超聲波電動機在核磁共振醫(yī)療設備中的應用

董金寶，張 武，潘云華，張小亞

(1.西北工業(yè)大學，陜西西安710072;2.西安創(chuàng)聯(lián)超聲技術有限責任公司，陜西西安710076)

0 引 言

核磁共振成像(以下簡稱MRI)是20世紀80年代才發(fā)展起來的影像診斷技術。其基本原理是將人體置于特殊的磁場中，用無線電射頻脈沖激發(fā)人體內(nèi)氫原子核，引起氫原子核共振，并吸收能量。在停止射頻脈沖后，氫原子核按特定頻率發(fā)出射電信號，并將吸收的能量釋放出來，被體外的接受器收錄，經(jīng)電子計算機處理獲得圖像，這就叫做核磁共振成像。MR掃描設備根據(jù)磁體的形成可分為永磁型(釹鐵硼)、電磁型及超導型三種，根據(jù)磁場的強度可分為高場、中場及低場，高場是指1.0 T以上的，低場是指0.3 T以下的，其余為中場的。

超聲波電動機是國外20世紀80年代發(fā)展起來的一種直接驅(qū)動的新型微特電機。同傳統(tǒng)電磁電機相比，超聲波電動機不依靠電磁相互作用來傳遞能量，而是利用壓電陶瓷片的逆壓電效應激發(fā)的微觀振動作為驅(qū)動力，通過共振放大和摩擦耦合轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子或滑塊的宏觀運動。具有低速大扭矩、無電磁干擾、響應快速、運行無噪聲、斷電自鎖等優(yōu)點。在精密控制領域、工業(yè)控制系統(tǒng)、汽車專用電器、機器人應用、醫(yī)療設備等領域具有比傳統(tǒng)電機更優(yōu)越的應用前景［1－3］。正是超聲波電動機無繞組、無電磁場的特點，成為核磁共振醫(yī)療設備中執(zhí)行電機的首選。

1 電機結構設計

根據(jù)客戶對額定力矩要求，我們選用USM50超聲電機。而且無磁電機要求電機的各個零件不能導磁，所以在定子、轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)軸、軸承、機殼等材料選擇上必須是不導磁材料。

電機結構如圖1所示，定子材料采用鋁青銅，轉(zhuǎn)子采用硬鋁合金，軸采用黃銅機殼采用鋁合金，軸承采用陶瓷基軸承。

圖1 電機截面圖

2 控制器硬件設計

超聲波電動機速度調(diào)節(jié)采用調(diào)頻調(diào)速。壓控振蕩器CD4046鎖相環(huán)芯片作為硬件設計的核心，CD4046內(nèi)部含有一個鑒相器、壓控振蕩器，其外部引腳如圖2所示。作為方波發(fā)生器用，通過調(diào)節(jié)9腳輸入電壓Vin大小就可以改變輸出方波信號Vout的頻率。

圖2 HEF4046引腳圖

控制器采用微芯16位單片機PIC16F913。絕對編碼器輸出的位置信號經(jīng)過解碼后輸入到I/O口，正轉(zhuǎn)時其位置信號十六進制數(shù)遞增;反轉(zhuǎn)時遞減。經(jīng)過內(nèi)部程序計算處理后，得到電機的轉(zhuǎn)速和絕對位置。根據(jù)給定轉(zhuǎn)速實時調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，經(jīng)過外部D/A 5615和運放LM358放大轉(zhuǎn)換為電壓信號，送到CD4046的9腳VCIN，調(diào)節(jié)電機驅(qū)動頻率，使電機速度跟蹤給定轉(zhuǎn)速。單片機同時根據(jù)上位機給定位置和正反轉(zhuǎn)方向指令，外環(huán)作閉環(huán)控制，實時給出CW/CCW信號和電機起停信號。PIC16F913及其外部電路連接如圖3所示。

