醫(yī)療影像技術(shù)與伺服控制的發(fā)展
發(fā)布日期：2011-09-08 11:10:41 來源： www.10well.com.cn 點(diǎn)擊量：
伺服電機(jī)比感應(yīng)電機(jī)定位更迅速和精確。但是，由于醫(yī)療掃描架產(chǎn)生的慣性載荷較高，因此以前伺服電機(jī)很難在此種應(yīng)用下工作。但是最近，采用數(shù)字雙二次濾波器的新一代驅(qū)動技術(shù)使伺服電機(jī)能夠按照高達(dá)1000:1的慣性荷載成功地應(yīng)用到掃描架，同時(shí)解決了相關(guān)的共振難題。因此，運(yùn)動更加精確，加速和減速更迅速，產(chǎn)生更高的生產(chǎn)能力和更清晰的影像。開環(huán)和閉環(huán)交流感應(yīng)電機(jī)已經(jīng)主導(dǎo)了影像設(shè)備掃描架定位市場，這些影像設(shè)備包括計(jì)算機(jī)斷層掃描設(shè)備（CT），電子發(fā)射斷層掃描-計(jì)算機(jī)斷層掃描設(shè)備（PET-CT）和X光機(jī)等。交流感應(yīng)電機(jī)的高慣性減少了電機(jī)和載荷之間的不匹配。
由于醫(yī)療設(shè)備制造商想要提高設(shè)備的生產(chǎn)能力和影像質(zhì)量，他們通常受到這類電機(jī)固有的性能局限性的限制。在許多需要快速和精確定位的應(yīng)用領(lǐng)域，感應(yīng)電機(jī)已經(jīng)被永磁式伺服電機(jī)取代，后者可以提供極高的峰值轉(zhuǎn)矩和連續(xù)轉(zhuǎn)矩，從而產(chǎn)生較高的加速率和減速率，顯著提高精密定位系統(tǒng)的性能。
低慣性結(jié)構(gòu)是許多永磁式伺服電機(jī)的固有設(shè)計(jì)。因此，需要考慮掃描架的高慣性載荷與伺服電機(jī)的低載荷之間的較大不匹配比。伺服電機(jī)控制系統(tǒng)可以經(jīng)過整定以應(yīng)對慣性不匹配的情況，但是一旦整定后，由于慣性載荷增加或減少，伺服電機(jī)響應(yīng)性能下降。對于大多數(shù)醫(yī)療應(yīng)用，載荷很少變化；但是這些裝置中通常使用的皮帶傳動導(dǎo)致電機(jī)和載荷之間產(chǎn)生相容性或空轉(zhuǎn)問題，進(jìn)而改變反射慣性。為了使伺服系統(tǒng)有效地運(yùn)轉(zhuǎn)，需要整定伺服放大器以優(yōu)化系統(tǒng)的響應(yīng)性能。提高系統(tǒng)的響應(yīng)性能通常需要提高增益。但是，增益過大將導(dǎo)致不穩(wěn)定，有時(shí)會無法控制振動。因此，系統(tǒng)整定的目標(biāo)是獲得最大響應(yīng)性同時(shí)盡量減少不穩(wěn)定性。就電機(jī)接受速度整定指令而言，不穩(wěn)定性會導(dǎo)致動作過頭。例如，提高珩磨機(jī)控制系統(tǒng)的慣性值可能導(dǎo)致電機(jī)過度執(zhí)行指令。一方面，隨著慣性的增加，不穩(wěn)定性的頻率降低并且需要更長的校正時(shí)間。另一方面，隨著慣性相對于給定整定值的增加，電機(jī)變得不穩(wěn)定，不穩(wěn)定性頻率相對較高。
