CN111682822B - 一种用于直驱型ct机架的在线不平衡质量检测和控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于直驱型CT机架的在线不平衡质量检测和控制方法，它主要利用CT装置内部的直驱电机和光栅码盘实现。在CT机架旋转扫描阶段，电机控制器采集光栅码盘反馈的位置信息，结合电机本体参数，经过负载转矩观测器、带通滤波器和锁相环处理后，估计不平衡质量的大小及相位信息，同时，还可以依据这些信息及时调整转矩电流大小，降低由于机架质量分布不平衡造成的转速波动。本发明无需采用额外的设备和传感器进行检测，无需停机，可在每次CT机架旋转扫描时进行检测，降低了质量不平衡故障的检测成本和难度，同时，对应的控制方法可在CT扫描阶段有效降低由不平衡质量造成的转速波动，提高扫描的精度。

Description

一种用于直驱型CT机架的在线不平衡质量检测和控制方法
技术领域
本发明属于CT检测控制技术领域，具体涉及一种用于直驱型CT机架的在线不平衡质量检测及控制方法。
背景技术
CT设备是医学诊断中不可缺少的医疗器械，其工作原理是：CT机架上分布的X射线管在机架匀速旋转过程中发射X射线束，经过人体后，由CT机架上的探测器捕获，计算机根据捕获到的信号进行图像重构，获得人体特定部位的医学影像。由于CT机架沿圆周方向分布着许多的探测装置，容易造成质量分布不平衡，在实际旋转过程中，不平衡的质量将引起转速波动和基座振动，进而影响成像的质量，严重情况下将造成设备损坏。
在CT的传统故障检测方法中，不平衡质量的离线检测需要借助专用的装夹设备，并采用人工调整的方式，操作复杂；在线检测目前主要是依靠振动传感器进行，增加了额外的安装成本，也有专利提出利用机架上的数据采集单元获得“波动链”估计不平衡质量，但对采样精度要求高，且需要傅里叶变换，存储数据量较大，存在检测不够及时的问题。因此在CT的故障检测中仍存在大量问题亟需解决。
发明内容
发明目的：本发明为了克服传统CT机架不平衡质量故障检测方法存在的不足，提供一种用于直驱型CT机架的在线不平衡质量检测及控制方法。
技术方案：一种用于直驱型CT机架的在线不平衡质量检测及控制方法，具体包括以下步骤：
(1)在进入CT机架匀速旋转阶段后，经过不平衡质量大小及相位判断模块分析不平衡质量大小及相位信息；
(2)对不平衡质量大小进行判断，超过临界值M时，立即控制CT停止运转；当不平衡质量小于M时，继续匀速运行，开启CT机架上的扫描设备，并加入转速波动控制模块，增加对应的转矩电流，降低转速波动。
进一步地，步骤(1)所述的不平衡质量大小及相位判断模板由负载转矩观测器、带通滤波器、锁相环组成。
进一步地，所述步骤(1)包括以下步骤：
(11)启动时，电机驱动器首先给定斜坡加速信号，检测到电机速度达到额定转速后，匀速运行，同时将电机的电流和位置信息输入控制器，通过负载转矩观测器计算负载转矩：
其中，为观测角速度，ωm为实际角速度，/>为观测转矩，p为电机极对数，/>为电机磁链参数，通过离线辨识或在线辨识等方法获得；
(12)计算得到后，经过带通滤波器滤波得到与转速同频的信号Td，并借助锁相环检测不平衡质量大小m及相位角θ，具体步骤为：Td分别与光栅码盘检测到的机架位置θ0的正余弦函数sin(θ0)、cos(θ0)相乘，经过低通滤波后，分别得到直流信号X、Y，通过下式计算θ及m：
其中，R为CT机架半径。
进一步地，步骤(2)所述的转速波动控制模块，通过不平衡质量大小及相位判断模块估计的不平衡质量大小、相位角以及电机当前旋转位置，计算出需要补偿的转矩电流，降低由于不平衡质量引起的转速波动。
