能。硬件電路設計中，強電弱電之間，信號傳輸之間采取了抗干擾措施，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，確保了系統(tǒng)安全、可靠地工作。在控制系統(tǒng)硬件電路設計的基礎上，論文完成了單片機輔助功能的軟件設計工作，實現(xiàn)了電動床位置記憶功能。所設計的控制器使得電動床具有起停、床體上下升降、四個記憶位置、位置鎖定和復位功能。使用遙控器為人機交互提供了一個界面，本界面設計簡單直觀，用戶操作起來方便快捷。利用中的模糊工具箱（）和，分別闡述了控制規(guī)則固定和控制規(guī)則可調(diào)整兩種情況下模糊控制器的構造方法，并基于實現(xiàn)了模糊控制系統(tǒng)的構建和仿真。論文最后對無刷直流電機控制系統(tǒng)進行了樣機聯(lián)調(diào)測試，結果表明，本課題所設計的醫(yī)療電動床用無刷直流電機控制系統(tǒng)具有良好的調(diào)控性能和穩(wěn)定性。關鍵字無刷直流電動機電動床模糊控制西北工業(yè)大學碩士學位論文呵（），西北工業(yè)大學碩士學位論文第一章緒論研究背景本課題來源于本研究所承擔的橫向研究課題，研究開發(fā)驅(qū)動用的高性能無刷直流電動機控制系統(tǒng)。隨著社會的發(fā)展，人們對自動化水平的要求越來越高，電動床作為現(xiàn)代化產(chǎn)物之一，己經(jīng)廣泛應用于家庭、醫(yī)院、汽車、辦公設備等領域。在電動床中，驅(qū)動機構是電動床的核心部件，目前一般主要有兩種類型，為旋轉(zhuǎn)式和直線式，旋轉(zhuǎn)式采用單相異步電動機，這種電機采用單相交流電供電，可靠性、安全性都差，而且有體積大、重量沉的缺點。當前生產(chǎn)電動床的國內(nèi)外廠家主要采用直線式驅(qū)動機構，使用低壓直流電，安全性好、可靠性高、體積小、重量輕、結構緊湊。直線式驅(qū)動機構一般采用稀土永磁無刷或有刷直流電機，稀土永磁無刷與有刷直流電動機相比，由于其用電子換向部分取代了有刷直流電動機的換向部分，電機可靠性、可維護性都大為提高，而且也有噪聲低、無換向火花、壽命長等優(yōu)點，特別適合于電動床用驅(qū)動電機。近年來，由于永磁材料、電力電子器件和控制技術等的發(fā)展，使得稀土永磁電動機的成本進一步下降，而性能不斷提高，其應用逐漸由軍用領域向民用領域滲透?？v觀國內(nèi)外，電動床用驅(qū)動機構正由直線式取代旋轉(zhuǎn)式機構，而稀土永磁無刷直流電動機由于其自身的各種優(yōu)點，隨著其成本價格的不斷降低，取代有刷直流電動機也將是今后的發(fā)展趨勢。當前國外已有不少廠家生產(chǎn)有刷直線式驅(qū)動機構，如丹麥的公司，國內(nèi)部分電動床生產(chǎn)廠家也有采用直線式驅(qū)動機構，根據(jù)調(diào)研，國內(nèi)廠家所用電機大多為國外進口的有刷電機，國內(nèi)自主研發(fā)生產(chǎn)電機的較少，所以研究開發(fā)電動床用高性能稀土永磁無刷直流電動機有利于促進我國電動床的發(fā)展。稀土永磁無刷直流電動機及控制器發(fā)展概括稀上永磁無刷直流電動機由三部分組成：電機本體、控制器、位置傳感器西北工業(yè)大學碩士學位論文第一章緒論研究背景本課題來源于本研究所承擔的橫向研究課題，研究開發(fā)驅(qū)動用的高性能無刷直流電動機控制系統(tǒng)。隨著社會的發(fā)展，人們對自動化水平的要求越來越高，電動床作為現(xiàn)代化產(chǎn)物之一，己經(jīng)廣泛應用于家庭、醫(yī)院、汽車、辦公設備等領域。在電動床中，驅(qū)動機構是電動床的核心部件，目前一般主要有兩種類型，為旋轉(zhuǎn)式和直線式，旋轉(zhuǎn)式采用單相異步電動機，這種電機采用單相交流電供電，可靠性、安全性都差，而且有體積大、重量沉的缺點。當前生產(chǎn)電動床的國內(nèi)外廠家主要采用直線式驅(qū)動機構，使用低壓直流電，安全性好、可靠性高、體積小、重量輕、結構緊湊。直線式驅(qū)動機構一般采用稀土永磁無刷或有刷直流電機，稀土永磁無刷與有刷直流電動機相比，由于其用電子換向部分取代了有刷直流電動機的換向部分，電機可靠性、可維護性都大為提高，而且也有噪聲低、無換向火花、壽命長等優(yōu)點，特別適合于電動床用驅(qū)動電機。近年來，由于永磁材料、電力電子器件和控制技術等的發(fā)展，使得稀土永磁電動機的成本進一步下降，而性能不斷提高，其應用逐漸由軍用領域向民用領域滲透?？