摘要：医疗康复机器人是近年出现的一种新型机器人，主要功能是帮助患者完成各种运动功能恢复训练。为此提出通过STM32微控制器控制无刷直流电机来控制机器手臂的运转，并通过Simulink建立PID模型，运用XPC_Target和控制板进行通信，以此得到电机在调速过程中合适的PID参数，使机器手臂在运转的过程中更加平滑。实际的临床试验操作证明，该系统能够较好地完成手臂的医疗康复训练。
随着我国逐渐步入老年社会，对各类康复设备的需求日益增大，对性价比高的医疗康复设备控制系统的需求尤为迫切。基于DSP芯片的成本相对较高、设计复杂、研发周期长，芯片的尺寸会导致印刷电路板的体积变大。
本文基于STM32微控制器设计的医疗康复机器人手臂控制系统，具有杰出的功耗控制和电机控制的高级定时器，能产生3对可配置并互补输出的PWM信号。通过在Simulink上建立双闭环PID算法模型，得到合适的PID参数来改变PWM波的占空比，进而精确地实现电机的调速，保证了机器人手臂运行轨迹平滑，运行速度稳定。由于无刷直流电机具有体积小、性能稳定等优点，其机器手臂尺寸能够更加符合人体运动学设计理念。
1 总体方案设计
医疗康复机器人手臂可以模拟日常生活中手臂的一些动作，通过创造虚拟工作环境实现对手臂各个关节的运动训练、肌肉的锻炼，以及神经功能的恢复训练。以STM32微控制器为控制核心，机器手臂控制总体设计方案如图1所示。
通过运用IR2130栅极驱动芯片，对STM32输出的6路PWM信号进行特殊处理，满足H桥中IRF3808高功率MOS管工作的需求。
STM32微控制器通过不断地检测无刷直流电机中霍尔信号来改变换相时序，以此来控制电机的运转。当电机在堵转的时候会产生大电流，通过ADC对其电流值进行采样，当其值超过阀值的时候可以停止电机工作，此时IR2130会自动进入自我保护状态，关断输出信号，保证手臂运行的安全。
2 硬件电路设计
2.1 栅极驱动
栅极驱动芯片采用的是美国国际整流器公司的IR2130芯片，它具有高电压、高速度，并有3个独立的高、低侧功率MOSFET驱动输出通道。其输入和输出信号时序如图2所示。其具有过电流保护、欠压锁定功能，并能及时关断6路输出。在出现异常状态时，逆变电路处于关断状态，这样可以保护电机不被烧坏，且具有自我保护功能。
6路输出信号中的3路具有电平转换功能，因而它既能驱动桥式电路中低压侧的功率器件，又能驱动高压侧的功率元件。如图3所示，将STM32输出驱动H桥的3对互补PWM信号提高至能够驱动MOSFET开关电压电平。 |
