伺服控制器为医疗影像系统提供性能优势

近年来，医疗影像技术飞速发展，影像系统产生图像的速度以及图像的解析度都有相应的提升。由于医疗影像技术的进步，完成扫描所需时间和生成影像的质量的限制因素已经不再是影像技术，而是运动控制系统。因此，医疗影像设备的原始设备制造商 (OEM) 开始寻求用于定位扫描架的传统的交流感应电机的替代方案。

伺服电机比感应电机定位更迅速和精确。但是，由于医疗扫描架产生的惯性载荷较高，因此以前伺服电机很难在此种应用下工作。但是最近，采用数字双二次滤波器的新一代驱动技术使伺服电机能够按照高达1000:1的惯性荷载成功地应用到扫描架，同时解决了相关的共振难题。因此，运动更加精确，加速和减速更迅速，产生更高的生产能力和更清晰的影像。		  
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伺服技术的进步使伺服系统比感应传动系统定位更快更精确。医疗影像原始设备制造商 (OEM) 可以提供扫描更快速和产生影像质量更高的设备。

感应电机与伺服电机
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配备双二次滤波器的伺服系统在扫描架应用方面具有显著优势。这类伺服系统可以提供更精确的传动以及更快的加速和减速，因此与感应传动相比，生产能力得到提高，所产生的影像也更清晰。		   开环和闭环交流感应电机已经主导了影像设备扫描架定位市场，这些影像设备包括计算机断层扫描设备(CT) ，电子发射断层扫描-计算机断层扫描设备 (PET-CT) 和X光机等。交流感应电机的高惯性减少了电机和载荷之间的不匹配。但是，由于医疗设备制造商想要提高设备的生产能力和影像质量，他们通常受到这类电机固有的性能局限性的限制。

在许多需要快速和精确定位的应用领域，感应电机已经被永磁式伺服电机取代，后者可以提供极高的峰值转矩和连续转矩，从而产生较高的加速率和减速率，显著提高精密定位系统的性能。这类电机的主要优势是转矩与输入电流成正比，同时速度与输入电压相关。

低惯性结构是许多永磁式伺服电机的固有设计。因此，需要考虑扫描架的高惯性载荷与伺服电机的低载荷之间的较大不匹配比。伺服电机控制系统可以经过整定以应对惯性不匹配的情况，但是一旦整定后，由于惯性载荷增加或减少，伺服电机响应性能下降。对于大多数医疗应用，载荷很少变化；但是这些装置中通常使用的皮带传动导致电机和载荷之间产生相容性或空转问题，进而改变反射惯性。
 
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通过特定系数在900 Hz点产生节点函数，900 Hz的频率可以显著减少。该图显示进入滤波器的900 Hz输入频率，由于陷波滤波器的作用，滤波器输出振幅明显降低。		   优化控制系统

为了使伺服系统有效地运转，需要整定伺服放大器以优化系统的响应性能。提高系统的响应性能通常需要提高增益。但是，增益过大将导致不稳定，有时会无法控制振动。因此，系统整定的目标是获得最大响应性同时尽量减少不稳定性。就电机接受速度整定指令而言，不稳定性会导致动作过头。

例如，提高控制系统的惯性值可能导致电机过度执行指令。一方面，随着惯性的增加，不稳定性的频率降低并且需要更长的校正时间。另一方面，随着惯性相对于给定整定值的增加，电机变得不稳定，不稳定性频率相对较高。为了消除这些振动，系统必须解调。当整定值减少时，振动将停止但也会降低系统的性能。

当增益为-3dB或更小，输出相位与控制信号相差-45度或更小，或与电机参考值相差-135度时，控制系统失去控制。众所周知，开环传递函数使用两种方式预测稳定性问题：相位裕度 (PM) 和增益裕度 (GM) 。相位裕度是增益为0时的频率所对应的开环相位和-180度之间的差值。		  
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现在进入滤波器的频率已经降低，900 Hz点以外的频率干扰非常小。可以通过降低增益调节宽度、截断深度和总体形状。此外，该方差不需要更多的滤波器串联——仅需要不同的系数。双二次滤波器也可以自动适应以避免任何可能干扰系统的高频共振。