v觀國內(nèi)外，電動床用驅(qū)動機構正由直線式取代旋轉(zhuǎn)式機構，而稀土永磁無刷直流電動機由于其自身的各種優(yōu)點，隨著其成本價格的不斷降低，取代有刷直流電動機也將是今后的發(fā)展趨勢。當前國外已有不少廠家生產(chǎn)有刷直線式驅(qū)動機構，如丹麥的公司，國內(nèi)部分電動床生產(chǎn)廠家也有采用直線式驅(qū)動機構，根據(jù)調(diào)研，國內(nèi)廠家所用電機大多為國外進口的有刷電機，國內(nèi)自主研發(fā)生產(chǎn)電機的較少，所以研究開發(fā)電動床用高性能稀土永磁無刷直流電動機有利于促進我國電動床的發(fā)展。稀土永磁無刷直流電動機及控制器發(fā)展概括稀上永磁無刷直流電動機由三部分組成：電機本體、控制器、位置傳感器西北工業(yè)人學碩士學位論文里口口色旦級口旦曰曰口目口目目是當代典型的機電一體化產(chǎn)品，與其它學科的發(fā)展息息相關。隨著永磁材料、微電子技術、自動控制技術以及電力電子技術特別是大功率開關器件的發(fā)展，稀土永磁無刷直流電動機得到了長足的發(fā)展。永磁材料永磁材料為無刷電機建立勵磁磁場，相當于普通電勵磁電機的勵磁繞組的作用。由永磁材料代替勵磁繞組，不僅可以省去勵磁裝置，沒有了勵磁損耗，而且由于永磁材料密度小、磁能積高，有效的提高電機的功率密度。鋁鎳鉆永磁材料于上個世紀年代研制成功，是第一代永磁材料，其剩余磁感應強度較高，最高可達到，其溫度系數(shù)較小，僅為一，左右，這些優(yōu)良的性能使得這種永磁材料現(xiàn)在仍然被廣泛應用于儀器儀表類溫度穩(wěn)定度要求高的場合。但這種永磁體有矯頑力小、磁路設計困難等缺點；第二代鐵氧體永磁材料不含稀土元素、鉆、鎳等貴金屬，因此價格低廉，而且有矯頑力大、密度小等優(yōu)點，是當前電機中幾種永磁材料應用最廣的一種。這種永磁材料的缺點是剩余磁感應強度低，在電機設計時需要增大永磁體截面積，從而相應的會增大電機體積；第三代永磁材料是以錢鐵硼為代表的高性能稀土永磁材料，其剩余磁感應強度可高達，矯頑力可達到，最大磁能積高達，是當前磁能積最高的永磁材料。其不足是溫度系數(shù)大，居里點低，容易氧化生銹而需涂層處理。經(jīng)過這幾年的不斷改進提高，這些缺點大多已經(jīng)克服，現(xiàn)錢鐵硼永磁材料最高的工作溫度已可達，一般也可達，已足以滿足絕大多數(shù)電機的使用要求。隨著材料科學的發(fā)展，永磁材料的性價比將不斷提高，這就會更加促進永磁電機的發(fā)展。電力電子器件無刷直流電動機的最主要的優(yōu)點就是其換向由電力電子器件來實現(xiàn)，從而取代了傳統(tǒng)的有刷直流電動機中的換向器，因此電力電子器件是無刷直流電動西北工業(yè)人學碩士學位論文里口口色旦級口旦曰曰口目口目目是當代典型的機電一體化產(chǎn)品，與其它學科的發(fā)展息息相關。隨著永磁材料、微電子技術、自動控制技術以及電力電子技術特別是大功率開關器件的發(fā)展，稀土永磁無刷直流電動機得到了長足的發(fā)展。永磁材料永磁材料為無刷電機建立勵磁磁場，相當于普通電勵磁電機的勵磁繞組的作用。由永磁材料代替勵磁繞組，不僅可以省去勵磁裝置，沒有了勵磁損耗，而且由于永磁材料密度小、磁能積高，有效的提高電機的功率密度。鋁鎳鉆永磁材料于上個世紀年代研制成功，是第一代永磁材料，其剩余磁感應強度較高，最高可達到，其溫度系數(shù)較小，僅為一，左右，這些優(yōu)良的性能使得這種永磁材料現(xiàn)在仍然被廣泛應用于儀器儀表類溫度穩(wěn)定度要求高的場合。但這種永磁體有矯頑力小、磁路設計困難等缺點；第二代鐵氧體永磁材料不含稀土元素、鉆、鎳等貴金屬，因此價格低廉，而且有矯頑力大、密度小等優(yōu)點，是當前電機中幾種永磁材料應用最廣的一種。這種永磁材料的缺點是剩余磁感應強度低，在電機設計時需要增大永磁體截面積，從而相應的會增大電機體積；第三代永磁材料是以錢鐵硼為代表的高性能稀土永磁材料，其剩余磁感應強度可高達，矯頑力可達到，最大磁能積高達，是當前磁能積最高的永磁材料。其不足是溫度系數(shù)大，居里點低，容易氧化生銹而需涂層處理。經(jīng)過這幾年的不斷改進提高，這些缺點大多已經(jīng)克服，現(xiàn)錢鐵硼永磁材料最高的工作溫度已可達，一般也可達，已足以滿足絕大多數(shù)電機的使用要求。隨著材料科學的發(fā)展，永磁材料的性價比將不斷提高，這就會更加促進永磁電機的發(fā)展。電力電子器件無刷直流電動機的最主要的優(yōu)點就是其換向由電力電子器件來實現(xiàn)，從而取代了傳統(tǒng)的有刷直流電動機中的換向器，因此電力電子器件是無刷直流電動西北工業(yè)人學碩士學位論文里口口色旦級口旦曰曰口目口目目是當代典型的機電一體化產(chǎn)品，與其它學科的發(fā)展息息相關。