直流伺服系統(tǒng)應(yīng)用

摘要：本文針對直流伺服系統(tǒng)在醫(yī)療設(shè)備應(yīng)用方面的可行性進

行了實驗，參考固定角雙探頭SPECT（以下簡稱BHP6603）運動控制模式，將原交流伺服替換為直流伺服，對比單光子發(fā)射計算機斷層裝置（以下簡稱SPECT）控制方式，進行相關(guān)運動控制實驗。

關(guān)鍵詞：直流電機 直流驅(qū)動器 運動控制

1 概述

直流伺服，顧名思義，使用直流電源工作，在具體的使用中，它有著交流伺服無可比擬的優(yōu)勢，其最大的優(yōu)點不會像交流伺服那樣產(chǎn)生逆變磁場對外圍發(fā)出干擾，這一點對于醫(yī)療設(shè)備來說，有著重要的意義。從成本上考慮，直流伺服系統(tǒng)與交流伺服系統(tǒng)并無明顯優(yōu)勢，但對于控制方式，直流伺服比交流伺服更加多樣化，針對于SPECT而言，完全可以取代PLC系統(tǒng)，使用其他控制方式，例如BHP6603的工控機系統(tǒng)，這樣在成本比較上，直流伺服仍比交流伺服有優(yōu)勢。從以上分析可以看出，直流伺服取代交流伺服將成為一種趨勢。直流伺服使用的電機為直流電機，電機從工作方式上分為有刷和無刷兩種，無刷電機的定子上需要開槽，所以也存在著一定的局限性。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，磁極受定子齒的引力大于受定子齒間隙之間的引力，這種不均勻的磁力，又叫齒槽效應(yīng)，不但會降低電機效率而且也會使低速下的平滑運轉(zhuǎn)變得困難。就目前采用的技術(shù)而言，對于典型的操作壓力和真空負荷，無刷電機的效率值一般在50%-60%之間[1]，有刷電機則無這方面的缺點，有刷直流電機成本較低，扭力大，但換相器為碳刷，有使用壽命限制，這也是有刷電機的重要缺點，但綜合有刷與無刷的優(yōu)缺點，直流有刷電機是目前醫(yī)療設(shè)備較好的選擇。

目前BHP6601及BHP6603均采用交流伺服驅(qū)動來進行工作，本文主要探討應(yīng)用直流伺服驅(qū)動的可行性。下面將進行有刷直流伺服系統(tǒng)的運動控制實驗，用以驗證直流伺服系統(tǒng)的相關(guān)控制設(shè)置。

2 設(shè)計方案及結(jié)果驗證

2.1 設(shè)計方案 BHP6603運動控制，使用運動控制卡及三菱交流伺服，現(xiàn)使用直流伺服替換交流伺服，用于驗證直流伺服系統(tǒng)的功能，并與交流伺服功能對比，以達到驗證直流伺服應(yīng)用可行性的目的。

2.2 設(shè)計方案驗證內(nèi)容

2.2.1 直流伺服選型。驗證直流伺服應(yīng)用于BHP6603的可行性，首先需要滿足的條件是基本功能同于或多于交流伺服，BHP6603選用三菱MR-J3-20A（以下簡稱J3）型交流伺服，目前使用的功能是在位置控制模式下，通過接收運動控制卡發(fā)送的脈沖+方向信號，控制電機運動的位置及速度，在實驗中，也將針對這些功能進行驗證。

根據(jù)表J3參數(shù)手冊[2]，選定直流伺服Dpralte-020B-

080[3]，表1中為主要功能對比。

Dpralte-020B080在供電上只需要直流24VDC電壓，而交流伺服則需要220VAC和24VDC兩種電源，24VDC作為安全工作電壓，這一點上明顯要優(yōu)于交流伺服，在控制方式與接受反饋信號等功能上要優(yōu)于交流伺服，從這兩點上分析，Dpralte-020B080這款驅(qū)動是滿足使用要求的，在保護功能上，交流伺服能夠更好的輸出保護信號（報警信號），直流伺服則可以選擇4種主要的保護功能，從這一點上，直流伺服略遜于交流伺服，綜合考慮，針對于BHP6603，J3與Dpralte-020B080都能夠滿足使用要求，故選定Dpralte-020B080作為本次試驗使用的直流伺服。

對于電機的選擇，J3有著一定的局限性，它只能與三菱HF-MP/HF-KP系列電機進行匹配，BHP6603中使用的電機型號為HF-KP23（B）[2]，參看其參數(shù)手冊，選定電機型號GR80×80[4]，用于匹配Dpralte-020B080，表2中為主要參數(shù)對比。