為了消除這些振動，系統(tǒng)必須解調(diào)。當(dāng)整定值減少時(shí)，振動將停止但也會降低系統(tǒng)的性能。當(dāng)增益為-3dB或更小，輸出相位與控制信號相差-45度或更小，或與電機(jī)參考值相差-135度時(shí)，控制系統(tǒng)失去控制。眾所周知，開環(huán)傳遞函數(shù)使用兩種方式預(yù)測穩(wěn)定性問題：相位裕度（PM）和增益裕度（GM）。相位裕度是增益為0時(shí)的頻率所對應(yīng)的開環(huán)相位和-180度之間的差值。增益裕度是相位穿過-180度時(shí)其頻率所對應(yīng)的開環(huán)增益的負(fù)值。載荷的不可預(yù)測性越大，相位裕度和增益裕度就越大，以確保控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。例如，當(dāng)共振頻率遠(yuǎn)低于初相交叉點(diǎn)頻率（270 Hz）時(shí)，相容載荷的作用是減少增益裕度。如果慣性不匹配值為5，增益裕度減少值為6，即大約16 dB。假設(shè)沒有其他校正方法，與剛性系統(tǒng)相比，相容耦合系統(tǒng)的增益不得不減少16 dB，前提是兩個(gè)系統(tǒng)都保持相同的增益裕度。增益的大幅減少將使系統(tǒng)接收指令和干擾響應(yīng)能力變差。
伺服控制系統(tǒng)制造商已經(jīng)顯著提高了慣性不匹配和相容載荷的補(bǔ)償能力。這些研究的依據(jù)是相容機(jī)械系統(tǒng)通常具有一些容易振蕩的共振點(diǎn)，同時(shí)在其他頻率會獲得更好的性能。傳統(tǒng)的方式是使用低通，帶通和高通濾波器消除有害的頻率。該方法本身的問題是多個(gè)濾波器消除所有共振會導(dǎo)致計(jì)算延遲和相位移動，容易造成系統(tǒng)失控。最近，雙二次濾波器的使用使系統(tǒng)的性能顯著提高。雙二次濾波器包括兩個(gè)帶有五個(gè)系數(shù)的二次方程，這樣濾波器幾乎可以模擬任何簡單濾波器的組合，同時(shí)不會造成明顯的延遲。通過整定產(chǎn)生問題的頻率，雙二次濾波器實(shí)現(xiàn)了提高相位裕度和增益裕度優(yōu)化伺服系統(tǒng)性能的目標(biāo)。例如，機(jī)械系統(tǒng)的共振頻率為200 Hz，可以配置雙二次濾波器消除200 Hz，同時(shí)在更低控制頻率點(diǎn)保持高增益。
大型帶式驅(qū)動的掃描架具有較強(qiáng)的物理轉(zhuǎn)折頻率（roll-off），使它們與低通濾波器一樣截?cái)嗨懈哂诖蠹s10 Hz的頻率。借助在10 Hz點(diǎn)截?cái)嘣鲆嫱瑫r(shí)通過30 Hz和40 Hz之間的速度環(huán)，可以顯著提高關(guān)鍵控制頻率點(diǎn)（大約2至4 Hz）的增益。速度反饋裝置配合雙二次濾波器可以大幅提高面臨低頻率共振問題的系統(tǒng)的性能。與傳統(tǒng)的單極低通濾波器相比，雙二次濾波器和增益組合可以使校正時(shí)間減少為原來的三分之一，帶寬提高三分之一。同時(shí)，反饋裝置通過顯著減少加速度和躍度力，維持穩(wěn)定裕度。
新一代伺服控制器可以通過配置提供補(bǔ)償影像應(yīng)用中的高慣性載荷和相容性所需的增益裕度和相位裕度。醫(yī)療影像設(shè)備制造商可以并希望利用伺服電機(jī)提供的更高加速度和速率，以便使系統(tǒng)顯著提高客戶的生產(chǎn)能力。此外，伺服系統(tǒng)的主要制造商已經(jīng)提高了制造效率，將伺服技術(shù)的成本降低到與交流感應(yīng)電機(jī)相同的水平。