CN113765439A - 高转速手柄的制动方法及控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高转速手柄的制动方法及控制器，该方法包括:检测高转速手柄的驱动开关是否完全抬起；当检测到驱动开关完全抬起时，检测高转速手柄的电机是否停止旋转；当电机未停止旋转时，切换高转速手柄驱动电路的驱动状态，以抵消电机的动能，完成高转速手柄的制动。本发明采用短接制动方式，使得高转速手柄无需增加机械部件和硬件电路来实现制动，减轻了高转速手柄重量，简化了电路。

Description

高转速手柄的制动方法及控制器

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，尤其涉及一种高转速手柄的制动方法及控制器。

背景技术

在脊柱外科、骨科和神经外科手术中，需要通过转动手术刀以刨削、磨削的方式对病变的骨组织等进行磨切操作及开放内通道；因此需要驱动刀头旋转并且具有一定的可操作性，从而需配有控制主机和将动力传递至刀头的手柄，控制主机通过控制内设于动力手柄的电动机对刀头进行驱动并实现控制，以顺利完成手术过程。

然而在手术完成后，由于动力手柄处于高速旋转的情况，及时在切断动力手柄的供电后，在惯性的作用下，手柄并不能够立即停止旋转，进而极易对患者造成二次伤害，同样会威胁到使用者的安全。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种高转速手柄的制动方法及控制器，以解决现有技术中，手柄在使用完成后，无法快速制动的问题。

为了解决上述技术问题，根据本发明一方面，提供了一种高转速手柄的制动方法，包括:

检测高转速手柄的驱动开关是否完全抬起；

当检测到所述驱动开关完全抬起时，检测所述高转速手柄的电机是否停止旋转；

当所述电机未停止旋转时，切换高转速手柄驱动电路的驱动状态，以抵消所述电机的动能，完成所述高转速手柄的制动。

进一步地，所述当所述电机未停止旋转时，切换高速手柄驱动电路的驱动状态的步骤，包括：

关闭所述驱动电路的上桥臂；

根据PWM初始占空比控制通过所述驱动电路的下桥臂输出至所述电机的电流，以通过所述下桥臂短接制动。

进一步地，所述当所述电机未停止旋转时，切换高转速手柄驱动电路的驱动状态的步骤，还包括：

当检测到所述驱动开关完全抬起时，判断所述驱动开关是否为首次完全抬起；

若是，则根据所述高转速手柄的第一当前转速，设定所述PWM初始占空比。

进一步地，高转速手柄的制动方法，还包括：

在通过所述下桥臂短接制动时，检测所述电机的当前电流值；

根据所述当前电流值的大小调整所述PWM初始占空比，以调节所述电机的当前电流值。

进一步地，所述根据所述当前电流值的大小调整所述PWM初始占空比，以调节所述电机的当前电流值的步骤，包括：

在所述当前电流值大于第一预设电流时，减小所述PWM初始占空比；

在所述当前电流值小于第二预设电流时，增加所述PWM初始占空比。

进一步地，高转速手柄的制动方法，还包括：

当检测到所述驱动开关处于抬起过程中时，检测所述驱动开关的当前输入电平；

根据所述当前输入电平确定出所述电机的预设转速；

获取所述电机的第二当前转速，并根据所述预设转速与所述当前转速的速度差值，确定所述电机是否减速。

进一步地，高转速手柄的制动方法，还包括：

当确定所述电机需进行减速时，根据所述速度差值采用PID算法计算PWM占空比；

根据所述PWM占空比控制所述电机的转速。

进一步地，所述当确定所述电机进行减速时，根据所述速度差值采用PID算法计算PWM占空比的步骤，包括：

根据所述速度差值计算比例项P、积分项I和微分项D，以得到PID值；

结合所述PID值、PWM频率和控制器的频率换算所述PWM占空比。

进一步地，所述控制器设定为1ms定时中断。

根据本发明另一方面，提供了一种控制器，其包括存储器与处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述程序在被所述处理器执行时能够实现上述任一项所述的高转速手柄的制动方法的步骤。

本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。借由上述技术方案，本发明一种高转速手柄的制动方法及控制器可达到相当的技术进步性及实用性，并具有产业上的广泛利用价值，其至少具有下列优点：

