一種醫(yī)療影像設(shè)備專用多坐標(biāo)伺服驅(qū)動方法和裝置

李勁生，高 松，李 寧，朱海元，張曹兵

（1.南京普愛醫(yī)療影像設(shè)備有限公司，江蘇 南京 211167；2.南京工程學(xué)院 自動化學(xué)院，江蘇 南京 211167）

0 引言

醫(yī)療影像技術(shù)在近年來有了飛速發(fā)展，影像系統(tǒng)產(chǎn)生圖像的速度和圖像的解析度都有了很大提高?，F(xiàn)今，限制完成掃描所需的時間和生成影像質(zhì)量的主要因素不再是影像處理技術(shù)，而是運(yùn)動控制系統(tǒng)[1]。

由于醫(yī)療影像定位掃描機(jī)構(gòu)的慣性載荷一般很大，負(fù)載慣量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過交流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量，通用交流伺服系統(tǒng)很難在此應(yīng)用條件下工作。用于驅(qū)動定位掃描架的傳統(tǒng)方案是普通變頻器加異步電機(jī)，采用這一方案已經(jīng)不能滿足當(dāng)今醫(yī)療影像設(shè)備對運(yùn)動控制系統(tǒng)的動靜態(tài)性能的要求。

交流永磁同步伺服電機(jī)在伺服驅(qū)動器的控制下，可以達(dá)到很高的定位速度和精度，遠(yuǎn)非變頻器驅(qū)動的異步電機(jī)所能比擬[2]。本文提出一種應(yīng)用于醫(yī)療影像設(shè)備的多坐標(biāo)交流伺服驅(qū)動裝置，它采用新的雙模態(tài)連續(xù)變結(jié)構(gòu)位置和速度控制方法，實現(xiàn)在大慣量負(fù)載下的快速精確定位，以滿足醫(yī)療影像設(shè)備掃描機(jī)構(gòu)的驅(qū)動要求。同時這種裝置擺脫了由一臺伺服驅(qū)動器控制一臺伺服電機(jī)的模式，能夠完成對多臺伺服電機(jī)的分時控制，實現(xiàn)“一拖多”。這樣既降低了成本，減小體積，同時也可提高醫(yī)療影像設(shè)備的電磁兼容性和可靠性。

1 醫(yī)療影像設(shè)備專用多坐標(biāo)伺服驅(qū)動原理

1.1 醫(yī)療影像設(shè)備組成

醫(yī)療影像設(shè)備專用多坐標(biāo)交流伺服驅(qū)動裝置，包括一臺“專用交流伺服驅(qū)動器”、“多臺交流伺服電機(jī)”、“驅(qū)動轉(zhuǎn)換電路板”、“反饋信號轉(zhuǎn)換電路板”、“操作控制器”等，其中“專用交流伺服驅(qū)動器”通過“驅(qū)動轉(zhuǎn)換電路板”和“反饋信號轉(zhuǎn)換電路板”依次連接多臺交流伺服驅(qū)動電機(jī)，“操作控制器”通過I/O 端子連接“專用交流伺服驅(qū)動器”、“驅(qū)動轉(zhuǎn)換電路板”和“反饋信號轉(zhuǎn)換電路板”。圖1為醫(yī)療影像設(shè)備專用多坐標(biāo)交流伺服驅(qū)動裝置組成圖。

專用交流伺服驅(qū)動器具有雙模態(tài)連續(xù)變結(jié)構(gòu)的位置和速度控制功能和基于矢量變換的d軸及q軸電流控制功能，通過軟硬件結(jié)合的切換方法，實現(xiàn)對多臺交流伺服電機(jī)的分時驅(qū)動[3]。專用交流伺服驅(qū)動器具有控制指令輸入接口、反饋信號輸入接口和三相輸出驅(qū)動接口。

圖1 醫(yī)療影像設(shè)備專用多坐標(biāo)交流伺服驅(qū)動裝置組成圖

驅(qū)動轉(zhuǎn)換電路板由多個固態(tài)繼電器構(gòu)成，操作控制器發(fā)出開關(guān)信號控制固態(tài)繼電器的通斷。多臺交流伺服電機(jī)的三相定子繞組輸入導(dǎo)線均與驅(qū)動轉(zhuǎn)換電路板相連，專用交流伺服驅(qū)動器的三相輸出驅(qū)動接口也與驅(qū)動轉(zhuǎn)換電路板相連，通過驅(qū)動轉(zhuǎn)換電路板，各臺交流伺服電機(jī)的定子三相繞組輸入導(dǎo)線與專用交流伺服驅(qū)動器的三相輸出驅(qū)動接口分時接通，并且相互之間切換是在零電流的狀態(tài)下完成[4]。