圖3 電路原理圖

3 通 信

上位機和控制器的通信采用串口通信，電平轉(zhuǎn)換采用芯片RS232。主要包括接收上位機發(fā)送的速度、位置及控制信號;向上位機發(fā)送速度、位置脈沖信號。根據(jù)控制要求用Visual Basic語言編寫了通信界面，如圖4所示?？梢詫崿F(xiàn)位置置零、順時轉(zhuǎn)動、逆時轉(zhuǎn)動、轉(zhuǎn)速設定、位置設定，而且可以設置連續(xù)指令執(zhí)行。執(zhí)行完之后對電機位置返回執(zhí)行信息。

圖4 通信界面

4 控制算法實現(xiàn)

由于超聲波電動機沒有精確的數(shù)學模型，具有時變性和非線性特征，定子的諧振頻率會隨溫度等條件變化發(fā)生漂移［4］。為了滿足快速響應、精確定位等指標，控制系統(tǒng)采用調(diào)頻控制，位置傳感器采用32768線高精度絕對編碼器。控制方法上在綜合了常規(guī)PID控制、模糊控制、自適應控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制及將兩者結合的模糊－PID控制的特點后，采用具有算法簡單、精度高、可靠性好、容易實現(xiàn)的常規(guī)PID控制。本設計采用固定增益PID控制。PID控制器的控制律:

式中:Kp為比例因子;Ti和TD為積分、微分時間常數(shù)。

在計算機控制系統(tǒng)中，為了便于程序?qū)崿F(xiàn)，將式(1)離散為數(shù)字形式:

通過在線整定 Kp、KI、KD，分別取 1、3、1。

5 軟件設計

軟件設計要求可靠性與穩(wěn)定性高，執(zhí)行速度快。采用微芯系列單片機指令集匯編語言編寫。主要功能實現(xiàn)包括和上位機的通信、定時采樣編碼器的脈沖信號對電機測速、根據(jù)編碼器信號對電機轉(zhuǎn)速作PID調(diào)節(jié)、位置作閉環(huán)控制。其次還有系統(tǒng)定時器Timer控制寄存器設置、中斷控制寄存器設置、串行通信設置等。軟件設計流程圖如圖5所示。

圖5 程序流程

6 控制系統(tǒng)試驗

根據(jù)要求設計控制系統(tǒng)硬件、軟件，搭建試驗平臺，如圖6所示。電機為50 mm的環(huán)形行波無磁超聲波電動機，32 768線光電編碼器。對電機作空載試驗，電機轉(zhuǎn)速要求為1～8 r/min，用自制的數(shù)字測速系統(tǒng)進行速度測試，測試數(shù)據(jù)如表1所示?？梢钥闯鲭姍C運行時的瞬態(tài)速度有微小的振蕩，這主要是超聲波電動機的原理、結構、材料、工藝等綜合因素決定的。雖然超聲波電動機定轉(zhuǎn)子之間的摩擦力很大，但是電機到了給定位置后還會有過沖的。為了精確定位，防止過沖，轉(zhuǎn)速采用PI控制使轉(zhuǎn)子快到位置時轉(zhuǎn)速降下來，基本可以實現(xiàn)位置精確定位。

圖6 試驗平臺

表1 轉(zhuǎn)速測試數(shù)據(jù)

7 結 語

根據(jù)電機性能指標和控制要求設計了USM50無磁超聲波電動機樣機和控制器。試驗結果表明電機能實時跟蹤給定轉(zhuǎn)速和角度位置信號，響應時間和控制精度滿足控制指標要求。同時也拓寬了超聲波電動機在醫(yī)療設備中的應用領域。

［1］胡敏強，金龍，顧菊平.超聲波電機原理與設計［M］.北京:科學出版社，2005.

［2］甘云華，金龍，胡敏強，等.基于鎖相環(huán)的超聲波電機頻率跟蹤控制技術［J］.哈爾濱理工大學學報，2009，14(2):66 －70.

［3］金龍，褚國偉，王心堅，等.基于DSP的超聲波電機控制系統(tǒng)［J］.電工技術學報，2004，19(8):93 －98.

［4］金龍，褚國偉，胡敏強，等.超聲波電機速度與定位控制系統(tǒng)［J］.中國電機工程學報，2005，25(1):131－136.