（一）手柄在高转速运行状态下，在抬起驱动开关后，能够快速的实现高转速手柄的制动，避免对患者造成二次伤害，有效地保护患者和使用者的安全。

（二）采用短接制动方式，使得高转速手柄无需增加机械部件和硬件电路即可实现制动。

（三）通过PWM方式控制在制动过程中的瞬间大电流，有效地避免了产生的大电流损坏电流元器件的风险。

（四）采用PID算法来控制高转速手柄的减速，通过短接制动的方式来实现高转速手柄的制动，两者的结合能够使得高转速手柄平稳制动，避免了在制动过程中高转速手柄在制动过程中剧烈抖动对患者造成二次伤害的风险。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图,详细说明如下。

附图说明

图1示出了本发明一实施例的高转速手柄的制动方法的流程示意图；

图2示出了本发明另一实施例的高转速手柄的制动方法第一阶段的流程示意图；

图3示出了本发明另一实施例的高转速手柄的制动方法第二阶段的流程示意图；

图4示出了本发明一实施例中高转速手柄驱动电路的拓扑图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种高转速手柄的制动方法及控制器的具体实施方式及其功效，详细说明如后。

本发明实施例提供了一种基高转速手柄的制动方法，如图1所示，包括：

步骤S10，检测高转速手柄的驱动开关是否完全抬起。

在高转速手柄的使用过程中，通常情况下会通过脚踏开关来控制高转速手柄的开启、关闭及调速等。当脚踏开关被踩下时，则开启高转速手柄；在脚踏开关被完全抬起时，则关闭高转速手柄的运行。当然，高转速手柄的开关，也可以设置为其他形式的驱动开关，例如是在手柄上设置按压开关等，本发明并不以此为限。

因此，在对高转速手柄进行制动前，首先要判断高转速手柄的驱动开关是否被完全抬起，即是否关闭了高转速手柄的运行。

步骤S11，当检测到驱动开关完全抬起时，检测高转速手柄的电机是否停止旋转。

在高转速手柄的使用过程中，根据使用需求的不同，所需要的转速也不相同，转速的控制通过驱动开关被按下或踩下的程度进行控制。在转速较低的使用状态下，当用户抬起驱动开关后，由于转速低，高转速手柄的惯性小，其很快就可以停止转动，此时则无需在进行单独的制动控制。

因此，在检测到高转速手柄的驱动开关完全抬起后，需要进一步检测高转速手柄的电机是否已经停止了旋转。如是，则无需进行任何处理即可。若在驱动开关完全抬起后，高转速手柄的电机未停止旋转，则需要对电机进行制动。此时，需要执行步骤S12。

步骤S12，当电机未停止旋转时，切换高转速手柄驱动电路的驱动状态，以抵消高转速手柄的动能，完成高转速手柄的制动。

可知的是，当高速旋转的电机停止供电后，在惯性的作用下，其仍存在动能驱动电机继续旋转。惯用的方式是增加机械结构来实现制动，即通过摩擦力使得电机快速停止旋转。然后，机械结构的增加同样需要增加驱动电路来驱动该机械结构。

而本发明则仅需改变高转速手柄的驱动电路的驱动状态，即可抵消高转速手柄的电机在惯性作用下产生的动能，进而使得电机停止旋转，完成对高转速手柄的制动。

在一实施例中，在高转速手柄的驱动开关完全抬起后，检测到高转速手柄的电机仍未停止旋转。此时，控制关闭高转速手柄的驱动电路的上桥臂，即断开对高转速手柄的供电，而后，根据提前设定的PWM初始占空比来控制输入高转速手柄的电机的电流，该电流通过下桥臂输入至高转速手柄的电机，以通过驱动电路的下桥臂短接制动。

具体地，在切断高转速手柄的电机的电流后，电机在惯性作用下会继续旋转，此时电机则成为了发电机，旋转过程会产生电流。而通过下桥臂对电机输入电流，则会抵消掉电机旋转产生的电流，进而达到制动的效果。换一种说法是，当驱动电路通过下桥臂将电流输入至电机后，电机会产生一个反向旋转的力，进而通过该反向旋转的力抵消因惯性产生的驱动电机旋转的力，以此来达到制动的效果。