增益裕度是相位穿过-180度时其频率所对应的开环增益的负值。载荷的不可预测性越大，相位裕度和增益裕度就越大，以确保控制系统的稳定性。

例如，当共振频率远低于初相交叉点频率 (270 Hz) 时，相容载荷的作用是减少增益裕度。如果惯性不匹配值为5，增益裕度减少值为6，即大约16dB。假设没有其他校正方法，与刚性系统相比，相容耦合系统的增益不得不减少16 dB，前提是两个系统都保持相同的增益裕度。增益的大幅减少将使系统接收指令和干扰响应能力变差。


滤波器能使伺服控制器管理相容性

最近，伺服控制系统制造商已经显著提高了惯性不匹配和相容载荷的补偿能力。这些研究的依据是相容机械系统通常具有一些容易振荡的共振点，同时在其他频率会获得更好的性能。传统的方式是使用低通，带通和高通滤波器消除有害的频率。该方法本身的问题是多个滤波器消除所有共振会导致计算延迟和相位移动，容易造成系统失控。

最近，双二次滤波器的使用使系统的性能显著提高。双二次滤波器包括两个带有五个系数的二次方程，这样滤波器几乎可以模拟任何简单滤波器的组合，同时不会造成明显的延迟。通过整定产生问题的频率，双二次滤波器实现了提高相位裕度和增益裕度优化伺服系统性能的目标。例如，机械系统的共振频率为200 Hz，可以配置双二次滤波器消除200 Hz，同时在更低控制频率点保持高增益。

需要注意的是，大型带式驱动的扫描架具有较强的物理转折频率 (roll-off) ，使它们与低通滤波器一样截断所有高于大约10 Hz的频率。借助在10Hz点截断增益同时通过30Hz和40Hz之间的速度环，可以显著提高关键控制频率点(大约2至4 Hz) 的增益。
 
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该图解释处理大型载荷的系统传递函数。系统在大约135 Hz到达峰值，在该频率上试图提高增益将导致系统不稳定和共振。但是，使用简单的双二次滤波器则可以通过提高较低的频率同时截断较高的频率，提供优越的增益裕度。所以，通过数字滤波器的系统，可以提高10 Hz频率范围并降低135 Hz频率范围。
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该图解释使用双二次滤波器时传递函数的形状。
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当双二次滤波器集成到共振系统的传递函数中时，高频率被截断，并获得具有较高增益的平坦响应。在该例中，共振峰值降低了40dB，相当于100 增益。这样，增益可以按比例提高，产生高频率响应和更稳定的系统。

速度反馈装置配合双二次滤波器可以大幅提高面临低频率共振问题的系统的性能。与传统的单极低通滤波器相比，双二次滤波器和增益组合可以使校正时间减少为原来的三分之一，带宽提高三分之一。同时，反馈装置通过显著减少加速度和跃度力，维持稳定裕度。

因此，新一代伺服控制器可以通过配置提供补偿影像应用中的高惯性载荷和相容性所需的增益裕度和相位裕度。医疗影像设备制造商可以并希望利用伺服电机提供的更高加速度和速率，以便使系统显著提高客户的生产能力。此外，伺服系统的主要制造商已经提高了制造效率，将伺服技术的成本降低到与交流感应电机相同的水平。
 
相容机械系统的VisSim可视解决方案模型用于分析控制器的运行情况.png
 
相容机械系统的VisSim（可视解决方案）模型用于分析控制器的运行情况。右图显示控制器在校正位置回路时，载荷在振动。这就是扫描架使用带式传动在高惯性不匹配比情况下发生的情况。载荷移动幅度明显大于控制系统的识别范围，回声造成振动。
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当载荷电机惯性比从50:1降低到10:1，稳定性增加，清晰的位置和速度图显示无振动。加速时间降低，实际速度轨迹更接近指令，校正时间最大程度降低。

 

作者：

Lee Stephens，资深运动控制工程师

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