前言

　　隨著科技的發(fā)展，醫(yī)療儀器正朝向居家保健應(yīng)用方向發(fā)展，使人們可以在家中自我理療。這些產(chǎn)品具有可預(yù)防疾病功能，同時(shí)具有創(chuàng)新特色，通常包括所謂"智能型組件"并可自我思考、判斷。其應(yīng)用產(chǎn)品如：一、具有生化感測(cè)之牙刷，可偵測(cè)口腔內(nèi)血糖及細(xì)菌功能；二、具有內(nèi)鍵式顯示功能的計(jì)算機(jī)化眼鏡，使用者戴上眼鏡可幫助他記起是某人或某事；三、智能型繃帶，由可以偵測(cè)細(xì)菌或病毒的纖維所制成，具有告知患者是否已被感染的警訊功能；四、運(yùn)用無(wú)線通訊及數(shù)字化技術(shù)的心臟監(jiān)視器，可連結(jié)到個(gè)人計(jì)算機(jī)，將心臟活動(dòng)訊息及重要生理信息傳輸?shù)郊抑谢蚱匠＞驮\的醫(yī)療單位；五、使殘障者運(yùn)用少量肌肉運(yùn)動(dòng)來(lái)操控儀器。這種儀器特別針對(duì)脊椎受傷或神經(jīng)傷害者極有幫助。

　　治療儀傳動(dòng)系統(tǒng)要求電機(jī)轉(zhuǎn)速控制在100～250r/min之間，再通過(guò)50∶1的機(jī)械減速器減速，傳動(dòng)扭矩》1.5Nm。擺動(dòng)幅度要求為頸椎：±30°～±60°;腰椎：±60°～±100°；起終點(diǎn)均應(yīng)控制在中心位置。轉(zhuǎn)速及擺幅均應(yīng)根據(jù)具體病例可調(diào)。

　　2智能化全數(shù)字式專(zhuān)用變頻器的設(shè)計(jì)

　　（1） 考慮到醫(yī)學(xué)治療儀的特殊要求，為了提高變頻器的工作可靠性和控制，采用智能化數(shù)字化設(shè)計(jì)，同時(shí)也結(jié)合小型化的特點(diǎn)，主功率器件采用日本三菱電機(jī)的 IGBT智能功率模塊（IPM）PM20CSJ060。輸入為單相220V交流，經(jīng)單相全橋整流器整流后供給智能功率模塊，輸出為三相220V交流，接 0.5kW三相異步電動(dòng)機(jī)（改為△接法）。

　?。?） 采用INTEL公司的16位單片機(jī)80C196KC作為系統(tǒng)CPU，它具有運(yùn)算速度快，高，指令功能強(qiáng)等特點(diǎn)。并帶有8路10位A/D轉(zhuǎn)換器，可以完 成模擬量和數(shù)字量信號(hào)的檢測(cè)。控制運(yùn)算及數(shù)據(jù)處理，保護(hù)功能的邏輯判斷，給PWM產(chǎn)生電路SA4828送設(shè)定和控制數(shù)據(jù)，以及管理鍵盤(pán)和數(shù)碼顯示等功能。

　　（3）SPWM波發(fā)生器采用英國(guó)MITEL公司 的增強(qiáng)型運(yùn)動(dòng)控制大規(guī)模集成電路SA4828。該芯片作為一種獨(dú)立于微處理器的外設(shè)形式工作，但它可以受控于任何類(lèi)型的微處理器而幾乎不需要附加任何邏輯 電路。管腳的配置使其能適用于大部分總線格式，包括復(fù)用的地址/數(shù)據(jù)總線格式和RD/WR或R/W控制模式。由于僅在改變運(yùn)行狀態(tài)時(shí)需要微處理器的介入， 因此工作時(shí)芯片幾乎不占用CPU的資源。

　　SA4828采用全數(shù)字化操作，載波頻率可達(dá)24kHz。內(nèi)部ROM中存有三種可選的輸出電源波形，諧波抑制技術(shù)可減少功率器件的損耗。16位頻率控制，三個(gè)獨(dú)立的幅值寄存器可進(jìn)行三相不平衡補(bǔ)償。利用SA4828設(shè)計(jì)的變頻器硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