在一实施例中，为了保证通过下桥臂输入电机的电流能够刚好抵消电机在惯性作用的动能。在检测到驱动开关完全抬起，并且高转速手柄的电机未停止旋转时，判断该驱动开关是否是首次完全抬起。若驱动开关为首次完全抬起，则检测在驱动开关完全抬起后，高转速手柄的电机的当前转速，进而根据该当前转速设定出PWM初始占空比。

在一实施例中，在通过驱动电路的下桥臂进行短接制动时，实时检测高转速手柄的电机的当前电流值。进而根据该当前电流值调整提前设定的PWM初始占空比，以根据调整后的PWM初始占空比来调节电机的当前电流。

具体地，当电机的当前电流值大于第一预设电流时，则减小PWM初始占空比，进而减小通过下桥臂输入电机的当前电流值，以防止电机过热。当电机的当前电流值小于第二预设电流时，则增加PWM初始占空比，进而增大通过下桥臂输入电机的当前电流值，以提高制动效率。

为了能够使得高转速手柄平稳的减速直至停止旋转，在驱动开关抬起的过程中，实时进行转速的降低。

在一实施例中，在检测到高转速手柄的驱动开关在抬起过程中时，检测驱动开关的当前输入电平。根据驱动开关的当前输入电平确定出该当前输入电平所对应的电机的预设转速。获取高转速手柄的电机的第二当前转速，计算当前输入电平所对应的电机的预设转速与第二当前转速之间的速度差值，根据该速度差值来确定是否需要对电机进行减速。

进一步地，当根据速度差值确定需要对电机进行减速时，根据该速度差值采用PID算法计算PWM占空比。

具体地，根据该速度差值计算比例项P、积分项I和微分项D，以得到PID值，进而结合PID值、PWM频率和控制器的频率换算PWM占空比。

进一步地，在换算出PWM占空比后，根据PWM占空比控制所述电机的转速，以实现对电机减速的目的。

在一实施例中，控制器设定1m定时中断。以使得能够快速的实现通过PID算法进行高转速手柄的电机的减速。

在一具体实施例中，如图2和图3所示，提供了一种高转速手柄的制动方法。

高速手柄的制动由2阶段组成。第一阶段是在松开脚踏开关的过程中，通过PID算法，减小PWM的脉宽（相当于减小PWM占空比），使电机转速下降。第二阶段，脚踏开关完全松开后，关断3个上桥臂驱动，对3个下桥臂采用PWM进行短接制动。

具体的，脚踏的状态判断在主程序中进行；电机的PWM驱动时序由电机的位置传感器信号中断程序进行处理；电机的调速由定时器中断程序处理。定时间隔的选取根据电机调速的量程、响应时间、调速的平稳性等多种参数综合考量，间隔越短，响应越快。

具体的，如图2所示，第一阶段包括：

步骤S20，检测踏板开关（即驱动开关）是否抬起，若是则执行步骤S21，否则返回主循环继续检测踏板开关是否抬起。

步骤S21，通过PID算法减小PWM脉宽。

具体地，检测到脚踏开关的输入电平后，换算为与输入电平对应的设定速度，计算与高转速手柄的电机的实时速度（即第二当前转速）之差，得到速度差值，根据速度差值判断电机是否应减速。

根据速度差值，计算比例项P、积分项I和微分项D。通过PID值，计算PWM占空比；然后根据PWM的频率、微电脑控制器的主频等相关参数换算为PWM的值。

本实施例采用1ms定时中断，能够快速实现PID减速。

步骤S22，检测脚踏开关是否完全抬起，若是，则执行步骤S23，否则返回主循环。

步骤S23，检测电机转速是否为零，如否，则执行步骤S24，否则返回主循环。

步骤S24，调用制动子程序。

如图3所示，第二阶段包括：

步骤S30，判断是否为首次制动，若是，则执行步骤S31，否则执行步骤S32。

步骤S31，设定PWM初始占空比。

具体的，当检测到脚踏开关完全松开后，启动制动子程序。如果是首次启动制动，根据高转速手柄的电机的当前的速度（即第一当前转速）设定PWM初始占空比。

步骤S32，设定上桥臂关闭，下桥臂为PWM模式。

具体地，关闭高转速手柄的驱动电路（如图4所示）的三个上桥臂，而后根据PWM初始占空比控制三个下桥臂向电机输出电流。

步骤33，检测电机电流是否过大，若是，则执行步骤S34，否则执行步骤S35。

步骤S34，减小PWM初始占空比。

步骤S35，检测电机电流是否过小，若是，则执行步骤S36，否则制动结束子程序。

步骤S36，增大PWM初始占空比。

具体地，在制动过程中实时检测电机电流，如果过流，则减小PWM占空比，防止电机过热；反之，如果电流很小，可增加PWM占空比，提高制动效率。

本发明实施例提供了一种控制器，其包括存储器与处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述程序在被所述处理器执行时能够实现上述任一实施例的高转速手柄的制动方法的步骤。