隨著永磁材料、微電子技術、自動控制技術以及電力電子技術特別是大功率開關器件的發(fā)展，稀土永磁無刷直流電動機得到了長足的發(fā)展。永磁材料永磁材料為無刷電機建立勵磁磁場，相當于普通電勵磁電機的勵磁繞組的作用。由永磁材料代替勵磁繞組，不僅可以省去勵磁裝置，沒有了勵磁損耗，而且由于永磁材料密度小、磁能積高，有效的提高電機的功率密度。鋁鎳鉆永磁材料于上個世紀年代研制成功，是第一代永磁材料，其剩余磁感應強度較高，最高可達到，其溫度系數(shù)較小，僅為一，左右，這些優(yōu)良的性能使得這種永磁材料現(xiàn)在仍然被廣泛應用于儀器儀表類溫度穩(wěn)定度要求高的場合。但這種永磁體有矯頑力小、磁路設計困難等缺點；第二代鐵氧體永磁材料不含稀土元素、鉆、鎳等貴金屬，因此價格低廉，而且有矯頑力大、密度小等優(yōu)點，是當前電機中幾種永磁材料應用最廣的一種。這種永磁材料的缺點是剩余磁感應強度低，在電機設計時需要增大永磁體截面積，從而相應的會增大電機體積；第三代永磁材料是以錢鐵硼為代表的高性能稀土永磁材料，其剩余磁感應強度可高達，矯頑力可達到，最大磁能積高達，是當前磁能積最高的永磁材料。其不足是溫度系數(shù)大，居里點低，容易氧化生銹而需涂層處理。經(jīng)過這幾年的不斷改進提高，這些缺點大多已經(jīng)克服，現(xiàn)錢鐵硼永磁材料最高的工作溫度已可達，一般也可達，已足以滿足絕大多數(shù)電機的使用要求。隨著材料科學的發(fā)展，永磁材料的性價比將不斷提高，這就會更加促進永磁電機的發(fā)展。電力電子器件無刷直流電動機的最主要的優(yōu)點就是其換向由電力電子器件來實現(xiàn)，從而取代了傳統(tǒng)的有刷直流電動機中的換向器，因此電力電子器件是無刷直流電動西北工業(yè)大學碩士學位論文機的關鍵部件，電力電子器件是否工作可靠、是否易于控制直接關系到無刷直流電動機的性能和成本。近年來，電力電子器件飛速發(fā)展，已從最初的可控硅、功率晶體管發(fā)展到和以及，等，不斷向著高頻化、易于控制的方向發(fā)展，如可控硅和晶體管屬于電流控制型器件，門極控制電路復雜，而和，屬于電壓控制型器件，大大簡化了控制電路。另外，功率管前級控制和驅(qū)動電路也從原來的分立器件向集成芯片方向發(fā)展，簡化了功率電路的設計和調(diào)試工作，如（國際整流器）公司生產(chǎn)的等一系列控制芯片，集成了前級驅(qū)動、過流保護等電路，使得控制電路更為簡潔可靠。近年來，（智能功率模塊）是當前的功率器件領域研究的熱點之一，它集功率器件、前級驅(qū)動、保護電路和控制電路于一身，是高度集成化產(chǎn)品，這些器件的發(fā)展必將會使無刷直流電動機的整體性能進一步提升。電機轉(zhuǎn)子位置檢測在無刷電機中由于去掉了換向器，因而位置信號的檢測就顯得至關重要。當前檢測方式主要是有位置傳感器和無位置傳感器兩種。有位置傳感器控制方式是指在電機本體加入一定的檢測裝置來獲取電機轉(zhuǎn)子位置信號，如霍爾器件、光電傳感器以及電磁式傳感器，是當前應用最為廣泛的位置信號檢測方式，與無位置傳感器方式相比，由于需要額外的傳感器，使電機本體的機構復雜度增加，而且電機引出線較多，相比而言就降低了系統(tǒng)的可靠性。無位置傳感器的控制方式是當前無刷電機研究的熱點問題之一，一般有反電勢法、續(xù)流二極管法、電感法、狀態(tài)觀測器法等。其中以反電勢法最為成熟應用也最為廣泛，反電勢法就是通過檢測電機不導通相繞組的端電壓或相電壓得到電機換向點，這種方法所需硬件電路少，實現(xiàn)簡單，但低速性能不好，而且對于大電機，需要補償由于電樞反應引起的相移，算法復雜；續(xù)流二極管法是通過檢測反并聯(lián)于開關管兩端的續(xù)流二極管中的電流來換向，可以得到理想的低速性能，缺點是這種方法需要六套檢測裝置，而且也需要特殊的控制方式，實現(xiàn)困難，應用比西北工業(yè)大學碩士學位論文機的關鍵部件，電力電子器件是否工作可靠、是否易于控制直接關系到無刷直流電動機的性能和成本。近年來，電力電子器件飛速發(fā)展，已從最初的可控硅、功率晶體管發(fā)展到和以及，等，不斷向著高頻化、易于控制的方向發(fā)展，如可控硅和晶體管屬于電流控制型器件，門極控制電路復雜，而和，屬于電壓控制型器件，大大簡化了控制電路。另外，功率管前級控制和驅(qū)動電路也從原來的分立器件向集成芯片方向發(fā)展，簡化了功率電路的設計和調(diào)試工作，如（國際整流器）公司生產(chǎn)的等一系列控制芯片，集成了前級驅(qū)動、過流保護等電路，使得控制電路更為簡潔可靠。