[發明專利]一種關節鏡動力刨削控制系統及其方法

在審

• 申請號: 202310070890.2
• 申請日: 2023-02-07
• 公開（公告）號: CN116155154A
• 公開（公告）日: 2023-05-23
• 發明（設計）人: 袁偉;周啟明;蘇貞;齊亮;楊奕飛
• 申請（專利權）人: 江蘇科技大學
• 主分類號: H02P21/00
• 分類號: H02P21/00;A61B17/16;H02P21/13;H02P21/22;H02P25/02;H02P6/06;H02P6/08;H02P6/28;H02P6/30
• 代理公司: 南京正聯知識產權代理有限公司 32243
• 代理人: 李寰

本發明屬于電機控制技術以及醫療機械領域，具體地說，是一種關節鏡動力刨削控制系統及其方法，控制系統包括串口屏控制模塊、手柄按鍵控制模塊、腳踏控制模塊、轉速調節模塊、轉矩調節模塊、ADRC控制模塊、MPC電流調節模塊、Park變換模塊、Clark變換模塊、速度和轉子角度計算模塊、直流電源模塊、逆變電路模塊、手柄電機模塊。本發明控制系統及其工作方法適用于骨科關節鏡手術，刨削動力系統對于提高外科醫生手術的成功率以及減輕患者的痛苦具有十分重要的意義，該控制系統及其方法可以通過串口屏調整轉速以及運行模式，對不同軟骨組織進行刨削。

技術領域

本發明屬于電機控制技術以及醫療機械領域，具體地說，是一種關節鏡動力刨削控制系統及其方法。

背景技術

當前，骨科醫療技術日益進步，骨科醫療器械銷售市場快速擴大其器械工業產值迅速提高，但由于發展時間較短，基礎較薄弱，尤其在技術密集的高端骨科醫療器械領域，如關節鏡動力刨削系統，目前仍然主要由國外進口醫療設備占領，國產骨科醫療器械產業亟需掌握更多高端醫療器械自主知識產權和技術創新。動力刨削系統作為一款骨科醫療手術常用的產品，手柄電機是其核心組成部分，手柄電機選用直流無刷電機，手柄電機作為動力刨削系統的核心元件，其穩速控制性能影響著動力刨削系統的工作性能，無刷直流電機因其體積小，性能高，在醫療產品中應用廣泛。

隨著智能技術的不斷發展，高難度的手術需要精密的醫療器械進行數字化操作，例如腦顱手術、骨科等高精度手術，需要手術刀無振動穩定操作，因此，刨削動力系統對于提高外科醫生手術的成功率以及減輕患者的痛苦具有十分重要的意義。為了提高手柄電機的穩速精度，速度環采用自抗擾控制替代傳統PI速度環控制，減小速度環的輸出波動；同時，電流環采用模型預測控制替代傳統PI電流環控制，改善擾動時系統的響應速度。

發明內容

本發明的目的在于提供一種關節鏡動力刨削控制系統及其方法，利用腳踏開關、手柄電機按鍵，串口屏模塊控制手柄電機的運行，該系統的控制算法速度外環采用ADRC控制器，電流內環采用MPC電流調節器，從而保證了手柄電機的穩速精度。

本發明采用的具體技術方案如下：

一種關節鏡動力刨削控制系統，該系統包括轉串口屏控制模塊、手柄按鍵控制模塊、腳踏控制模塊、STM32主控芯片、直流電源模塊、逆變電路模塊、手柄電機模塊、轉速調節模塊、轉矩調節模塊、MPC電流調節模塊、有限級控制模塊、最小化成本函數模塊、矢量選擇及持續時間計算模塊、ADRC控制模塊、TD模塊、ESO模塊、NLSEF模塊、速度和轉子角度計算模塊、Park變換模塊和Clark變換模塊。

在上述模塊中，串口屏控制模塊可設定轉速參考值以及手柄電機的擺動模式；手柄按鍵控制模塊輸出信號控制手柄電機的運動模式；腳踏開關模塊的輸出信號控制手柄電機的運動模式；STM32主控芯片模塊獲取設定信號，在STM32內部進行邏輯算法運算；直流電源模塊的輸入為整個硬件電路模塊供電；逆變電路模塊由6只功率MOSFET組成,每兩只對應了一組半橋電路,通過輸出脈寬調制信號來實現驅動電機。手柄電機選取直流無刷電機，為星型連接接法；轉速調節模塊的輸入為轉速實際值，輸出為轉矩調節值；電流轉換模塊的輸入為轉矩調節值，輸出為q軸電流給定值；MPC電流調節模塊的輸入采用的是i_d＝0控制方法，和其他方法比較，控制方法能夠快速響應，并且精確簡單，易于實現所述有限集控制模塊在最小化成本函數模塊計算下對dq軸電流的矢量選擇模塊及持續時間模塊進行計算。ADRC控制器模塊由跟蹤微分器模塊，擴張狀態觀察器(ESO)模塊，非線性狀態誤差反饋率(NLSEF)模塊構成；速度和轉子角度計算模塊的通過手柄電機內部霍爾傳感器計算出速度和轉子角度的實際值；Park變換模塊及Clarke變換得到相對于轉子參考系為靜止的旋轉坐標系下的dq軸實際電流。

本發明還披露了一種關節鏡動力刨削控制系統及其方法，包括下述步驟：

步驟一：經直流電源供電后，通過手柄按鍵控制模塊或者腳踏開關模塊，在控制信號傳送至STM32主控芯片，控制整個控制系統的運行；