CN103368485B - 一种医疗影像设备专用多坐标伺服驱动方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种新的医疗影像设备专用多坐标伺服驱动方法和装置，涉及工业领域中的伺服电机控制技术，具体为用一台专用交流伺服驱动器分时驱动医疗影像设备扫描架多个运动坐标方向的多台交流伺服电机。所述医疗影像设备专用多坐标伺服驱动方法的特征在于采用“双模态连续变结构位置和速度控制”方法，控制结构中包括了“位置和速度并行控制”和“位置和速度串级控制”两个控制模态，伺服电机转子角位移量被用来连续地融合两种控制模态的输出，得到转矩控制指令，可驱动大惯量的扫描架快速准确定位。所述医疗影像设备专用多坐标伺服驱动装置包括一台专用交流伺服驱动器、多台交流伺服电机、驱动转换电路板、反馈信号转换电路板、操作控制器等。

Description

一种医疗影像设备专用多坐标伺服驱动方法和装置

技术领域

本发明涉及工业领域中的伺服驱动控制技术和装置，尤其是一种医疗影像设备专用多坐标伺服驱动技术和装置。

背景技术

医疗影像技术在近年来有了飞速发展，影像系统产生图像的速度和图像的解析度都有很大提高。现今，限制完成扫描所需时间和生成影像质量的主要因素不再是影像处理技术，而是动控制系统。用于驱动定位扫描架的传统方案是普通变频器加异步电机，采用这一方案已经不能满足当今医疗影像设备对运动控制系统的动静态性能的要求。

从理论上说，交流永磁同步伺服电机在伺服驱动器的控制下，可以达到很高的定位速度和精度，远非变频器驱动的异步电机所能比拟。于是医疗影像设备的生产厂家想到了用交流伺服电机替代异步电机，以驱动定位扫描机构。但是，由于医疗影像定位扫描机构的惯性载荷一般都很大，负载惯量远远超过交流伺服电机的转子惯量，通用的交流伺服系统很难在此种应用条件下工作。因此，需要研究能在大惯性负载下实现快速平滑定位的伺服驱动控制方法和装置。

另一个方面，医疗影像设备的定位扫描机构一般需要多台伺服电机来完成多个坐标的定位，但这些电机一般是分时运动的，也就是说不需要同时运动。希望能够研发一种应用于医疗影像设备的多坐标交流伺服驱动装置，这种装置摆脱了通常的一台伺服驱动器控制一台伺服电机的模式，能够完成对多台伺服电机的分时控制，实现“一拖多”。这样既降低了成本，减小体积，同时也可提高医疗影像设备的电磁兼容性和可靠性。

发明内容

本发明的目的是提供一种新的多坐标交流伺服控制控制方法和装置，该装置主要应用于医疗影像设备的扫描机构的驱动和定位，在本说明书中称这一装置为医疗影像设备专用多坐标伺服驱动装置，该装置由专用交流伺服驱动器、操作控制器、外围转换电路、多台交流伺服电机等组成。这种专用多坐标伺服驱动装置在大惯量负载下可以实现快速精确定位，还可以实现对多台交流伺服电机的分时控制，完成多坐标的伺服定位。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种医疗影像设备专用多坐标伺服驱动方法，采用新的双模态连续变结构位置和速度控制方法，实现在大惯量负载下的快速精确定位，以满足医疗影像设备扫描机构的驱动要求。各交流伺服电机定子的三相导线和检测编码器的反馈电缆导线由硬件切换，对交流伺服电机定子三相导线的切换是在零电流状态下完成的，各坐标轴方向的交流伺服电机可为不同型号，由软件选择对应于各电机的控制参数。该医疗影像设备专用多坐标伺服驱动装置的特征在于新型双模态连续变结构位置和速度控制方法的采用，保证了大惯量负载下的驱动定位性能，软硬件结合的切换、适配方法的采用，保证了多坐标的分时定位驱动控制。