　　3SA4828的功能特點(diǎn)及工作原理

　　3.1SA4828管腳圖及管腳功能說(shuō)明

　　SA4828管腳圖如圖2所示。管腳功能說(shuō)明見(jiàn)表1。

        3.2SA4828內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖及工作原理

　　圖1采用SA4828的變頻器硬件結(jié)構(gòu)框圖

　　圖2SA4828管腳圖

　　圖3SA4828芯片內(nèi)部框圖

　　圖3為SA4828的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖，從圖中可以看到SA4828主要由三部分構(gòu)成：

　　（1）接收并存儲(chǔ)微處理器命令（控制字）的部分，它主要由總線控制、總線譯碼、暫存器R0、R1…R5，虛擬寄存器R14、R15及32位初始化寄存器和48位控制寄存器構(gòu)成；

　?。?）從波形ROMS讀取調(diào)制波形的部分，它由地址發(fā)生器和波形解壓縮緩沖器構(gòu)成；

　?。?）三相輸出控制電路及輸出脈沖鎖存電路，每相輸出控制電路又由脈沖刪除電路和脈沖延遲電路組成。

　　SA4828 是由英國(guó)MITEL 公司推出的一種三相脈寬調(diào)制波發(fā)生器，它采用不對(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣SPWM算法，通過(guò)存儲(chǔ)在片內(nèi)ROM 中的調(diào)制波與片內(nèi)產(chǎn)生的三角形載波比較，生成SPWM輸出脈沖。SA4828 作為微處理器的標(biāo)準(zhǔn)外圍器件，在工作時(shí)是獨(dú)立于微處理器的，只是在需要更新運(yùn)行參數(shù)時(shí)微處理器才介入。SA4828 具有很強(qiáng)的適用性，對(duì)于采用數(shù)據(jù)地址復(fù)用結(jié)構(gòu)的處理器，和采用數(shù)據(jù)總線和地址總線分離（哈佛總線）結(jié)構(gòu)的處理器，都不需增加外圍電路，只通過(guò)數(shù)據(jù)總線，SA4828 就可直接與它們通訊。SA4828 中的可編程48 位初始化寄存器和控制寄存器設(shè)定和控制PWM的各種信息，初始化寄存器用于設(shè)定一些與電源有關(guān)并在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中不可改變的基本參數(shù)?？刂萍拇嫫髦械膮?shù)可在運(yùn)行中實(shí)時(shí)改變，以控制輸出脈寬調(diào)制波形的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變器運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)控制。

　　3.3SA4828芯片的控制功能

　　對(duì)SA4828芯片的控制是通過(guò)微處理器接口將數(shù)據(jù)送入內(nèi)部的兩個(gè)寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。它們是初始化寄存器和控制寄存器。

　　初始化寄存器用于設(shè)定和電機(jī)及逆變器有關(guān)的一些基本參數(shù)，這些參數(shù)在電機(jī)工作前就被初始化，并且在電機(jī)工作時(shí)一般不允許改變。

　　控制寄存器在電機(jī)工作過(guò)程中控制脈寬調(diào)制波的狀態(tài)，從而進(jìn)一步控制電機(jī)的運(yùn)行，比如轉(zhuǎn)速，正/反轉(zhuǎn)，起動(dòng)和停止等。通常在電機(jī)工作時(shí)寄存器的內(nèi)容經(jīng)常被改寫(xiě)以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的實(shí)時(shí)控制。

　　由于受到8位數(shù)據(jù)接口的限制，數(shù)據(jù)需首先讀入六個(gè)臨時(shí)寄存器R0、R1…R5中，這些數(shù)據(jù)隨即被送入相應(yīng)的初始化寄存器或控制寄存器。新的數(shù)據(jù)只有在寫(xiě)入對(duì)應(yīng)的寄存器中時(shí)才能真正地發(fā)揮作用。

