近年來，由于永磁材料、電力電子和控制技術等的發展，使得稀土永磁無刷電機成本進一步下降，而性能則大幅提高，其應用逐漸向軍用、民用各領域滲透。在醫療器械行業，醫用牙科座椅驅動機構正由直線式取代旋轉式。
稀土永磁無刷直流電動機由于具有效率高、性能好、結構簡單、散熱容易、噪聲小、安全可靠、無須維修、壽命長等特點，恰可以滿足醫用行業對醫療器械安全性、效率、輕便性、清潔性、電磁干擾等方面的特殊要求。因此，以稀土永磁無刷電機驅動的直線式驅動機構代替有刷電機驅動機構和單相交流異步電機驅動機構，具有良好的社會意義及廣闊的市場前景。
本文闡述一種牙科座椅用數字式稀土永磁無刷直流電機驅動系統方案，包括電機、控制器、驅動及軟件部分。該系統還可廣泛應用于電動床和其它類型電動座椅的驅動，在醫院、療養院及家庭等領域市場潛力很大。
圖1 系統原理圖
電動牙科座椅具有兩個自由度，俯仰和升降。本伺服系統采用兩臺稀土永磁無刷直流電動機作為運動控制主部件，針對兩個自由度分別給以驅動。如圖1所示，電機A為俯仰電機，電機B為升降電機。
電機控制部分僅采用一片DSP（數字信號處理器）芯片TMS320LF2407A實現對兩臺無刷電機的控制，充分利用了DSP豐富的片上資源,對兩臺電機的PWM輸入全部采用DSP提供,省去了邏輯芯片,提高了系統的可靠性。通過SPI片內串行外設擴展了存儲器芯片，采用FRAM(非易失性存儲器)具有掉電保護功能,實現在關電的情況下對電動座椅的位置的記憶。
電機額定功率為55W，額定電壓 24 V，工作狀態為短時運行，額定轉速1800rpm，設計模式按方波設計，電機為十二槽兩對極。槽形為梯形口扇形槽，繞組形式為三相星形六狀態，槽滿率為52%，轉子磁鋼采用粘結釹鐵硼，徑向充磁。磁鋼具體參數如下： Br>6000Gs,Hc>5000Oe,[BH]max>8MG·Oe,Hjc>10000Oe。
電機總裝圖如圖2所示：
圖2 電機總裝圖
有限元分析中，電機實際電磁轉矩為0.2394N·m。電機磁通、磁感應強度等參數的分布情況如圖3、圖4所示。從圖4可以看出，電機氣隙磁感應強度分布基本呈方波分布，求平均值基本與電磁方案設計結果相符。
本控制器主控單元采用TI公司的DSP芯片TMS320LF2407A，主控單元需要檢測電機的電流信號和轉子位置信號，并為驅動板提供六路PWM驅動信號，因此，控制一個無刷直流電動機，需要6個PWM輸出，一路ADC轉換，三個捕獲單元。
對于TMS320LF2407A 處理器，由于其有兩個事件管理器（EVA和EVB），每個事件管理器都有3個捕獲單元并可以輸出6路PWM，所以該芯片可以同時直接為兩臺無刷直流電動機提供控制信號。如圖1所示。由于控制芯片外圍電路較為成熟，但其具有較大的程序存儲器，因此，相對于硬件而言，要實現針對電機的靈活控制，著重從軟件方面入手。
本電機控制系統的驅動環節電路采用全橋結構，通過對六個功率元件的開、關的控制，對電機電壓、電流波形進行調制。通過利用 TMS320LF2407A內含的四個各自獨立的 16位通用定時器、六個全比較器實現電機電壓的PWM調制。TMS320LF2407A內含可編程死區控制，六個全比較器中的任何一個與通用定時器、死區控制單元一起用于產生一對有可編程死區和輸出極性的PWM輸出。共有十二路這樣的PWM輸出。每六個輸出可以用來控制無刷直流電機，實現DSP對兩臺電機的控制。
圖5 功率主電路
控制系統功率主電路如圖5。選用IRF540功率管，該器件最高工作電壓為100V，最大工作電流28A，最大功率損耗150W，完全滿足該系統功率要求；續流二極管D1～D6選用快恢二極管；電容C1～C3用來吸收直流母線上的尖峰電壓，防止過高的母線電壓擊穿功率管；電阻R2用來檢測電機的直流母線上電流，防止電機過流發生故障，該過流信號Isence經過處理后輸入到功率橋的前級驅動芯片和DSP處理器中，在過流時可以及時封鎖門極驅動信號。
功率管的前級驅動采用IR公司的電機驅動芯片IR2130，該芯片集驅動、死區、過流保護等功能與一體，使用單電源即可完成六只功率管的驅動，使用時極為方便，特別適合于小功率驅動領域。
根據定義的功能，軟件分為如下幾大模塊：
初始化模塊：主程序初始化模塊（_c_int0），EVA初始化模塊（EVA_INIT），EVB初始化模塊（EVB_INIT）；
電機啟動模塊：電機A啟動模塊（MOTORA_START），電機B啟動模塊（MOTORB_START）；
換向模塊：電機A換向模塊（COMMUTATION_A），電機B換向模塊（COMMUTATION_B）；
霍爾信號捕獲模塊：電機A的霍爾信號捕獲模塊（CAPIN_A），電機B的霍爾信號捕獲模塊（CAPIN_B）；
鍵盤分析模塊：電機A的鍵盤輸入分析模塊（KEY_ANALYSE_A），電機B的鍵盤輸入分析模塊（KEY_ANALYSE_B）；
PID調節模塊（_PID），位置記憶模塊（REM）。
圖6 軟件主流程圖
軟件主體采用工程上流行的模塊化順序結構，霍爾信號捕獲和PID調節采用中斷控制方式。圖6為系統軟件流程圖。其中圖6（a）為系統主程序流程圖，主要實現系統初始化以及兩個電機運行狀態的讀取和設置，系統初始化完成對DSP系統寄存器、I/O端口、以及系統中斷的設置，兩個電機的運行狀態的獲得由鍵盤分析模塊獲得，根據得到的狀態，決定電機是處于運行、啟動或是停轉狀態。電機運行狀態由全局變量RUN_STATE_A和RUN_STATE_B表示，088H表示電機處于運行狀態，00H表示電機啟動，0FFH表示電機停轉。
軟件中電機換向和PID速度調節都采用中斷控制的方式。圖6（b）是電機逆變器換向流程圖，該中斷子程序各模塊完成霍爾位置信號的捕獲、逆變器換向、速度計算三個主要功能，使電機正常運行，并為PID速度調節提供了速度反饋值。圖6（c）為電機PID調節中斷流程圖，PID中斷調節的中斷信號由內部軟件產生。
隨著技術不斷發展，成本不斷降低，稀土永磁無刷直流電機在醫療領域的應用將會進一步得到普及。將稀土永磁無刷直流電機與DSP控制技術相結合，是無刷電機的一個重要發展方向。本文介紹的電動牙科座椅驅動系統采用稀土永磁無刷直流電機，以DSP為主控芯片，具有全數字控制、位置記憶、過壓過流保護等功能，在電動座椅驅動系統領域當中具有廣闊的前景。