反饋信號轉(zhuǎn)換電路板由多路數(shù)據(jù)選擇器芯片及其外圍電路構(gòu)成，操作控制器發(fā)出的開關(guān)信號控制多路數(shù)據(jù)選擇器工作。多臺交流伺服電機(jī)的編碼器反饋電纜均與反饋信號轉(zhuǎn)換電路板相連，專用交流伺服驅(qū)動器的反饋信號輸入接口也與反饋信號轉(zhuǎn)換電路板相連，通過反饋信號轉(zhuǎn)換電路板，各臺交流電機(jī)編碼器反饋電纜與專用交流伺服驅(qū)動器的反饋信號接口分時接通。

1.2 多坐標(biāo)伺服驅(qū)動原理

醫(yī)療影像設(shè)備專用多坐標(biāo)伺服驅(qū)動方法，采用新的雙模態(tài)連續(xù)變結(jié)構(gòu)位置和速度控制方法，保證了大慣量負(fù)載下的驅(qū)動定位性能。軟硬件結(jié)合的切換、適配方法的采用，保證了多坐標(biāo)的分時定位驅(qū)動控制。

雙模態(tài)是位置和速度串級控制和位置和速度并行控制兩種控制模態(tài)，圖2為雙模態(tài)連續(xù)變結(jié)構(gòu)位置和速度控制方法原理圖。在位置和速度控制并行控制模態(tài)下，位置控制器采用比例積分控制算法，速度控制器采用比例控制算法，有獨立的速度給定信號，位置控制器的輸出與速度控制器的輸出相加得到該位置和速度并行控制模態(tài)的輸出IQC1；在位置和速度串級控制模態(tài)下，位置控制器采用比例算法，以位置控制器的輸出信號為速度控制器的給定信號，速度控制器采用比例積分算法，以速度控制器的輸出信號為該位置和速度串級控制模態(tài)的輸出IQC2。

在伺服定位驅(qū)動運(yùn)行的開始及中間階段，由于距定位終點的距離尚遠(yuǎn)，即電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)行角位移量較小，需要電機(jī)驅(qū)動大慣量的掃描架高速平滑前行，在這種情況下，應(yīng)當(dāng)較多地以位置和速度并行控制的輸出IQC1為總的轉(zhuǎn)矩控制命令。隨著電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)行角位移量的增大，逐漸接近定位終點，這時需要克服定位超調(diào)，實現(xiàn)單調(diào)無抖動的到達(dá)終點，在這種情況下應(yīng)當(dāng)以位置和速度串級控制的輸出IQC2為總的轉(zhuǎn)矩控制命令。

從IQC1 到IQC2的過渡是連續(xù)和平滑的，伺服電機(jī)的角位移量被用來連續(xù)地融合IQC1 和IQC2，從而得到總的控制信號IQC，以IQC為交流伺服電機(jī)定子電流q軸分量的控制給定信號， IQC 亦正比于電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。

在醫(yī)療影像設(shè)備組成中，專用交流伺服驅(qū)動器實現(xiàn)對交流伺服電機(jī)的位置、速度和轉(zhuǎn)矩的控制，根據(jù)測得轉(zhuǎn)子的位置，確定定子磁場位置。定子磁場的位置，是沿著轉(zhuǎn)子磁場方向（d軸方向）分量被控制為零，整個定子磁場沿著q軸方向，與轉(zhuǎn)子正交。在上述條件下，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與定子電流的q軸分量成正比[5]。

通過控制定子電流大小的方法來調(diào)節(jié)輸出轉(zhuǎn)矩：根據(jù)測量電機(jī)定子三相電流中的兩相電流值，計算出第三相電流值，并經(jīng)旋轉(zhuǎn)變換運(yùn)算電機(jī)定子電流在此坐標(biāo)系中被分解成了沿d軸的分量和沿q軸的分量：

兩個分量被分別控制，d軸分量的控制目標(biāo)是零，q軸分量的控制目標(biāo)則正比于電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的大小。

以q軸電流為給定信號，0為d軸電流給定信號，以式（1）的計算結(jié)果為相應(yīng)的反饋信號，調(diào)用PI 控制子程序可完成q軸和d軸電流的控制，q軸和d軸電流控制器輸出d軸及q軸電壓信號。經(jīng)式（2）計算可得到。

經(jīng)過DSP 內(nèi)部的SVPWM 環(huán)節(jié)，調(diào)制成脈沖，經(jīng)過主回路中逆變器的放大，作用于交流伺服電機(jī)定子繞組[6]。

圖2 雙模態(tài)連續(xù)變結(jié)構(gòu)位置和速度控制方法原理圖

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計

醫(yī)療影像設(shè)備專用多坐標(biāo)交流伺服驅(qū)動裝置原理如圖3所示。處理器采用TMS320F28035[7]。它具有很高的性價比和出色的控制性能，以完成對交流伺服電機(jī)的控制和電機(jī)相電流的檢測。

