בקר FOC למנוע BLDC בסטנדרט רפואי, עם תצוגת LCD ובקרת מיקום של סיב-אופטי

פיתחנו פלטפורמת בקרה EMBEDDED ברמת דיוק גבוהה, המיועדת להנעת מנוע BLDC באמצעות בקרת שדה מכוונת (FOC), ובמקביל לשליטה מדויקת על מיקום חוט סיב-אופטי המשמש להולכת אור בטיפולים רפואיים. המערכת כוללת ממשק משתמש גרפי מלא עם מסך TFT מגע קיבולי, המאפשר תכנות תרחישי תנועה, שליטה וניטור בזמן-אמת.

הארכיטקטורה מבוססת על שני מיקרו-בקרים ייעודיים מסוג STM32, המאפשרים בקרה דטרמיניסטית על המנוע, עיבוד משובים מהיר, וניהול מערכת אמין עבור יישומים רפואיים קריטיים.

ארכיטקטורת מערכת

יחידת בקרה ראשית – STM32H743

• מריצה את ממשק המשתמש, לוגיקת המערכת, מנוע הסקריפטים, מנגנוני בטיחות, לוגים ותקשורת

• מפעילה את מסך ה-TFT 2.4 אינץ' עם מגע קיבולי (240×320)

• טוענת קבצים, אנימציות ולוגים מכרטיס SD ומזיכרון SPI חיצוני

• מנטרת מתחי מערכת (סוללה / מטען / Vin) ואת תקינות המערכת

• שולחת פקודות תנועה לבקר המנוע דרך UART

• מאפשרת הגדרת תסריטי תנועת מנוע דרך ממשק מגע

• מנהלת:

  • חיווי RGB למצב מערכת

  • קלט ממסך מגע, כפתורים וחיישנים חיצוניים

  • רישום שגיאות לכרטיס SD

  • תקשורת USB/UART מול מחשב/מארח

יחידת בקרת מנוע – STM32H750

• בקר ייעודי לבקרת מנוע בשיטת FOC (Field-Oriented Control)

• מיישם לולאות בקרה סגורות עבור:

  • מיקום (Position)

  • מהירות (Speed)

  • זרם / מומנט (Current / Torque)

• מתממשק אל:

  • אנקודר מגנטי אבסולוטי (12-bit)

  • חיישני Hall (פנימיים + חיצוניים)

  • גלגל חיכוך עם חיישני IR למדידת תנועת חוט

  • חיישני חציצה אופטיים (Light Interrupters) לאזורי בטיחות

  • חיישני זרם Shunt מסוג INA240

• מבצע מסלולי תנועה (Trajectories) המתקבלים מה-MCU הראשי

• מדווח סטטוס, שגיאות ומשובי מערכת בזמן אמת

מנגנון ייחודי – מיקום חוט הסיב-אופטי

חוט סיב-אופטי רפואי מוזז מכנית באמצעות מנוע ה-BLDC.כדי למדוד את מיקום החוט בצורה מדויקת, המערכת משתמשת במספר חיישנים משולבים, המספקים מיקום מוחלט ומיקום יחסי, וכן אימות בטיחותי של תנועת החוט.

מטרה	חיישן
זיהוי תנועת החוט ותוקף התנועה (בטיחות Go/No-Go)	IR1 / IR2 / IR3
מעקב אחר היסט החוט בפועל וכיוון התנועה	מקודד IR על גלגל החיכוך
נקודת ייחוס B – מבטיחה עצירה מוחלטת וחוזרת לאותו מיקום	חיישן הול אבסולוטי (Absolute Hall sensor)
נקודת ייחוס A – מיקום יחסי	אנקודר פנימי של המנוע
שמירה על תנועה מדויקת, מומנט ומהירות	לולאות FOC של STM32

זה מאפשר למערכת לאתר ולהחזיר את החוט לאותו מיקום בדיוק — גם לאחר כיבוי והדלקה של המכשיר.