近年來，（智能功率模塊）是當前的功率器件領域研究的熱點之一，它集功率器件、前級驅(qū)動、保護電路和控制電路于一身，是高度集成化產(chǎn)品，這些器件的發(fā)展必將會使無刷直流電動機的整體性能進一步提升。電機轉(zhuǎn)子位置檢測在無刷電機中由于去掉了換向器，因而位置信號的檢測就顯得至關重要。當前檢測方式主要是有位置傳感器和無位置傳感器兩種。有位置傳感器控制方式是指在電機本體加入一定的檢測裝置來獲取電機轉(zhuǎn)子位置信號，如霍爾器件、光電傳感器以及電磁式傳感器，是當前應用最為廣泛的位置信號檢測方式，與無位置傳感器方式相比，由于需要額外的傳感器，使電機本體的機構復雜度增加，而且電機引出線較多，相比而言就降低了系統(tǒng)的可靠性。無位置傳感器的控制方式是當前無刷電機研究的熱點問題之一，一般有反電勢法、續(xù)流二極管法、電感法、狀態(tài)觀測器法等。其中以反電勢法最為成熟應用也最為廣泛，反電勢法就是通過檢測電機不導通相繞組的端電壓或相電壓得到電機換向點，這種方法所需硬件電路少，實現(xiàn)簡單，但低速性能不好，而且對于大電機，需要補償由于電樞反應引起的相移，算法復雜；續(xù)流二極管法是通過檢測反并聯(lián)于開關管兩端的續(xù)流二極管中的電流來換向，可以得到理想的低速性能，缺點是這種方法需要六套檢測裝置，而且也需要特殊的控制方式，實現(xiàn)困難，應用比西北工業(yè)大學碩士學位論文里巴里口口里旦組組里巴巨巴較少；電感法是通過探測繞組電感的變化來確定電機轉(zhuǎn)子的位置，這種方法只適應于某些特種電機，應用難度比較大，實現(xiàn)困難；狀態(tài)觀測器法是通過電機電壓和電流計算得到電機轉(zhuǎn)子位置，只適用于正弦波驅(qū)動的無刷直流電動機，需要建立直流無刷電機的數(shù)學模型和進行復雜的代數(shù)變化，在線計算量大，需要高性能的微處理器和高速，的出現(xiàn)和價格的不斷下降，使這種控制方式的實現(xiàn)己成為可能。本文研究的主要內(nèi)容和各章節(jié)安排本課題主要研究和開發(fā)電動床用稀土永磁無刷直流電動機及其控制器。要求設計電機在滿足力能指標的條件下，盡量提高電機的功率密度比；控制器采用高性能專用控制驅(qū)動芯片和單片機微處理器，實現(xiàn)模擬數(shù)字混合控制，使系統(tǒng)具有控制、操作指令輸入等功能根據(jù)電動床的使用要求，其中一般都有兩臺或更多的電機同時工作，所以本控制器硬件設計實現(xiàn)了單控制器對兩臺電機控制功能。）系統(tǒng)綜述闡述了電動床驅(qū)動系統(tǒng)的特殊要求，簡要介紹了無刷直流電動機的優(yōu)點對比分析了幾種目前常用的電動床電驅(qū)動系統(tǒng)的性能及特點，比較其利弊，得出了采用稀土永磁無刷直流電動機驅(qū)動可以滿足驅(qū)動要求的結論。）無刷直流電動機詳細地闡述了無刷主流電動機的工作原理，分析了無刷直流電動機的內(nèi)部結構，推導了無刷直流電動機的數(shù)學模型。電機指標如下：二，二考慮到實際應用場合要求電機要具有大的起動力矩，故采用有位置傳感器的檢測方式，傳感器采用霍爾片。）控制器的研制控制器的核心芯片采用電機專用控制驅(qū)動芯片和微處理器西北工業(yè)大學碩士學位論文里巴里口口里旦組組里巴巨巴較少；電感法是通過探測繞組電感的變化來確定電機轉(zhuǎn)子的位置，這種方法只適應于某些特種電機，應用難度比較大，實現(xiàn)困難；狀態(tài)觀測器法是通過電機電壓和電流計算得到電機轉(zhuǎn)子位置，只適用于正弦波驅(qū)動的無刷直流電動機，需要建立直流無刷電機的數(shù)學模型和進行復雜的代數(shù)變化，在線計算量大，需要高性能的微處理器和高速，的出現(xiàn)和價格的不斷下降，使這種控制方式的實現(xiàn)己成為可能。本文研究的主要內(nèi)容和各章節(jié)安排本課題主要研究和開發(fā)電動床用稀土永磁無刷直流電動機及其控制器。要求設計電機在滿足力能指標的條件下，盡量提高電機的功率密度比；控制器采用高性能專用控制驅(qū)動芯片和單片機微處理器，實現(xiàn)模擬數(shù)字混合控制，使系統(tǒng)具有控制、操作指令輸入等功能根據(jù)電動床的使用要求，其中一般都有兩臺或更多的電機同時工作，所以本控制器硬件設計實現(xiàn)了單控制器對兩臺電機控制功能。）系統(tǒng)綜述闡述了電動床驅(qū)動系統(tǒng)的特殊要求，簡要介紹了無刷直流電動機的優(yōu)點對比分析了幾種目前常用的電動床電驅(qū)動系統(tǒng)的性能及特點，比較其利弊，得出了采用稀土永磁無刷直流電動機驅(qū)動可以滿足驅(qū)動要求的結論。）