圖3 醫(yī)療影像設(shè)備專用多坐標(biāo)交流伺服驅(qū)動裝置原理圖

專用交流伺服驅(qū)動器內(nèi)部的主回路是交-直-交的結(jié)構(gòu)，包含整流電路、中間直流環(huán)節(jié)、 三相逆變器。內(nèi)部主回路的三相逆變器， 由一片智能功率模塊IPM 構(gòu)成，DSP的PWM 輸出信號，通過高速光電耦合器件耦合傳遞，與該IPM的控制輸入端相連。IPM 三相輸出接入驅(qū)動轉(zhuǎn)換電路板中，通過驅(qū)動轉(zhuǎn)換電路板中的固態(tài)繼電器的切換，與當(dāng)前控制的交流伺服電機(jī)的三相輸入導(dǎo)線連接。

交流伺服電機(jī)均接有不含定位信號的普通增量式光電編碼器，用于檢測交流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角。

操作控制器包括人機(jī)操作界面和單片機(jī)，單片機(jī)選用MEGA16。單片機(jī)通過人機(jī)操作界面接收操作者的控制指令，向?qū)Ｓ媒涣魉欧?qū)動器、反饋信號轉(zhuǎn)換電路板和驅(qū)動轉(zhuǎn)換電路板發(fā)出控制指令。

2.2 系統(tǒng)工作進(jìn)程

圖4 啟動及伺服電機(jī)切換控制流程圖

當(dāng)本裝置上電后，按照圖4所示的流程啟動并完成伺服電機(jī)的選擇和切換。電網(wǎng)電壓經(jīng)過整流，形成直流母線電壓，并通過內(nèi)嵌開關(guān)電源給裝置控制電路供電，專用交流伺服驅(qū)動器內(nèi)部的DSP、操作控制器中的MEGA16 單片機(jī)均完成上電自檢和初始化，等待接收操作指令。當(dāng)操作者通過人機(jī)操作界面發(fā)出掃描架在某個坐標(biāo)方向上的運(yùn)動指令后，操作控制器中的MEGA16 單片機(jī)向?qū)Ｓ媒涣魉欧?qū)動器、反饋信號轉(zhuǎn)換電路板、驅(qū)動轉(zhuǎn)換電路板等發(fā)出切換命令，選中相應(yīng)的交流伺服電機(jī)及相應(yīng)的控制參數(shù)。根據(jù)定位行程，計算出位置指令信號和速度指令信號，連續(xù)地發(fā)送到專用交流伺服驅(qū)動器。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件任務(wù)主要基于TMS320F28035的AD模塊對電流傳感器的轉(zhuǎn)換的電壓信號實時采集并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，由于數(shù)字量和伺服電機(jī)的相電流是一一對應(yīng)關(guān)系，可以計算出伺服電機(jī)的相電流，通過兩相電流可以算出，并進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，實時計算出伺服電機(jī)轉(zhuǎn)矩T，軟件分為主程序和定時中斷程序。

主程序的主要功能是初始化系統(tǒng)時鐘，清除所有中斷標(biāo)志并初始化PIE 中斷向量表，完成電流采樣中斷控制，對采樣結(jié)果進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)處理，得到電流的的相位，完成坐標(biāo)變換，計算得到交流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)矩圖5 專用交流伺服驅(qū)動單元程序框圖。

定時中斷程序的功能是通過定時器啟動兩路A/D 轉(zhuǎn)換器，采樣得到交流伺服電機(jī)的兩相定子電流瞬時值，并通過計算得到第三相電流值。

圖5 專用交流伺服驅(qū)動單元程序框圖

4 結(jié)束語

本文提出的醫(yī)療影像設(shè)備專用多坐標(biāo)交流伺服驅(qū)動裝置采用了雙模態(tài)連續(xù)變結(jié)構(gòu)位置和速度控制方法來控制交流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)子角位移和轉(zhuǎn)動速度，提高了醫(yī)療影像設(shè)備掃描機(jī)構(gòu)驅(qū)動定位速度和定位精度。同時采用軟硬件結(jié)合的切換、適配方法，實現(xiàn)了一臺專用交流伺服驅(qū)動器對多臺交流伺服電機(jī)的控制，滿足了掃描架的多坐標(biāo)的分時定位控制的需要，又減小了驅(qū)動裝置的成本和體積，提高了醫(yī)療影像系統(tǒng)的整體的電磁兼容性。

[1]馮開梅.醫(yī)學(xué)影像設(shè)備[M].北京：人民衛(wèi)生出版社，2008.

[2]李寧，白晶，陳桂.電力拖動與運(yùn)動控制系統(tǒng)[M].北京：高等教育出版社，2009.

[3]原魁，等.變頻器基礎(chǔ)及應(yīng)用[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1997.

[4]高景德.交流電機(jī)及其系統(tǒng)的分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[5]張立偉，劉鈞，沮旭輝，等.基于基波電壓幅但線性輸出控制的SVPWM 過調(diào)制新算法[J].中國電機(jī)工報，2005，19.

[6]劉啟新，張麗華，等.電機(jī)與拖動基礎(chǔ)[M].高等教育出版社，2007.

[7]王曉明，王玲.電動機(jī)的DSP 控制—TI 公司DSP 應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2004.