　　數(shù)據(jù)的傳送是通過(guò)寫(xiě)入虛擬寄存器的操作來(lái)實(shí)現(xiàn)的。如寫(xiě)寄存器R14是將初始化數(shù)據(jù)傳送到初始化寄存器中，寫(xiě)寄存器R15則是將控制數(shù)據(jù)傳送到控制寄存器中。 由于R14、R15并不是實(shí)際的寄存器，因此什么數(shù)據(jù)被寫(xiě)入并不重要，往這里寫(xiě)數(shù)據(jù)的操作才真正執(zhí)行往初始化寄存器或控制寄存器中傳送數(shù)據(jù)的操作。

　?。?）初始化寄存器的編程

　　初始化寄存器將確定如下參數(shù)：載波頻率，電源頻率范圍，脈沖延遲時(shí)間，脈沖取消時(shí)間，波形選擇，醫(yī)學(xué)治療儀專(zhuān)用變頻器的研制幅值控制，計(jì)數(shù)器復(fù)位（這個(gè)功能 可使SA4828內(nèi)部將調(diào)制頻率計(jì)數(shù)器置為0，此時(shí)禁止正常的頻率控制操作，每一相輸出占空比為50％的脈沖），軟件復(fù)位等。這些參數(shù)由相應(yīng)的控制字確 定，而這些控制字在送到32位初始化寄存器之前，先要分別送到4個(gè)8位寄存器R0、R1、R2和R3中。其內(nèi)容如表2所示：

　　表2寄存器內(nèi)容

　　注：不用的位（×）應(yīng)該寫(xiě)入0，這樣可與以后的產(chǎn)品保持代碼兼容。

　?、佥d波頻率選擇

　　R0中的CFS字稱(chēng)為載波頻率選擇字，設(shè)n為與CFS字相對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)，則實(shí)際載波頻率fc為：fc=

　　式中fk為外部時(shí)鐘頻率。

　　②輸出電源頻率范圍選擇

　　R0中的FRS字稱(chēng)為電源頻率范圍選擇字，設(shè)m為與FRS字相對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)，則實(shí)際的輸出電源頻率fr范圍為：fr=

　?、勖}沖延遲時(shí)間選擇

　　R2中的PDY字為脈沖延遲時(shí)間選擇字，設(shè)x為與PDY字相對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制值，則實(shí)際的脈沖延遲時(shí)間Tpdy由下式確定：Tpdy=

　?、苊}沖取消時(shí)間選擇

　　R1中的PDT字為脈沖取消時(shí)間選擇字，設(shè)y為與PDT字相對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制值，則實(shí)際的脈沖取消時(shí)間Tpdt由下式確定：Tpdt=

　　應(yīng)該指出的是，由于脈沖延遲電路跟在脈沖刪除電路之后（見(jiàn)圖3），故輸出的PWM脈沖的實(shí)際寬度將比設(shè)定的脈沖取消時(shí)間為窄，這個(gè)實(shí)際的脈沖寬度為T(mén)pdtTpdy。

　?、莶ㄐ芜x擇

　　R3中的WS1、WS0兩位用于確定輸出的電源波形，詳見(jiàn)表3。波形可由具體的數(shù)學(xué)表達(dá)式來(lái)表示，具體的形狀見(jiàn)圖4。

　　表3WS1、WSO確定的輸出電源波形

　　⑥幅值控制（AC）

　　R3中的幅值控制位（AC）定義了三相波形幅值的受控方式。當(dāng)AC=0（芯片默認(rèn)值）時(shí)，控制寄存器內(nèi)紅色相幅值，寄存器用于控制所有三相調(diào)制頻率的幅值。而當(dāng)AC=1時(shí)，采用三個(gè)獨(dú)立的幅值寄存器分別控制對(duì)應(yīng)相調(diào)制頻率的幅值。

　?、哂?jì)數(shù)器復(fù)位（CR）

　　當(dāng)R3中的計(jì)數(shù)器復(fù)位CR=1時(shí)，紅色相相位計(jì)數(shù)器設(shè)置為0，此時(shí)禁止正常的頻率控制操作，每一相輸出占空比為50％的脈沖。

