一、引言

醫用電動鉆廣泛應用于骨科醫療手術中，在電動鉆的使用過程中，電機損壞是醫用電動鉆的主要故障，醫用電動鉆的電機損壞主要由3 個原因造成的，1）長時間堵轉，出現大電流而燒毀電機；2）長時間過載造成電機過熱而燒毀電機；3）正轉與反轉的連續切換容易出現大電流而燒毀電機。本文將重點介紹電鉆的電機保護技術。

電鉆調速是電鉆的另一個重要技術，常見的調速有PWM 調速和調壓調速，文就采用的是PWM 調速，但PWM 調速需要系統的轉動慣量比較大，才能保證轉動平穩，而一般的醫用電動鉆不能帶一個很大的飛輪來增大轉動慣量，所以采用調壓調速比較合適，電鉆轉速檢測、調壓電路設計是本文介紹的另一重點。

二、控制器的基本功能與總體設計

本控制器除具有電機保護外，還有其他功能十分豐富，具體如下：1）可實時顯示電機的轉速；2）可設置電鉆的轉速并具有無級調速功能；3）有過載報警指示；4）可用手或者腳控制電鉆的啟動與停止。5）有正反轉指示；6）有過載指示。系統的總體設計框圖如圖1所示。

圖1 系統總體設計框圖

三、電機保護設計

電機驅動控制與保護電路如圖 2 所示，本系統采用4 只MOSFET 驅動電鉆，Q1 和Q3 為P溝道MOSFET，Q2 和Q4 為N 溝道MOSFET，在選擇MOSFET 時，要注意選擇漏源通態電阻基本相等MOSFET，且每個MOSFET 上都要安裝散熱器，這樣可保證當電機堵轉時，各MOSFET 上產生熱量比較平衡，不至于因其中一只MOSFET 過熱而損壞。微處理器通過Q1_ctrl，Q2_ctrl，Q3_ctrl，Q4_ctrl 經過光電隔離控制電機的啟動、停止與正反轉。為了可靠保護電機，本系統采用多級保護。

由于醫生在手術中希望進度快，使用電鉆當用力過猛，則會出現過載，甚至堵轉停止，此時為保護電機，電路中采用了康銅絲Rx 與數個運算放大器構成了電機電流檢測電路，所檢測到的模擬信號送到所述微處理器的AD 通道中，微處理器定時檢測電機電流，當電鉆堵轉時，電機電流達到最大，通過程序設計采用類似“打嗝”技術，即采用定時器定時檢測電機電流。當堵轉時，電機電流超過設定電流上限一段時間后，微處理器通過控制電機驅動與保護電路切斷電機電流，進入暫停等待，等待一定時間后再次啟動電機，如此循環，可解決堵轉問題。

短時間過載是允許的，但長時間的過載同樣會使電機發熱而燒毀電機。由于一般電機中無溫度傳感器，溫度檢測不方便，但電機溫度與驅動電路MOSFET 的散熱器溫度存在對應關系。即過載時，電機溫度升高，MOSFET 的散熱器溫度也會升高，在MOSFET 的散熱器旁裝一溫度傳感器，通過檢測驅動電路MOSFET 的散熱器溫度就可檢測出電機的溫度。當該溫度超過一定限度時，先發過載警告，提醒用戶應減小負載，如果用戶不理會警告，負載不減小，則一段時間后控制器自動停止電機，解決過載問題。

當電機正反轉切換時，容易出現大電流而燒毀電機。本系統采用軟件控制延時技術，即當電機在正反轉切換時，插入一定的時間延時，當電機完全停止后再換向，可避免換向出現大電流而燒毀電機。

為更可靠，在電機控制電路的電源中串接自恢復保險絲F1，當電機電流過大且其他保護失效時，可通過自恢復保險絲切斷電源以保護電機。

圖 2 電機驅動控制與保護電路

四、電鉆轉速調節

對采用直流電機驅動的電鉆而言，為調節電鉆轉速，常見有調壓調速和 PWM 調速，PWM調速簡單，但不平穩，實際應用中為保證轉速平穩，一般采用飛輪等增加轉動慣量，但這對小巧輕便的醫用設備而言不現實，所以采用調節電壓的方式調速比較合適，常見的永磁直流電機的電壓與轉速的關系式如下：

根據直流電機換向理論可知，在換向時，電刷會在換向片間滑動，接通和短路某些元件，因此電樞回路的電勢是變化的，這將造成供電電源與電機構成的回路電流發生周期性的脈動。而且，可以推出，對于同一型號電機，換向片數固定，極對數固定，電流的換向脈動頻率與電機轉速之間的關系如下:

式中，n為電機轉速(r/min)；f為電流脈動頻率（Hz）；k為換向片數,c為由換向片數的奇偶所決定的系數，k為偶數時，c=1，為奇數時c=2，p為極對數。

圖2 電機驅動控制與保護電路中MOTOR_I 輸出的信號，既包含有電機電流的大小，又包含有周期性的脈動信號，此信號經變換處理后，一路變成檢測電機電流信號，另一路變成檢測轉速的頻率信號，通過相關程序，即可檢測電機轉速，調速框圖如圖3 所示。

圖 3 電機調速框圖

五、電源電壓調節電路

自動調節電機驅動電壓是解決問題的關鍵，由于開關電源效率高，系統采用開關電源供電，開關電源的設計這里就不介紹了，下面重點介紹開關電源的輸出電壓的自動調節方法。一般的開關電源都采用電壓反饋電路控制輸出電壓，如圖4 所示。

圖4 常見開關電源電壓調節電路

開關電源輸出電壓通過集成穩壓器 TL431 和光電耦合器反饋作用，調節R1 和R2 的分壓比可設定和調節開關電源的輸出電壓，如果輸出電壓Uo 升高，集成穩壓器TL431 的陰極到陽極的電流增大，使光電耦合器輸出的三極管電流增大，再通過其他調節電路，使開關電源的輸出電壓Uo 減小。輸出電壓Uo 與R1 和R2 的關系式如下：

為實現開關電源輸出電壓的自動調節，可將圖4 中的電阻R2 用一固定電阻和一數字電位器串聯，如圖5 所示，實現開關電源輸出電壓的自動調節，圖5 中的CAT5113 為數字電位器，P1.0、P1.1 和P1.2 為微處理器的控制端，對CAT5113 輸出的電阻進行自動調節。

圖5 自動調壓電路

六、結論

本文的創新之處有：采用多種措施保護了電機，即1）采用類似“打嗝”技術處理電機堵轉對電機的損壞；2）采用檢測散熱器溫度技術來監測電機是否過熱；3）采用軟件延時來控制正反轉切換時大電流對電機的損壞。另外，本控制器采用了開關電源調壓技術并配合智能算法實現電鉆大范圍無級調速。