其中上节所述双模态连续变结构位置和速度控制方法，是一种根据伺服电机定位运行时电机转子角位移量，来相应地调整伺服驱动装置的控制结构的方法，在本说明书中，将电机转子的角位移量简称为位置，将电机转子旋转的角速度简称为速度，伺服驱动装置的实时控制软件中包括了“位置和速度串级控制”和“位置和速度并行控制”两个运算子模块，两个子模块均实时地独立工作，得出两种控制输出，依据电机转子的角位移信号来融合这两种控制输出，得到总的转矩控制命令，其目的是为了保证在大惯量负载下的无抖动快速定位，这里所述的“位置和速度串级控制”，位置控制器采用比例算法，位置控制器的输出用作速度控制器的给定，速度控制器采用比例积分算法，速度控制器的输出作为该串级控制子模块的输出，这里所述的“位置和速度控制并行控制”，位置控制器采用比例积分控制算法，速度控制器采用比例控制算法，并有其独立的速度给定信号，位置控制器的输出与速度控制器的输出相加而得到该并行控制子模块的输出，在伺服定位驱动运行的开始及中间阶段，由于距定位终点的距离尚远，亦即电机转子运行角位移量较小，需要电机驱动大惯量的扫描架高速平滑前行，在这种情况下，应当较多地以“位置和速度并行控制”子模块的输出作为总的转矩控制命令，随着电机转子角位移的增大，逐渐接近定位终点，这时需要克服定位超调，单调无抖动地到达终点，在这种情况下应当较多地，以至于全部地以“位置和速度串级控制”子模块的输出作为总的转矩控制命令，从“位置和速度并行控制”到“位置和速度串级控制”的过渡是连续和平滑的，电机转子的角位移量被用来连续地融合两个控制子模块的输出，以得到总的转矩控制命令；上节所述软硬件结合的切换、适配方法，满足了扫描架的多坐标的分时定位控制的需要，医疗影像设备扫描架的运动是多坐标的，但各个坐标方向的定位运动是分时的，为了实现一台“专用交流伺服驱动器”分时驱动扫描架多个坐标方向的运动，必须让各个坐标方向的交流伺服电机能够分时地与“专用交流伺服驱动器”连接，对多台交流伺服电机进行切换、适配控制，这样的控制采用软硬件结合的方法，扫描架的多个坐标运动方向的交流伺服电机是不同的，驱动器的控制参数亦随之改变，将对应于各交流伺服电机的控制参数都存放在驱动器的软件中，在不同的交流伺服电机工作时，调用与其对应的控制参数，交流伺服电机与“专用交流伺服驱动器”连接的导线连接包括定子三相绕组输入导线和编码器反馈电缆导线，多台交流伺服电机的定子绕组输入导线通过一个“驱动转换电路板”接入“专用交流伺服驱动器”，多台交流伺服电机的编码器反馈电缆导线通过一个“反馈信号转换电路板”接入“专用交流伺服驱动器”。

一种医疗影像设备专用多坐标交流伺服驱动装置，包括一台“专用交流伺服驱动器”、多台交流伺服电机、“驱动转换电路板”、“反馈信号转换电路板”、“操作控制器”等，其中“专用交流伺服驱动器”通过“驱动转换电路板”和“反馈信号转换电路板”依次连接多台交流伺服驱动电机，“操作控制器”通过I/O端子连接“专用交流伺服驱动器”、“驱动转换电路板”和“反馈信号转换电路板”。

其中，所述“专用交流伺服驱动器”具有双模态连续变结构的位置和速度控制功能和基于矢量变换的dq轴电流控制功能，通过软硬件结合的切换方法，实现对多台交流伺服电机的分时驱动，“专用交流伺服驱动器”有控制指令输入接口、反馈信号输入接口和三相输出驱动接口。

所述多台交流伺服电机可为不同的规格，均接有光电编码器，交流伺服电机有定子三相绕组输入导线，光电编码器反馈信号输出电缆。

所述“驱动转换电路板”由多个固态继电器构成，“操作控制器”发出的开关信号控制固态继电器的通断，多台交流伺服电机的三相定子绕组输入导线均与“驱动转换电路板”相连，“专用交流伺服驱动器”的三相输出驱动接口也与“驱动转换电路板”相连，通过“驱动转换电路板”，各台交流伺服电机的定子三相绕组输入导线与“专用交流伺服驱动器”的三相输出驱动接口分时接通，并且切换是在零电流的状态下完成的。