　?、嘬浖?fù)位（RST）

　　R3中的RST=1時(shí)，將整個(gè)芯片復(fù)位為初始化默認(rèn)狀態(tài)，它的效果與硬件復(fù)位腳RST等同。

　　（2）控制寄存器的編程

　　控制寄存器（CR0~CR3）用于控制和確定處理器的操作模式以及當(dāng)前執(zhí)行任務(wù)的特性，如圖4-3所示。CR0中含有控制處理器操作模式和狀態(tài)的系統(tǒng)控制標(biāo)志；CR1保留不用；CR2含有導(dǎo)致頁(yè)錯(cuò)誤的線性地址；CR3中含有頁(yè)目錄表物理內(nèi)存基地址，因此該寄存器也被稱(chēng)為頁(yè)目錄基地址寄存器PDBR（Page-Directory Base address Register）。CR0的4個(gè)位：擴(kuò)展類(lèi)型位ET、任務(wù)切換位TS、仿真位EM和數(shù)學(xué)存在位MP用于控制80x86浮點(diǎn)（數(shù)學(xué)）協(xié)處理器的操作。有關(guān)協(xié)處理器的詳細(xì)說(shuō)明請(qǐng)參見(jiàn)第11章內(nèi)容。CR0的ET位（標(biāo)志）用于選擇與協(xié)處理器進(jìn)行通信所使用的協(xié)議，即指明系統(tǒng)中使用的是80387還是80287協(xié)處理器。TS、MP和EM位用于確定浮點(diǎn)指令或WAIT指令是否應(yīng)該產(chǎn)生一個(gè)設(shè)備不存在（Device Not Available,DNA）異常。這個(gè)異?？捎脕?lái)僅為使用浮點(diǎn)運(yùn)算的任務(wù)保存和恢復(fù)浮點(diǎn)寄存器。對(duì)于沒(méi)有使用浮點(diǎn)運(yùn)算的任務(wù)，這樣做可以加快它們之間的切換操作。

　　控制寄存器是一個(gè)48位寄存器，控制寄存器的數(shù)據(jù)以8位為一個(gè)單元分別讀入臨時(shí)寄存器R0～R5中，然后通過(guò)寫(xiě)虛擬寄存器R15將R0～R5中的數(shù)據(jù)

　　圖4SA4828的內(nèi)部調(diào)制波形

　　（a）正弦波（b）基波加三次諧波（c）帶有死區(qū)的基波加三次諧波

　  傳送到控制寄存器。其內(nèi)容如表4所示。

　?、匐娫搭l率選擇

　　輸 出電源頻率可在電源頻率范圍內(nèi)線性地調(diào)節(jié)，它由一個(gè)16位的電源頻率選擇字“PFS”決定，整個(gè)電源頻率范圍被劃分為65536等分。由于PFS字跨 越兩個(gè)臨時(shí)寄存器R0、R1，所以當(dāng)改變輸出電源頻率時(shí)，必須在寫(xiě)虛似寄存器R15之前同時(shí)刷新這兩個(gè)臨時(shí)寄存器的值。

　　電源頻率fp由下式?jīng)Q定：fp=Pfs

　　式中：Pfs為16位PFS選擇字的十進(jìn)制值。

　?、陔娫捶颠x擇

　　輸出電源的幅值正比于內(nèi)部ROM中的采樣值和8位幅值選擇字（RAMP、BAMP、YAMP）的值。幅值的百分比計(jì)算公式如下：APOWER=100％

　　式中：A為8位幅值選擇字的十進(jìn)制值。

　　值得注意的是，初始化寄存器中的幅值控制位（AC）決定了紅色相幅值寄存器的值是否用于控制所有的三相輸出幅值。

　?、壅?反轉(zhuǎn)選擇

　　三相PWM輸出的相位決定于R2中的F/R選擇位：

　　F/R=0正轉(zhuǎn)相序?yàn)榧t黃蘭；

　　F/R=1反轉(zhuǎn)相序?yàn)樘m黃紅。

　　在正反轉(zhuǎn)切換時(shí)，輸出波形仍保持連續(xù)。

　?、茌敵鼋惯x擇

　　當(dāng)R2中的輸出禁止位（INH）有效（為1）時(shí)，所有的PWM輸出變?yōu)榈碗娖綘顟B(tài)，而芯片內(nèi)部其他操作并不受影響。該位被釋放后所有的輸出立即恢復(fù)原狀。