进一步地，所述的转速波动控制模块在CT旋转的匀速扫描阶段，根据每个时刻的机架旋转位置θ0，增加对应的转矩电流：
有益效果：与现有技术相比，本发明的有益效果：1、本发明属于在线监测，且无需采用振动传感器，由转矩观测器、带通滤波器、锁相环组成的不平衡质量判断模块，可利用CT直驱电机本身的信息，更加快速、及时的估计出不平衡质量的大小和相位信息；2、不平衡质量引起的机架转速波动，将影响实际成像质量，目前未有专利对该问题进行讨论，本发明的转速波动控制模块，可利用不平衡质量判断模块的信息，补偿相应的转矩电流，降低转速波动，提高扫描的图像质量。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明的控制系统框图；
图3为本发明的不平衡质量相位角定义示意图；
图4为本发明不平衡质量观测转矩与实际转矩仿真波形示意图；
图5为本发明不平衡质量大小估计仿真波形示意图；
图6为本发明不平衡质量相位估计仿真波形示意图；
图7为是本发明电流补偿控制模块前后的CT机架转速仿真波形示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明，如图1所示，本发明提供的一种用于直驱型CT机架的在线不平衡质量检测及控制方法，具体包括以下步骤：
步骤1：控制系统框图如图2所示，在原直驱CT电机速度环控制系统的基础上，增加不平衡质量大小及相位判断模块、转速波动控制模块。不平衡质量大小及相位判断模板由负载转矩观测器、带通滤波器、锁相环组成。
在进入CT机架匀速旋转阶段后，首先经过不平衡质量大小及相位判断模块估计不平衡质量大小及相位信息，然后对不平衡质量大小m进行判断，超过临界值M时，立即控制CT停止运转；当不平衡质量小于M时，继续匀速运行，开启CT机架上的扫描设备，并加入转速波动控制模块，在原PI控制的基础上，前馈补偿对应的转矩电流，降低转速波动。
启动时，电机驱动器首先给定斜坡加速信号，检测到电机速度达到额定转速后，匀速运行，同时将电机的电流和位置信息输入控制器，通过负载转矩观测器计算负载转矩：
其中，为观测角速度，ωm为实际角速度，/>为观测转矩，p为电机极对数，/>为电机磁链参数，通过离线辨识或在线辨识等方法获得。
计算得到后，经过带通滤波器滤波得到与转速同频的信号Td，并借助锁相环检测不平衡质量大小m及相位角θ，如图3所示，以光栅码盘Z信号为参考原点，具体步骤为：Td分别与光栅码盘检测到的机架位置θ0的正余弦函数sin(θ0)、 cos(θ0)相乘，经过低通滤波后，分别得到直流信号X、Y，通过下式计算θ及m：
其中，R为CT机架半径。
直驱型CT机架呈环形，机架的外侧圆周装有磁钢，基座上固定对应的定子绕组，驱动器通过改变绕组电流来控制机架旋转，此外，基座上还固定有光栅码盘，用于检测机架旋转位置。CT机架额定转速达到60r/min，可进行光学扫描。
该实施方式中所涉及的CT直驱电机参数如下表所示：
表1 CT直驱电机参数
启动时，电机驱动器首先给定斜坡加速信号，检测到电机速度达到额定转速后，匀速运行。此处加速至额定转速60r/min；通过图2中的不平衡质量判断模块对不平衡质量的大小和相位进行判断：
首先将电机的三相电流ia、ib、ic和光电编码器检测到的机架旋转位置θ0输入控制器，通过旋转坐标变换，将三相电流ia、ib、ic转化为dq轴电流id、iq，并对光栅码盘检测到的机架位置θ0进行微分得到机架旋转角速度ωm，然后，利用负载转矩观测器对负载转矩进行观测：
式中，为观测角速度，/>为观测转矩，p为电机极对数，/>为电机磁链参数，可通过离线辨识或在线辨识等方法获得。