所述“反馈信号转换电路板”由多路数据选择器芯片及其外围电路构成，“操作控制器”发出的开关信号控制多路数据选择器的工作，多台交流伺服电机的编码器反馈电缆均与“反馈信号转换电路板”相连，“专用交流伺服驱动器”的反馈信号输入接口也与“反馈信号转换电路板”相连，通过“反馈信号转换电路板”，各台交流电机编码器反馈电缆与“专用交流伺服驱动器”的反馈信号接口分时接通。

“操作控制器”接受操作者的控制，向“专用交流伺服驱动器”、“驱动转换电路板”和“反馈信号转换电路板”发出控制指令。

本发明相对于现有技术具有以下优点：

1、本发明采用了双模态连续变结构位置和速度控制方法来控制交流伺服电机的转子角位移和转动速度，提高了医疗影像设备扫描机构驱动定位速度和定位精度。

2、本发明采用软硬件结合的切换、适配方法，实现了一台“专用交流伺服驱动器”对多台交流伺服电机的控制，满足了扫描架的多坐标的分时定位控制的需要，同时又减小了驱动装置的成本和体积，提高了医疗影像系统的整体的电磁兼容性。

3、本发明采用专门的控制时序，保证在零电流的状态下完成多台交流伺服电机的切换，从而提高了切换的可靠性，降低了对切换开关的技术要求。

附图说明

下边结合附图和具体实施方式对本发明作进一步地说明。

图1为本发明实施例的组成结构示意图。

图2为本发明实施例的控制原理示意图。

图3为本发明实施例中双模态连续变结构位置和速度控制方法的示意图。

图4为本发明实施例中切换函数发生器的图形。

图5为本发明实施例中启动及伺服电机切换控制流程图。

图6为本发明实施例中“专用交流伺服驱动单元”的控制流程图。

具体实施方式

如图1图2和所示，本发明涉及的医疗影像设备专用多坐标伺服驱动方法和装置，采用双模态连续变结构的位置和速度控制方法，以驱动大惯量负载，实现平稳快速准确的定位。本发明介绍的伺服驱动控制装置可通过“反馈信号转换电路板”来切换各交流伺服电机的反馈信号，通过“驱动转换电路板”切换交流伺服电机定子三相绕组输入导线，通过软件来选择适合于各个交流伺服电机的控制参数，从而实现由一台“专用交流伺服驱动器”分时驱动多台交流伺服电机，完成影像设备扫描架的多个坐标的定位驱动。

本发明的设计思想如下：

“专用交流伺服驱动器”实现对交流伺服电机的位置、速度和转矩的控制，交流伺服电机转子的位置被直接或间接地测量，根据转子的位置，确定定子磁场的位置。定子磁场的位置应当这样确定，它沿着转子磁场方向(d轴方向)的分量被控制到零，整个定子磁场沿着q轴方向，与转子正交。在上述条件下，电机的输出的转矩与定子电流的q轴分量成正比。

通过控制定子电流大小的方法来调节输出转矩，这种控制过程按下面的方式来进行：电机定子的三相电流中的两相被直接或间接地测量，并依测量结果计算出第三相电流值。通过对电机转子位置的测量，可以建立d-q轴坐标系，通过旋转变换运算，电机定子电流在此坐标系中被分解成了沿d轴的分量和沿q轴的分量。两个分量被分别控制，d轴分量的控制目标是零，而q轴分量的控制目标则正比于电机输出转矩的大小。

输出转矩的控制是以对交流伺服电机转子位置实时的正确测量为前提的，在本发明的装置中，采用增量式光电脉冲编码器(型号ZSP5810)作为检测元件，结合对初始位置的检测，可以得到电机转子在0-360°范围内的绝对位置。

如前面所表述的那样，定子电流的q轴分量与交流伺服电机的输出转矩成正比，因此通过对电机转角位置和转动速度的控制计算，可以得到电机定子电流的q轴分量的给定，参见附图2。