　　需要注意的是，輸出禁止電路在脈沖刪除和脈寬延遲電路之后，因此在輸出禁止的初期有可能產(chǎn)生一些過(guò)窄的脈沖。

　　3.4SA4828芯片編程實(shí)例

　　本例的變頻器采用12.288MHz時(shí)鐘。初始化寄存器設(shè)計(jì)的具體參數(shù)如下：

　　載波頻率3kHz

　　電源頻率15Hz

　　脈沖取消時(shí)間10μs

　　脈寬延遲時(shí)間5μs

　　電源波形抑制了三次諧波的波形

　　幅值控制三相幅值對(duì)稱(chēng)

　?。?）初始化寄存器編程實(shí)例

　　①設(shè)定載波頻率由fc=得2n==8

　　則n=3R0中的CFS字為011H

　?、谠O(shè)定輸出電源頻率范圍由fr=2m得2m==2

　　則m=1，R0中的FRS字為001H。

　?、墼O(shè)定脈寬延遲時(shí)間由Tpdy==5μs

　　可得x=64－ （Tpdy×fc×512）=56.32

　　取整數(shù)56，則R2中的6位PDY字為111000H

　?、茉O(shè)定脈沖取消時(shí)間

　　由于實(shí)際輸出PWM脈沖的脈寬為T(mén)pdtTpdy，所以在設(shè)定脈沖取消時(shí)間時(shí)，應(yīng)加上脈寬延遲時(shí)間。

　　因此在本例中實(shí)際脈沖寬度應(yīng)為10μs＋5μs=15μs由Tpdt=

　　可得y=128－ （Tpdt×fc×512）

　　=128－（15.2×10－6×3×103×512）

　　≈104.65

　　取整數(shù)104，則R1中的PDT值為01101000H

　?、菰O(shè)定波形選擇，幅值控制等

　　選 擇輸出波形為基波加三次諧波，故WS1=0，WS0=1，無(wú)用戶輸出選擇，故OPT1=0， OPTO=0。設(shè)定幅值控制位AC=0，選擇三相平衡幅值控制方式，正常工作時(shí)計(jì)數(shù)器復(fù)位和軟件復(fù)位均無(wú)效，故 CR=RST=0。所以R3中的二進(jìn)制代碼為00000001。綜上所述，初始化寄存器中：

　　R0=0010001123H

　　R1=0110100068H

　　R2=0011100038H

　　R3=0000000101H

　?。?）控制寄存器編程實(shí)例

　　寄存器英文名稱(chēng)：Register寄存器是內(nèi)存階層中的頂端，也是系統(tǒng)獲得操作資料的快速途徑。寄存器通常都是以他們可以保存的位元數(shù)量來(lái)估量，舉例來(lái)說(shuō)，一個(gè) "8 位元寄存器"或 "32 位元寄存器".寄存器現(xiàn)在都以寄存器檔案的方式來(lái)實(shí)作，但是他們也可能使用單獨(dú)的正反器、高速的內(nèi)存、薄膜內(nèi)存以及在數(shù)種機(jī)器上的其他方式來(lái)實(shí)作出來(lái)。寄存器通常都用來(lái)意指由一個(gè)指令之輸出或輸入可以直接索引到的暫存器群組。更適當(dāng)?shù)氖欠Q(chēng)他們?yōu)?"架構(gòu)寄存器".例如，x86 指令集定義八個(gè) 32 位元寄存器的集合，但一個(gè)實(shí)作 x86 指令集的 CPU 可以包含比八個(gè)更多的寄存器。寄存器是CPU內(nèi)部的元件，寄存器擁有非常高的讀寫(xiě)速度，所以在寄存器之間的數(shù)據(jù)傳送非?？?。