本发明的方法，手柄在高转速运行状态下，在抬起驱动开关后，能够快速的实现高转速手柄的制动，减少在使用过程中对患者的二次伤害，能够有效地保护患者和使用者的安全。采用短接自动方式，使得高转速手柄无需增加机械部件和硬件电路来实现制动。通过PWM方式控制在制动过程中的瞬间大电流，有效地避免了产生的大电流损坏电流元器件的风险。采用PID算法来控制高转速手柄的减速，通过短接制动的方式来实现高转速手柄的制动，两者的结合能够使得高转速手柄平稳制动，避免了在制动过程中高转速手柄在制动过程中剧烈抖动对患者造成二次伤害的风险。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种高转速手柄的制动方法，其特征在于，包括：

检测高转速手柄的驱动开关是否完全抬起；

当检测到所述驱动开关完全抬起时，检测所述高转速手柄的电机是否停止旋转；

当所述电机未停止旋转时，切换高转速手柄驱动电路的驱动状态，以抵消所述电机的动能，完成所述高转速手柄的制动。

2.根据权利要求1所述的高转速手柄的制动方法，其特征在于，所述当所述电机未停止旋转时，切换高速手柄驱动电路的驱动状态的步骤，包括：

关闭所述驱动电路的上桥臂；

根据PWM初始占空比控制通过所述驱动电路的下桥臂输出至所述电机的电流，以通过所述下桥臂短接制动。

3.根据权利要求2所述的高转速手柄的制动方法，其特征在于，所述当所述电机未停止旋转时，切换高转速手柄驱动电路的驱动状态的步骤，还包括：

当检测到所述驱动开关完全抬起时，判断所述驱动开关是否为首次完全抬起；

若是，则根据所述高转速手柄的第一当前转速，设定所述PWM初始占空比。

4.根据权利要求2所述的高转速手柄的制动方法，其特征在于，还包括：

在通过所述下桥臂短接制动时，检测所述电机的当前电流值；

根据所述当前电流值的大小调整所述PWM初始占空比，以调节所述电机的当前电流值。

5.根据权利要求4所述的高转速手柄的制动方法，其特征在于，所述根据所述当前电流值的大小调整所述PWM初始占空比，以调节所述电机的当前电流值的步骤，包括：

在所述当前电流值大于第一预设电流时，减小所述PWM初始占空比；

在所述当前电流值小于第二预设电流时，增加所述PWM初始占空比。

6.根据权利要求1所述的高转速手柄的制动方法，其特征在于，还包括：

当检测到所述驱动开关处于抬起过程中时，检测所述驱动开关的当前输入电平；

根据所述当前输入电平确定出所述电机的预设转速；

获取所述电机的第二当前转速，并根据所述预设转速与所述当前转速的速度差值，确定所述电机是否减速。

7.根据权利要求6所述的高转速手柄的制动方法，其特征在于，还包括：

当确定所述电机需进行减速时，根据所述速度差值采用PID算法计算PWM占空比；

根据所述PWM占空比控制所述电机的转速。

8.根据权利要求7所述的高转速手柄的制动方法，其特征在于，所述当确定所述电机进行减速时，根据所述速度差值采用PID算法计算PWM占空比的步骤，包括：

根据所述速度差值计算比例项P、积分项I和微分项D，以得到PID值；

结合所述PID值、PWM频率和控制器的频率换算所述PWM占空比。

9.根据权利要求8所述的高转速手柄的制动方法，其特征在于，所述控制器设定为1ms定时中断。

10.一种控制器，其包括存储器与处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述程序在被所述处理器执行时能够实现权利要求1-9中任一项所述的高转速手柄的制动方法的步骤。

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