[发明专利]一种关节镜动力刨削控制系统及其方法

说明书

本发明属于电机控制技术以及医疗机械领域，具体地说，是一种关节镜动力刨削控制系统及其方法，控制系统包括串口屏控制模块、手柄按键控制模块、脚踏控制模块、转速调节模块、转矩调节模块、ADRC控制模块、MPC电流调节模块、Park变换模块、Clark变换模块、速度和转子角度计算模块、直流电源模块、逆变电路模块、手柄电机模块。本发明控制系统及其工作方法适用于骨科关节镜手术，刨削动力系统对于提高外科医生手术的成功率以及减轻患者的痛苦具有十分重要的意义，该控制系统及其方法可以通过串口屏调整转速以及运行模式，对不同软骨组织进行刨削。

技术领域

本发明属于电机控制技术以及医疗机械领域，具体地说，是一种关节镜动力刨削控制系统及其方法。

背景技术

当前，骨科医疗技术日益进步，骨科医疗器械销售市场快速扩大其器械工业产值迅速提高，但由于发展时间较短，基础较薄弱，尤其在技术密集的高端骨科医疗器械领域，如关节镜动力刨削系统，目前仍然主要由国外进口医疗设备占领，国产骨科医疗器械产业亟需掌握更多高端医疗器械自主知识产权和技术创新。动力刨削系统作为一款骨科医疗手术常用的产品，手柄电机是其核心组成部分，手柄电机选用直流无刷电机，手柄电机作为动力刨削系统的核心元件，其稳速控制性能影响着动力刨削系统的工作性能，无刷直流电机因其体积小，性能高，在医疗产品中应用广泛。

随着智能技术的不断发展，高难度的手术需要精密的医疗器械进行数字化操作，例如脑颅手术、骨科等高精度手术，需要手术刀无振动稳定操作，因此，刨削动力系统对于提高外科医生手术的成功率以及减轻患者的痛苦具有十分重要的意义。为了提高手柄电机的稳速精度，速度环采用自抗扰控制替代传统PI速度环控制，减小速度环的输出波动；同时，电流环采用模型预测控制替代传统PI电流环控制，改善扰动时系统的响应速度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种关节镜动力刨削控制系统及其方法，利用脚踏开关、手柄电机按键，串口屏模块控制手柄电机的运行，该系统的控制算法速度外环采用ADRC控制器，电流内环采用MPC电流调节器，从而保证了手柄电机的稳速精度。

本发明采用的具体技术方案如下：

一种关节镜动力刨削控制系统，该系统包括转串口屏控制模块、手柄按键控制模块、脚踏控制模块、STM32主控芯片、直流电源模块、逆变电路模块、手柄电机模块、转速调节模块、转矩调节模块、MPC电流调节模块、有限级控制模块、最小化成本函数模块、矢量选择及持续时间计算模块、ADRC控制模块、TD模块、ESO模块、NLSEF模块、速度和转子角度计算模块、Park变换模块和Clark变换模块。

在上述模块中，串口屏控制模块可设定转速参考值以及手柄电机的摆动模式；手柄按键控制模块输出信号控制手柄电机的运动模式；脚踏开关模块的输出信号控制手柄电机的运动模式；STM32主控芯片模块获取设定信号，在STM32内部进行逻辑算法运算；直流电源模块的输入为整个硬件电路模块供电；逆变电路模块由6只功率MOSFET组成,每两只对应了一组半桥电路,通过输出脉宽调制信号来实现驱动电机。手柄电机选取直流无刷电机，为星型连接接法；转速调节模块的输入为转速实际值，输出为转矩调节值；电流转换模块的输入为转矩调节值，输出为q轴电流给定值；MPC电流调节模块的输入采用的是i_d＝0控制方法，和其他方法比较，控制方法能够快速响应，并且精确简单，易于实现所述有限集控制模块在最小化成本函数模块计算下对dq轴电流的矢量选择模块及持续时间模块进行计算。ADRC控制器模块由跟踪微分器模块，扩张状态观察器(ESO)模块，非线性状态误差反馈率(NLSEF)模块构成；速度和转子角度计算模块的通过手柄电机内部霍尔传感器计算出速度和转子角度的实际值；Park变换模块及Clarke变换得到相对于转子参考系为静止的旋转坐标系下的dq轴实际电流。

本发明还披露了一种关节镜动力刨削控制系统及其方法，包括下述步骤：

步骤一：经直流电源供电后，通过手柄按键控制模块或者脚踏开关模块，在控制信号传送至STM32主控芯片，控制整个控制系统的运行；