计算得到后，经过带通滤波器滤波得到不平衡质量部分引起的观测转矩 Td，如图4所示，为本发明实施实例中的不平衡质量观测转矩与实际转矩仿真波形示意图，观测转矩快速跟踪了实际转矩。
借助锁相环检测不平衡质量大小m及相位角θ，具体步骤为：
Td分别与光栅码盘检测到的机架位置θ0的正余弦函数sin(θ0)、cos(θ0)相乘，经过低通滤波后，分别得到直流量X、Y，通过下式计算θ及m：
式中，R为CT机架半径。
步骤2：对不平衡质量大小进行判断，超过临界值M时，立即控制CT停止运转；当不平衡质量小于M时，继续匀速运行，并加入转速波动控制模块，增加对应的转矩电流。
如图5、图6所示分别为本发明实施实例所涉及的不平衡质量大小及相位估计示意图，仿真中，加入不平衡质量10kg,不平衡质量初始相位为0.78rad，通过带通滤波器和锁相环的处理后，估计出的不平衡质量为9.6kg,初始相位0.77rad。
不平衡质量超过临界值20kg时，立即控制CT停止运转；当不平衡质量小于 20kg时，继续匀速运行，并开始图像扫描。
图像扫描过程中，通过图2中的转速波动控制模块在CT旋转的匀速阶段，根据每个时刻的机架旋转位置θ0，补偿对应的转矩电流：
加入转速波动控制模块前后的转速波形如图7所示。仿真中，无转速波动控制模块下的CT机架转速出现明显的正弦波动，将会影响实际图像的扫描质量，加入转速波动控制模块后，CT机架转速误差明显减小，图像质量也会因此改善。

Claims (3)

1.一种用于直驱型CT机架的在线不平衡质量检测及控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在进入CT机架匀速旋转阶段后，经过不平衡质量大小及相位判断模块分析不平衡质量大小及相位信息；
(2)对不平衡质量大小进行判断，超过临界值M时，立即控制CT停止运转；当不平衡质量小于M时，继续匀速运行，开启CT机架上的扫描设备，并加入转速波动控制模块，增加对应的转矩电流，降低转速波动；
步骤(1)所述的不平衡质量大小及相位判断模板由负载转矩观测器、带通滤波器、锁相环组成；
所述转速波动控制模块在CT旋转的匀速扫描阶段，根据每个时刻的机架旋转位置θ0，增加对应的转矩电流：
其中，m为CT机架电机转子质量，R为CT机架半径，p为电机极对数，为电机磁链参数，θ为相位角。
2.根据权利要求1所述的一种用于直驱型CT机架的在线不平衡质量检测及控制方法，其特征在于，所述步骤(1)包括以下步骤：
(11)启动时，电机驱动器首先给定斜坡加速信号，检测到电机速度达到额定转速后，匀速运行，同时将电机的电流和位置信息输入控制器，通过负载转矩观测器计算负载转矩：
其中，为观测角速度，ωm为实际角速度，/>为观测转矩，p为电机极对数，/>为电机磁链参数，通过离线辨识或在线辨识获得；iq为转矩电流；
(12)计算得到后，经过带通滤波器滤波得到与转速同频的信号Td，并借助锁相环检测的转子质量m及相位角θ，具体步骤为：Td分别与光栅码盘检测到的机架位置θ0的正余弦函数sin(θ0)、cos(θ0)相乘，经过低通滤波后，分别得到直流信号X、Y，通过下式计算θ及m：
其中，R为CT机架半径。
3.根据权利要求1所述的一种用于直驱型CT机架的在线不平衡质量检测及控制方法，其特征在于，步骤(2)所述的转速波动控制模块，通过不平衡质量大小及相位判断模块估计的不平衡质量大小、相位角以及电机当前旋转位置，计算出需要补偿的转矩电流，降低由于不平衡质量引起的转速波动。
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