为了在驱动医疗影像设备扫描架时，能够做到无抖动、无过冲，本发明采用了新的双模态连续变结构位置和速度控制方法，实现对转角位置和转动速度的控制计算。

参见附图3，这里所述的双模态是“位置和速度串级控制”和“位置和速度并行控制”两种控制模态，在“位置和速度控制并行控制”模态下，位置控制器采用比例积分控制算法，速度控制器采用比例控制算法，有独立的速度给定信号，位置控制器的输出与速度控制器的输出相加得到该“位置和速度并行控制”模态的输出IQC1；在“位置和速度串级控制”模态下，位置控制器采用比例算法，以位置控制器的输出信号为速度控制器的给定信号，速度控制器采用比例积分算法，以速度控制器的输出信号为该“位置和速度串级控制”模态的输出IQC2。在伺服定位驱动运行的开始及中间阶段，由于距定位终点的距离尚远，亦即电机转子运行角位移量较小，需要电机驱动大惯量的扫描架高速平滑前行，在这种情况下，应当较多地以“位置和速度并行控制”的输出IQC1为总的转矩控制命令，随着电机转子运行角位移量的增大，逐渐接近定位终点，这时需要克服定位超调，实现单调无抖动地到达终点，在这种情况下应当较多地，以至于全部地以“位置和速度串级控制”的输出IQC2为总的转矩控制命令，从IQC1到IQC2的过渡是连续和平滑的，伺服电机的角位移量被用来连续地融合IQC1和IQC2，从而得到总的控制信号IQC，以IQC为交流伺服电机定子电流q轴分量的控制给定信号，交流伺服电机是永磁同步电机，所以IQC亦正比于电机的转矩。

本发明提供了一种解决的方法，依此方法，可以完成控制信号的融合，实现从“位置和速度并行控制”模态到“位置和速度串级控制”模态的连续过渡。交流伺服电机定位行程的一半θ_max0.5，作为控制参数设定在系统中，交流伺服电机的瞬时角位移θ亦反馈到系统中，计算其比值。

x＝θ/θ_max0.5 (1)

交流伺服电机定位运行时，比值x从0连续变化到2，切换函数发生器以x为输入变量，切换函数发生器的输出是η。

式(2)是切换函数的表达式，交流伺服电机定位运行时，函数输出变量η从0连续变化到1，其图形如附图4。随着变量η的连续变换，两种控制模态之间的连续转换得以完成，如式(3)所表示。

IQC＝IQC1+η*(IQC2-IQC1) (3)

实施例：附图1和图2是本发明的控制装置的组成结构及原理示意图，“专用交流伺服驱动器”内部的主回路是交-直-交的结构，包含整流电路、中间直流环节、三相逆变器。专用伺服驱动器在其内部的数字信号处理器(DSP)控制下工作，DSP选用TMS320F28035。为了完成对交流伺服电机的控制，需要对交流伺服电机的相电流进行检测。这里只检测电机的两相电流，检测量分别通过数字信号处理器(DSP)的ADCINA0和ADCINA1转换通道输入，经内部的数模转换电路转换成数字量，第三相电流可通过对已测的两相电流的计算而得到。

所述“专用交流伺服驱动器”内部主回路的三相逆变器，由一片智能功率模块IPM构成，型号为RAPMX20UP60，DSP的PWM输出信号，通过高速光电耦合器件(型号6N137)的耦合传递，与该IPM的控制输入端相连。具体连接方式如下：DSP的PWM1、PWM2信号控制IPM的HIN1、LIN1端；DSP的PWM3、PWM4信号控制IPM的HIN2、LIN2端；DSP的PWM5、PWM6信号控制IPM的HIN3、LIN3端。IPM的三相输出VS1、VS2、VS3接入“驱动转换电路板”中，通过“驱动转换电路板”中的固态继电器的切换，与当前控制的交流伺服电机的三相输入导线连接。