החוט מפיק הבזקי אור (Strobed Light) לטיפול רפואי, מסונכרנים עם תסריט התנועה של המנוע.

יכולות מנוע ו־FOC

המערכת משלבת יכולות מתקדמות לבקרת מנוע:

• בקרת שדה מכוונת FOC (Field-Oriented Control) למקסימום יעילות מומנט

• עבודה ב־4 רבעים (שליטה מלאה בכל כיוון ובבלימה רגנרטיבית)

• יציבות מומנט במהירויות נמוכות

• לולאות מהירות ומיקום עם PID

• טווח הזנת מנוע: 5.5V – 24V

• זרם יציאה: 3A רציף / 5A בשיא

• אנקודר מגנטי אינטגרלי 12-bit למיקום אבסולוטי

• פרופילי תנועה מבוססי תסריט (Scripted Motion Profiles)

• שליטה דרך ספרייה ב־C++ / Python

• דרייבר מנוע: L6234 – גשר תלת־פאזי

• מד זרם: INA240 – מגבר מדויק דו־כיווני

מערך ההספק

ארכיטקטורה רב שלבית, המכילה:

התנהגות	מצב
טוען את הסוללה, מזין את המערכת, מבטל טעינת סוללה	מצב Vin primary
המערכת פועלת מסוללת ‎18650‎	מצב Battery mode
כיבוי חלקי, התעוררות ממגע/כפתור	מצב Sleep mode

רכיבי מערכת הספק

• הגנת עומסים: ‏TPS25983 ‏(‎2.7–26V‎, זרם עד ‎18A‎, מוגן בפני טרנזיאנטים)

• מטען סוללה: ‏BQ25308 ‏(טעינת תא יחיד, עד ‎3A‎)

• ממירי מתח Buck 5V, Boost 12V, ומספר רגולטורים LDO

• הגנות: זרם יתר, מתח יתר/חסר, ניטור עומס

• הפרדת אדמה (GND) למניעת רעשים ו־סינון EMI לשמירה על תקינות האותות

ממשקים:

פונקציה	ממשק
ממשק משתמש להגדרת תסריטי תנועה	TFT LCD + מסך מגע קיבולי
לוגים, תמונות, קבצי קונפיגורציה ותוכניות תנועה	כרטיס SD
אחסון אתחול לתקלות (Failsafe Boot Storage)	זיכרון SPI חיצוני
דיאגנוסטיקה, שליטה	UART למארח (Host)
מיקום החוט, בטיחות, אנקודרים	מחברי חיישנים JST/Pico מרובים
התחלת תנועה	כפתור הפעלה (Trigger button)
מנוע BLDC + Hall + אנקודר	מחבר מנוע

דיאגרמת בלוקים של בקר FOC:

זו הדיאגרמה המלאה של בקרי הPID:

תמונות של המערכת המורכבת:

איך חישבנו את מרכיבי הFOC מהאלגוריתם:

Outputs a torque or current reference.

Clark Transform:

Park Transform:

Current PI gains:

Inverse Park:

Inverse Clark to drive voltages (SVPWM):

מטרת המשוואה	שלב
חישוב ‎θₑ‎ ו־ω (זווית ומהירות)	Encoder (אנקודר)
המרת שגיאת מיקום → רפרנס מהירות	Position PID (בקרת מיקום)
המרת שגיאת מהירות → רפרנס מומנט/זרם	Speed PI (בקרת מהירות)
המרת זרמי שלושת הפאזות → ‎iα ,iβ‎	Clarke (טרנספורמציית קלארק)
המרה ל־‎id ,iq‎ באמצעות ‎θₑ‎	Park (טרנספורמציית פארק)
יצירת ‎vd ,vq‎ לתיקון שגיאה	PI Current loops (לולאות זרם)
המרה חזרה ל־‎vα ,vβ‎	Inverse Park (פארק הפוך)
יצירת אותות PWM תלת־פאזיים	SVPWM / Inverse Clarke