無刷直流電動機詳細地闡述了無刷主流電動機的工作原理，分析了無刷直流電動機的內(nèi)部結構，推導了無刷直流電動機的數(shù)學模型。電機指標如下：二，二考慮到實際應用場合要求電機要具有大的起動力矩，故采用有位置傳感器的檢測方式，傳感器采用霍爾片。）控制器的研制控制器的核心芯片采用電機專用控制驅(qū)動芯片和微處理器西北工業(yè)人學碩士學位論文單片機共同組成。控制器同時驅(qū)動和控制兩套驅(qū)動器和兩個電機工作，并實現(xiàn)電機開婷機和正反轉(zhuǎn)。是由生產(chǎn)的高性能單片無刷直流電機控制器系列產(chǎn)品之一它包括了實現(xiàn)一全特性、開環(huán)、相或相電機控制系統(tǒng)全部功能。該器件采用雙極型模擬工藝，在任何惡劣的工業(yè)環(huán)境下都能保證高品質(zhì)和穩(wěn)定性。含一個應用于正確整流時序的轉(zhuǎn)子位置譯碼器，該芯片可通過其內(nèi)部的捕獲單元即可方便地得到電機的霍爾信號，進而為電機提供正確的換向信號，并可實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)。該芯片具備頻率可調(diào)的鋸齒波振蕩器，三個集電極開路的頂部驅(qū)動器和三個非常適用于功率驅(qū)動的大電流推挽式底部驅(qū)動器。系統(tǒng)采用了單片機來實現(xiàn)一個電動床位置記憶功能，它同時控制兩個驅(qū)動器、兩個電機工作，并同時控制電機開停機和正反轉(zhuǎn)。由于單片機位置記憶輔助功能是通過遙控器控制實現(xiàn)的，當單片機接收遙控器指令后，會根據(jù)所獲得的霍爾位置信號判斷電機當前的所在位置，然后接收正反轉(zhuǎn)信號，根據(jù)程序，驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)，帶動電動床上下運動，進而可實現(xiàn)電動床位置存儲。）控制軟件編寫論文中單片機軟件設計工作，旨在實現(xiàn)電動床位置記憶輔助功能。軟件設計實際上是通過遙控器要實現(xiàn)的功能來設計的。遙控器為人機交互提供了一個界面，遙控器有起停鍵、床體上下升降和俯仰鍵、四個記憶位置鍵、位置鎖定鍵和復位鍵，本界面設計簡單直觀，用戶操作起來方便快捷。系統(tǒng)軟件由以下四個部分組成：主程序、記憶子程序、外部中斷程序、定時器中斷程序。單片機內(nèi)存為，具有個記憶位置，復位功能實現(xiàn)位置的存和取，鎖存功能實現(xiàn)位置鎖定。）控制算法的研究模糊控制仿真對無刷直流電機控制系統(tǒng)進行嘗試性的模糊控制仿真，旨在提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。無刷直流電動機是典型的非線性元件，傳統(tǒng)分析方法如時域解析法和頻域傳遞函數(shù)法來分析無刷直流電動機系統(tǒng)動態(tài)過程顯得比較困難，借助西北工業(yè)大學碩：學位論文仿真工具箱的這個工具可以比較方便地幫助我們實現(xiàn)系統(tǒng)仿真。）樣機聯(lián)調(diào)，系統(tǒng)測試最后一部分的樣機聯(lián)調(diào)和系統(tǒng)測試是最關鍵的部分，整個系統(tǒng)的質(zhì)量就由最后的系統(tǒng)測試效果決定。文章最后給出聯(lián)調(diào)的實驗數(shù)據(jù)可直接說明本醫(yī)療電動床用無刷直流電動機控制系統(tǒng)的性能的好壞。最后還就在調(diào)試中出現(xiàn)的故障問題進行分析討論，并給出合理可靠的解決辦法。）結束語結束語包括對全文的總結和對未來電機及其控制系統(tǒng)發(fā)展的展望西北工業(yè)大學碩上學位論文第二章系統(tǒng)綜述系統(tǒng)要求及組成隨著科學技術的日益發(fā)展，醫(yī)療保健行業(yè)越來越多的使用自動化設備。自動化設備的使用，在提高醫(yī)療水平，增強治療效果，提高病人舒適度方面具有重要的作用。電動床醫(yī)療設備就是其中重要的一種自動化治療設備。醫(yī)療電動床是這個設備當中的關鍵組成部分之一。其機構示意圖如下所示：圖電動床運動機構示意圖醫(yī)院病房的病床大多都是純機械式的，在需要調(diào)節(jié)病人的舒適姿態(tài)時，醫(yī)生是通過搖動床的腰桿來調(diào)節(jié)床的位置實現(xiàn)的，這種機械式調(diào)節(jié)床的升降或者俯仰來調(diào)整病人姿態(tài)，費時費力，而且由于機械的因素，床的起停升降都很不柔和，出力不均勻，震動大，病人感覺不舒適。