　　根據(jù)治療儀控制的具體要求，變頻器輸出頻率不超過(guò)10Hz，相應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為280r/min。由于輸出頻率需要隨時(shí)調(diào)整，利用80C196KC單片機(jī)的 模擬量輸入通道CH0，輸入經(jīng)5.1kΩ電阻和10kΩ電位器將＋5V電源電壓分壓后提供的電壓信號(hào)。80C196KC的模擬量轉(zhuǎn)換為10位，給分壓 電位器提供的電壓約3.3V左右，采樣碼為680。由于SA4828的輸出電源頻率為16位，必須將10位采樣值左移6位，然后將其低位送入臨時(shí) 寄存器R0，高位則送入R1。

　　由于采用VVVF控制，幅值與電源頻率成正比，可得頻率設(shè)定電位器的采樣值，A×15/50，再右移2位后送入臨時(shí)寄存器R3。由于采用三相平衡幅值，R4、R5可以不賦值。

　　輸出禁止無(wú)效，故INH=0，正反轉(zhuǎn)F/R是周期性改變的，開(kāi)始半擺為正轉(zhuǎn)，F(xiàn)/R=0，故R2=0，以后每次要改變方向時(shí)，將R2的D0位取反即可。

　　擺幅控制則可通過(guò)一只10kΩ電位器將＋5V電源電壓分壓后送入80C196KC的模擬量輸入通道CH1實(shí)現(xiàn)。

　　4治療儀控制功能的實(shí)現(xiàn)

　　4.1失速控制

　　通過(guò)將SA4828的調(diào)制頻率設(shè)定為10Hz，其轉(zhuǎn)速為280r/min，稍高于250r/min，留有一定的調(diào)節(jié)余量。

　　4.2擺幅控制

　　當(dāng)電機(jī)以轉(zhuǎn)速250r/min旋轉(zhuǎn)時(shí)，經(jīng)1/50減速器后，轉(zhuǎn)速為5r/min=1800°/min=30°/s。100°/（30°/s）=3.33s。200°/（30°/s）=6.67s。若以100ms為控制周期，則全擺幅周期T為：T=67×

　　式中：t為擺幅輸入采樣值；

　　f則為轉(zhuǎn)速輸入采樣值。

　　剛開(kāi)始的次擺動(dòng)應(yīng)從中間開(kāi)始正轉(zhuǎn)，故T1=T/2。經(jīng)過(guò)以上處理，就將位置控制變成了定時(shí)時(shí)間控制，不僅省去了不易調(diào)整的位置開(kāi)關(guān)，也使轉(zhuǎn)速及擺幅的控 制方便多了。通過(guò)兩只電位器就可實(shí)現(xiàn)快速、便捷的控制。停車(chē)時(shí)，由操作人員根據(jù)目測(cè)，到中心位置時(shí)按下轉(zhuǎn)/停開(kāi)關(guān)即可準(zhǔn)確停車(chē)，且每次轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)均從中心位置 開(kāi)始正轉(zhuǎn)半幅，然后全幅往復(fù)運(yùn)行。由于通過(guò)SA4828實(shí)現(xiàn)了0Hz直流制功，即實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確停車(chē)，又不會(huì)將電機(jī)制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的再生能量反饋回直流環(huán)節(jié)的極性 電容，避免了泵升電壓的產(chǎn)生。

　　5結(jié)論

　?。?）用SA4828設(shè)計(jì)的變頻器，接口簡(jiǎn)單，功能強(qiáng)，控制高，使用方便，能構(gòu)成高性能的變頻調(diào)速系統(tǒng)，SA系列PWM控制器在變頻調(diào)速領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。

　?。?）16位單片機(jī)控制提高了系統(tǒng)的智能化，控制速度快，系統(tǒng)性能改變方便，控制、保護(hù)、人機(jī)界面功能強(qiáng)。

　?。?）通過(guò)在醫(yī)學(xué)治療儀上的實(shí)際應(yīng)用證明，變頻控制系統(tǒng)工作安全可靠，頻率控制及穩(wěn)定度高，輸出諧波含量小，低速運(yùn)行特性好，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，停車(chē)準(zhǔn)確、迅速。轉(zhuǎn)速及擺幅調(diào)節(jié)極其方便。作為特殊應(yīng)用的專(zhuān)用變頻器設(shè)計(jì)，具有推廣價(jià)值。