医用电动钻控制器的设计方案
摘要：过载和堵转是医用电动钻等电动工具损坏的常见原因.本文设计出多重保护电路，并配合相关的软件，能有效防止电机的损坏，该技术成功应用到医用电动钻控制器设计中，也可推广到其他电动工具的设计中。
一、引言
医用电动钻广泛应用于骨科医疗手术中，在电动钻的使用过程中，电机损坏是医用电动钻的主要故障，医用电动钻的电机损坏主要由3 个原因造成的，1）长时间堵转，出现大电流而烧毁电机；2）长时间过载造成电机过热而烧毁电机；3）正转与反转的连续切换容易出现大电流而烧毁电机。本文将重点介绍电钻的电机保护技术。
电钻调速是电钻的另一个重要技术，常见的调速有PWM 调速和调压调速，文[1]就采用的是PWM 调速，但PWM 调速需要系统的转动惯量比较大，才能保证转动平稳，而一般的医用电动钻不能带一个很大的飞轮来增大转动惯量，所以采用调压调速比较合适，电钻转速检测、调压电路设计是本文介绍的另一重点。
二、控制器的基本功能与总体设计
本控制器除具有电机保护外，还有其他功能十分丰富，具体如下：1）可实时显示电机的转速；2）可设置电钻的转速并具有无级调速功能；3）有过载报警指示；4）可用手或者脚控制电钻的启动与停止。5）有正反转指示；6）有过载指示。系统的总体设计框图如图1所示。
三、电机保护设计
电机驱动控制与保护电路如图 2 所示，本系统采用4 只MOSFET驱动电钻，Q1 和Q3 为P沟道MOSFET，Q2 和Q4 为N 沟道MOSFET，在选择MOSFET 时，要注意选择漏源通态电阻基本相等MOSFET，且每个MOSFET 上都要安装散热器，这样可保证当电机堵转时，各MOSFET 上产生热量比较平衡，不至于因其中一只MOSFET 过热而损坏。微处理器通过Q1_ctrl，Q2_ctrl，Q3_ctrl，Q4_ctrl 经过光电隔离控制电机的启动、停止与正反转。为了可靠保护电机，本系统采用多级保护。
由于医生在手术中希望进度快，使用电钻当用力过猛，则会出现过载，甚至堵转停止，此时为保护电机，电路中采用了康铜丝Rx 与数个运算放大器构成了电机电流检测电路，所检测到的模拟信号送到所述微处理器的AD通道中，微处理器定时检测电机电流，当电钻堵转时，电机电流达到最大，通过程序设计采用类似“打嗝”技术，即采用定时器定时检测电机电流。当堵转时，电机电流超过设定电流上限一段时间后，微处理器通过控制电机驱动与保护电路切断电机电流，进入暂停等待，等待一定时间后再次启动电机，如此循环，可解决堵转问题。
短时间过载是允许的，但长时间的过载同样会使电机发热而烧毁电机。由于一般电机中无温度传感器，温度检测不方便，但电机温度与驱动电路MOSFET 的散热器温度存在对应关系。即过载时，电机温度升高，MOSFET 的散热器温度也会升高，在MOSFET 的散热器旁装一温度传感器，通过检测驱动电路MOSFET 的散热器温度就可检测出电机的温度。当该温度超过一定限度时，先发过载警告，提醒用户应减小负载，如果用户不理会警告，负载不减小，则一段时间后控制器自动停止电机，解决过载问题。
当电机正反转切换时，容易出现大电流而烧毁电机。本系统采用软件控制延时技术，即当电机在正反转切换时，插入一定的时间延时，当电机完全停止后再换向，可避免换向出现大电流而烧毁电机。