因此電動床必須從病人和醫(yī)生雙方出發(fā)，同時滿足病人的舒適性和醫(yī)生工作的方便性；其次，由于使用電驅(qū)動設備，還要考慮到整個系統(tǒng)的安全性；此外，對于不同體重的病人，例如很重的病人，床體能否實現(xiàn)升降俯仰，就要考慮到整個驅(qū)動系統(tǒng)的帶載、過載能力，此外，當然還涉及整個系統(tǒng)的成本問題?？紤]到電動床后背的俯仰及整體的升降由兩軸驅(qū)動即可滿足整體要求。因此，驅(qū)動系統(tǒng)采用雙電機控制方式，一個電機支持后背的俯仰，另一個電機支持床體的升降。可見，電機是其中最關鍵的部件，采用無刷直流電機驅(qū)動，如論文選題涉及項目簡介當中所述，其具有體積小、負荷能力大、平穩(wěn)性好、噪聲低等突出優(yōu)點，正好適合于電動床的要求。控制方案采用無刷直流電機專用西北工業(yè)大學碩上學位論文第二章系統(tǒng)綜述系統(tǒng)要求及組成隨著科學技術的日益發(fā)展，醫(yī)療保健行業(yè)越來越多的使用自動化設備。自動化設備的使用，在提高醫(yī)療水平，增強治療效果，提高病人舒適度方面具有重要的作用。電動床醫(yī)療設備就是其中重要的一種自動化治療設備。醫(yī)療電動床是這個設備當中的關鍵組成部分之一。其機構示意圖如下所示：圖電動床運動機構示意圖醫(yī)院病房的病床大多都是純機械式的，在需要調(diào)節(jié)病人的舒適姿態(tài)時，醫(yī)生是通過搖動床的腰桿來調(diào)節(jié)床的位置實現(xiàn)的，這種機械式調(diào)節(jié)床的升降或者俯仰來調(diào)整病人姿態(tài)，費時費力，而且由于機械的因素，床的起停升降都很不柔和，出力不均勻，震動大，病人感覺不舒適。因此電動床必須從病人和醫(yī)生雙方出發(fā)，同時滿足病人的舒適性和醫(yī)生工作的方便性；其次，由于使用電驅(qū)動設備，還要考慮到整個系統(tǒng)的安全性；此外，對于不同體重的病人，例如很重的病人，床體能否實現(xiàn)升降俯仰，就要考慮到整個驅(qū)動系統(tǒng)的帶載、過載能力，此外，當然還涉及整個系統(tǒng)的成本問題?？紤]到電動床后背的俯仰及整體的升降由兩軸驅(qū)動即可滿足整體要求。因此，驅(qū)動系統(tǒng)采用雙電機控制方式，一個電機支持后背的俯仰，另一個電機支持床體的升降。可見，電機是其中最關鍵的部件，采用無刷直流電機驅(qū)動，如論文選題涉及項目簡介當中所述，其具有體積小、負荷能力大、平穩(wěn)性好、噪聲低等突出優(yōu)點，正好適合于電動床的要求?？刂品桨覆捎脽o刷直流電機專用西北工業(yè)人學碩十學位論文控制芯片和單片機相結合的復合控制器控制，簡化了控制系統(tǒng)的線路設計，提高了綜合性能，降低了整體成本，并且對于實現(xiàn)諸如位置記憶等智能化的控制，都給出了可實現(xiàn)的硬件條件，此外，此種驅(qū)動系統(tǒng)還可以擴展到諸如汽車、制造業(yè)流水線機器人、工業(yè)伺服、航空航天等領域，不僅具有很強的研究價值，還具有很強的市場前景。系統(tǒng)結構如圖所示。其中，的交流電經(jīng)變壓器和整流橋變成直流電，直流電源兩路給兩個功率驅(qū)動電路供電，兩路給兩個驅(qū)動器供電，還有一路給單片機供電。一個單片機控制兩套驅(qū)動機構同時工作，電機的霍爾位置信號經(jīng)轉(zhuǎn)子位置傳感器反饋給單片機和驅(qū)動電路，構成調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。當電動床上升和下降到達它的極限位置時，電動床的限位傳感器可以給控制器提供一個卡位信號。圖系統(tǒng)結構簡圖無刷直流電動機的優(yōu)點稀土永磁無刷直流電動機效率高、性能好、結構簡單、散熱容易、轉(zhuǎn)速不受機械換向限制、噪聲小、安全可靠、無須維修、壽命長，不僅如此，還有以下優(yōu)越性：由于稀土永磁材料的高磁能積，使得電機可以明顯降低重量，減小體積，提高效率。相對于交流異步電機，體積可以減小以上。其與其它類型的電動機效率的比較如圖一所示。稀土永磁材料的矯頑力高，剩磁；大，因而可產(chǎn)生很大的氣隙磁通，西北工業(yè)人學碩十學位論文控制芯片和單片機相結合的復合控制器控制，簡化了控制系統(tǒng)的線路設計，提高了綜合性能，降低了整體成本，并且對于實現(xiàn)諸如位置記憶等智能化的控制，都給出了可實現(xiàn)的硬件條件，此外，此種驅(qū)動系統(tǒng)還可以擴展到諸如汽車、制造業(yè)流水線機器人、工業(yè)伺服、航空航天等領域，不僅具有很強的研究價值，還具有很強的市場前景。