附图1和附图2所示的各交流伺服电机均接有不含定位信号的普通增量式光电编码器(型号ZSP5810)，用于检测交流伺服电机的转子转角。编码器反馈电缆中的有三组差动脉冲信号，分别是A、/A；B、/B；Z、/Z。各台交流伺服电机的编码器反馈电缆均接入“反馈信号转换电路板”，在“反馈信号转换电路板”中，当前控制的交流伺服电机的反馈信号被选中，经过“反馈信号转换电路板”上的差动线路接收器(型号MC3486)的三个差动通道接收后，形成信号SA、SB、SZ，此信号经过数字信号处理器(DSP)的QEP接口输入，具体连接方式是：SA脉冲信号通过DSP的CAP1_QEP1端输入，SB信号通过DSP的CAP2_QEP2端输入，SZ信号通过DSP的CAP3_QEPI1端输入。

附图1和附图2中所示的操作控制器包括人机操作界面和单片机，单片机选用MEGA16，单片机通过人机操作界面接收操作者的控制指令，向“专用交流伺服驱动器”、“反馈信号转换电路板”和“驱动转换电路板”发出控制指令。

当本装置上电后，按照图5所示的流程启动并完成伺服电机的选择和切换。电网电压经过整流，形成直流母线电压，并通过内嵌的开关电源给装置的控制电路供电，“专用交流伺服驱动器”内部的DSP、“操作控制器”中的MEGA16单片机均完成上电自检和初始化，等待接收操作指令。当操作者通过人机操作界面发出扫描架在某个坐标方向上的运动指令后，“操作控制器”中的MEGA16单片机向“专用交流伺服驱动器”、“反馈信号转换电路板”、“驱动转换电路板”等发出切换命令，选中相应的交流伺服电机及相应的控制参数。根据定位行程，计算出位置指令信号和速度指令信号，连续地发送到“专用交流伺服驱动器”。

所述“专用交流伺服驱动器”的控制流程如图6和图2所示，在每次伺服控制进程的执行过程中，首先读取电机电流的检测值i_a，i_b，经计算可得到i_c。从光电编码器反馈接口读取电机转角位置增量Δθ_n，计算当前转角位置θ_n＝θ_n-1+Δθ_n，其中θ_n+1为前一次的转角位置，按照(4)式计算，可以得到电机电流的交轴分量i_q和直轴分量i_d。

为了在一定的定子电流幅值下能够输出最大的转矩，最佳的控制方式是使定子电流与转子磁极的方向(d轴方向)正交，与q轴重合，也就是要保持i_d＝0。在这种控制方式下，从模型上，交流永磁同步伺服电机已经相当于直流永磁电机，其转矩与i_q成正比，由于交流伺服电机为永磁同步电机，电机的磁场是恒定的，所以位置、速度控制模块的输出信号可用做定子电流的给定信号i_qg。如前所述，位置、速度控制模块包括“位置、速度并行控制”计算、“位置、速度串级控制”计算、双模态控制信号连续融合计算等。

以i_qg为q轴电流的给定信号，0为d轴电流给定信号，以(4)式的计算结果为相应的反馈信号，调用PI控制子程序可完成q轴和d轴电流的控制，q轴和d轴电流控制器的输出是dq轴电压信号v_q和v_d。经式(5)计算可得到u_a，u_b，u_c。

u_a，u_b，u_c经过DSP内部的SVPWM环节，调制成脉冲，经过主回路中逆变器的放大，作用于交流伺服电机定子绕组。

本发明中展开说明的技术方案均可用现有技术加以实现。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域普通技术人员可以在所附权利要求的范围内做出各种变形或修改。

Claims (1)

1.一种医疗影像设备专用多坐标交流伺服驱动方法，其特征在于采用双模态连续变结构位置和速度控制方法，实现在大惯量负载下的快速精确定位；当设备扫描架距离定位终点尚有较大距离时，位置控制器和速度控制器各自独立工作，将位置控制器的输出信号和速度控制器的输出信号相加得到转矩控制命令，用于控制交流伺服电机的运行，这是一种模态；当设备扫描架接近定位终点时，位置控制器和速度控制器改为串级连接，位置控制器的输出信号成为速度控制器的输入信号，速度控制器的输出信号被当做转矩控制命令，用于控制伺服电机运行，这是另一种模态；上述两种模态之间的过渡是连续和平滑的，电机转子的角位移量被用来连续地融合上述两种模态，以按照设备扫描架离定位终点的距离，平滑连续地实现两种模态间的转换。