系統(tǒng)結構如圖所示。其中，的交流電經(jīng)變壓器和整流橋變成直流電，直流電源兩路給兩個功率驅(qū)動電路供電，兩路給兩個驅(qū)動器供電，還有一路給單片機供電。一個單片機控制兩套驅(qū)動機構同時工作，電機的霍爾位置信號經(jīng)轉(zhuǎn)子位置傳感器反饋給單片機和驅(qū)動電路，構成調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。當電動床上升和下降到達它的極限位置時，電動床的限位傳感器可以給控制器提供一個卡位信號。圖系統(tǒng)結構簡圖無刷直流電動機的優(yōu)點稀土永磁無刷直流電動機效率高、性能好、結構簡單、散熱容易、轉(zhuǎn)速不受機械換向限制、噪聲小、安全可靠、無須維修、壽命長，不僅如此，還有以下優(yōu)越性：由于稀土永磁材料的高磁能積，使得電機可以明顯降低重量，減小體積，提高效率。相對于交流異步電機，體積可以減小以上。其與其它類型的電動機效率的比較如圖一所示。稀土永磁材料的矯頑力高，剩磁；大，因而可產(chǎn)生很大的氣隙磁通，西北工業(yè)大學碩上學位論文大大縮小了永磁體轉(zhuǎn)子的外徑，從而減小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，降低時間常數(shù)，改善電機的動態(tài)特性。同時，在保持一定氣隙磁感應強度的條件下，氣隙寬度可以選取較大值，這樣可以減小由于齒槽效應引起的力矩波動，也可抑制電樞反應對力矩波動的影響。一口口“日飛以明挑翻編龔翼碧黍蜜圖美國能源部對各種驅(qū)動電機的效率比較，稀土永磁材料的內(nèi)察矯頑力極高，磁場定向性好，因而容易實現(xiàn)在氣隙中建立近似于矩形波的磁場，電機可設計成方波電機，當與度導通型三相逆變器相匹配，可實現(xiàn)方波驅(qū)動，從而可有效地減小力矩波動，同時提高電機的出力。而且電樞反應對稀土永磁體的去磁作用較小，故稀土永磁無刷直流電動機更適合突然反轉(zhuǎn)，堵轉(zhuǎn)驅(qū)動等特殊運行場合的性能要求。對于電動床，電機是短時運行，但很可能遇到突然正反轉(zhuǎn)，突然過載的情況，因此，無刷直流電機的適應性比較好。稀土永磁材料的去磁曲線是線性、可逆的，該特性給稀土永磁無刷直流電動機的工作點計算帶來了方便，簡化了磁路設計和磁場分析方法。無刷電機省去了電刷及滑環(huán)，簡化的電機的結構設計，消除了電刷與滑環(huán)之間摩擦所帶來的噪聲、電磁干擾、粉塵，提高了電機的使用壽命。因為沒有碳刷與換向器，所以沒有維修與保養(yǎng)的需要；由于采用永磁轉(zhuǎn)子，沒有激磁損耗的問題，綜合效率高出左右（依據(jù)功率大小而定），低速轉(zhuǎn)矩更大，啟動轉(zhuǎn)矩可達額定三倍，轉(zhuǎn)速精度可達，不受電壓與負載變動的影響。電機西北工業(yè)大學碩士學位論文里里口巴里旦口曰里絕里里里里可以做成密閉型或防塵防爆型等結構。因此能夠完全取代傳統(tǒng)有刷直流電機，而且運轉(zhuǎn)費用更低，沒有保養(yǎng)維修的煩惱。圖為無刷直流電動機與有刷直流及歐盟效率標準。無劇直流電機夕一，一尸，一護，悶“一，一一，一瀏黔眺哪哪絲加石朽助圖無刷直流電機與有刷直流電機的比較電動機的幾種主流控制方法電動機控制主要經(jīng)歷了幾個階段，模擬電路及分離式元件組成的控制電路，由于其控制電路復雜，穩(wěn)定性不強，因此，逐步被高級的數(shù)字控制方式所取代。這些高級的數(shù)控方式主要采用單片機控制，抑或是控制。近來隨著電子器件工藝水平的提高，用高集成度模擬芯片專門控制電機又有枯木逢春之勢。以下簡要介紹這幾種控制方式。單片機控制從八十年代開始，微處理器（單片機）逐漸流行于電機控制當中。其具有如下特點：（）電路更簡單模擬電路為了實現(xiàn)控制邏輯需要許多電子元件，使電路復雜，采用微處理西北工業(yè)大學碩士學位論文里里口巴里旦口曰里絕里里里里可以做成密閉型或防塵防爆型等結構。因此能夠完全取代傳統(tǒng)有刷直流電機，而且運轉(zhuǎn)費用更低，沒有保養(yǎng)維修的煩惱。圖為無刷直流電動機與有刷直流及歐盟效率標準。無劇直流電機夕一，一尸，一護，悶“一，一一，一瀏黔眺哪哪絲加石朽助圖無刷直流電機與有刷直流電機的比較電動機的幾種主流控制方法電動機控制主要經(jīng)歷了幾個階段，模擬電路及分離式元件組成的控制電路，由于其控制電路復雜，穩(wěn)定性不強，因此，逐步被高級的數(shù)字控制方式所取代。這些高級的數(shù)控方式主要采用單片機控制，抑或是控制。近來隨著電子器件工藝水平的提高，用高集成度模擬芯片專門控制電機又有枯木逢春之勢。以下簡要介紹這幾種控制方式。單片機控制從八十年代開始，微處理器（單片機）逐漸流行于電機控制當中。其具有如下特點：（）電路更簡單模擬電路為了實現(xiàn)控制邏輯需要許多電子元件，使電路復雜，采用微處理西北工業(yè)大學碩士學位論文里里口巴里旦口曰里絕里里里里可以做成密閉型或防塵防爆型等結構。因此能夠完全取代傳統(tǒng)有刷直流電機，而且運轉(zhuǎn)費用更低，沒有保養(yǎng)維修的煩惱。圖為無刷直流電動機與有刷直流及歐盟效率標準。無劇直流電機夕一，一尸，一護，悶“一，一一，一瀏黔眺哪哪絲加石朽助圖無刷直流電機與有刷直流電機的比較電動機的幾種主流控制方法電動機控制主要經(jīng)歷了幾個階段，模擬電路及分離式元件組成的控制電路，由于其控制電路復雜，穩(wěn)定性不強，因此，逐步被高級的數(shù)字控制方式所取代。這些高級的數(shù)控方式主要采用單片機控制，抑或是控制。近來隨著電子器件工藝水平的提高，用高集成度模擬芯片專門控制電機又有枯木逢春之勢。以下簡要介紹這幾種控制方式。單片機控制從八十年代開始，微處理器（單片機）逐漸流行于電機控制當中。其具有如下特點：（）電路更簡單模擬電路為了實現(xiàn)控制邏輯需要許多電子元件，使電路復雜，采用微處理西北工業(yè)大學碩士學位論文器后，絕大多數(shù)控制邏輯可以通過軟件實現(xiàn)。（）可以實現(xiàn)較復雜的控制微處理器有更強的邏輯功能。運算速度快、精度高、有大容量的存儲單元，因此有能力實現(xiàn)復雜的控制，如優(yōu)化控制等（）靈活性和適應性強微處理器的控制方式是由軟件完成的。如果須要修改控制規(guī)律，一般不必改變系統(tǒng)的硬件電路，只須修改程序即可。在系統(tǒng)調(diào)試和升級時?？梢圆粩鄧L試選擇最優(yōu)參數(shù)，非常方便。（）無零點漂移，控制精度高數(shù)字控制不會出現(xiàn)模擬電路中經(jīng)常遇到的零點漂移問題。無論被控量的大或小，都可以保證足夠的控制精度。（）可提供人機界面，多機聯(lián)網(wǎng)工作單片機有較強的控制功能、低廉的成本。人們在選擇電動機的控制器時，常常是在滿足功能的需要的同時，優(yōu)先選擇成本低的控制器。因此，單片機往往成為優(yōu)先選擇的目標。從最近的統(tǒng)計數(shù)字也可以看出，世界上每年要有億片各種單片機投入使用。單片機是目前世界使用量最大的微處理器近年來，新一代的各種各樣的單片機不斷出現(xiàn)。新型單片機都具有如下特點。（）內(nèi)部增加了很多模塊，如發(fā)生模塊、比較和捕捉模塊、轉(zhuǎn)換模塊、看門狗、串行總線接口等，使新一代的單片機功能大為增強。（）由于采用了流水線技術，執(zhí)行指令和提取指令可同時完成，因此，新一代的單片機比老一代的單片機速度快了一倍以上。（）由于采用了同步串行總線，及內(nèi)部存儲器，大大減少了單片機的外部引腳，因此，單片機的個頭也越來越小。此外，采用了休眠省電工作方式及供電，使得單片機功耗也得以降低。這對于移動設備中電動機控制是相當有意義的。例如可以有效提高諸如數(shù)碼攝像機、筆記本電腦等的不插電使用時間。西北工業(yè)大學碩士學位論文控制數(shù)字信號處理器是近年來迅猛發(fā)展的新一代數(shù)字微處理器。隨著價格的大幅度下降，逐漸進入運動控制領域。美國公司的系列，公司的系列，這些都是以為內(nèi)核的集成電動機控制嵌入式芯片。其不但具有高速信號處理能力和數(shù)字控制功能，而且還具有電動機控制所必須的外圍功能。在電動機控制系統(tǒng)種采用，不但可以實現(xiàn)諸如矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等控制算法，而且也為現(xiàn)代控制理論及智能控制理論的實現(xiàn)提供了硬件條件。高集成度模擬芯片控制隨著技術的發(fā)展，模擬器件的集成度也越來越高，性能也越來越好。行業(yè)專用模擬芯片由于其價格低廉，定制方便，因此大量使用在一些對控制性能要求不是很高的場合。如公司的無位置傳感器無刷電動機專用控制芯片，安森美公司的系列等。這些芯片滿足基本的電動機調(diào)速及控制功能，價格比起數(shù)字式芯片又具有一定優(yōu)勢，因此，低端市場很大?？偨Y為什么采用無刷直流電動機綜上所述，本系統(tǒng)為醫(yī)療電動床用電機驅(qū)動系統(tǒng)，采用無刷直流電機驅(qū)動是由于其具有：）體積??；由于稀土永磁材料的高磁能積，使得電機可以明顯降低重量，減小體積，提高效率。）稀