表2 HF-KP23（B）與GR80×80參數(shù)對比

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兩種電機的轉(zhuǎn)矩、額定轉(zhuǎn)速、功率等基本一致，從電機的連續(xù)運行角度看，兩種電機是可以互換的，但最大轉(zhuǎn)矩卻相差很多，從表2上可以看出，兩種電機最大轉(zhuǎn)矩差值4.18N·m，直流電機在啟動瞬間有更大的轉(zhuǎn)矩帶動負載，而交流電機在超出最大轉(zhuǎn)矩范圍后，則會報錯過載，這一點是直流電機要優(yōu)于交流電機，針對于BHP6603，可以選定GR80×80作為本次實驗的直流電機。

2.2.2 方案驗證過程記錄。在直流驅(qū)動器中有3個非常重要的參數(shù)曲線，電機與驅(qū)動器的匹配，需要通過調(diào)節(jié)這些參數(shù)來實現(xiàn)，它們分別是電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)。在位置控制模式下，可以使用位置環(huán)與電流環(huán)兩組曲線進行設(shè)定，也可以使用電流環(huán)等3組曲線來設(shè)定。

A-M-C直流驅(qū)動器可以通過上位機軟件DriveWare[5]進行設(shè)定。根據(jù)表GR80×80電機參數(shù)，設(shè)置驅(qū)動器電機相關(guān)參數(shù)，調(diào)節(jié)環(huán)路曲線的設(shè)定。環(huán)設(shè)置是交流伺服與直流伺服設(shè)置區(qū)別較大的地方，通常情況下，交流伺服匹配的電機是固定的，通過設(shè)置驅(qū)動器內(nèi)置參數(shù)表，設(shè)定數(shù)據(jù)，電機與驅(qū)動器不存在不匹配的情況，而直流伺服的電機可以是有刷電機，也可以是無刷電機，功率只要在驅(qū)動器額定功率內(nèi)的電機都可以選擇，這樣就增加了電機選擇的空間，從而通過上述環(huán)設(shè)置，來匹配電機，這種方式為最大限度的節(jié)約成本提供了可能性。

驗證試驗將使用Dpralte-020B080與GR80×80進行匹配，模擬BHP6603交流伺服系統(tǒng)功能，通過PC機安裝運動控制卡與光耦合板（BHP6603使用）模擬電機在BHP6603上的工作狀態(tài)。本方案主要驗證包括以下幾個方面：①脈沖+方向信號控制電機實現(xiàn)速度與位置運轉(zhuǎn)；②電機正反轉(zhuǎn)及限位輸入有效性；③伺服開啟及緊急停止；④報警信號有效性。

試驗結(jié)果如下：①使用運動控制卡示范軟件，操縱電機運轉(zhuǎn)，包括正向與反向運動，通過試驗得出，在上位機發(fā)送固定數(shù)量脈沖數(shù)的條件下，電機能夠完成相應(yīng)運動，運動方向由脈沖方向決定，電機編碼器反饋脈沖數(shù)與邏輯脈沖（發(fā)出脈沖）數(shù)基本一致；②使用示范軟件控制電機連續(xù)運動，在電機運動過程中，將限位線號輸入線分別置高電平，通過試驗得出，在限位信號有效的情況下，電機能夠即時停止運動。③在電機連續(xù)運動狀態(tài)下，分別將伺服開啟及急停信號置高電平，得出，在急?；蛩欧_啟信號有效的情況下，伺服會根據(jù)信號輸入狀態(tài)做出動作。④在電機連續(xù)運行的條件下，將急停置高電平，電機停止運動，得出，在報警有效輸出的條件下，驅(qū)動器能夠即時停止電機運動。

2.3 驗證結(jié)果 綜合以上實驗結(jié)果，從功能上講，直流伺服系統(tǒng)在BHP6603運動控制系統(tǒng)中，可以實現(xiàn)交流伺服所有功能，從性價比上講，直流伺服可以更好的控制成本，直流伺服可以替代交流伺服使用。

3 結(jié)論

直流伺服較交流伺服優(yōu)勢是明顯的，尤其低干擾的特性，在醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域，直流伺服可能會逐步取代交流伺服，在本次實驗中，也充分的證明了直流伺服在功能滿足使用要求，本次實驗所做的僅僅是直流伺服控制的一小部分，還有更多的功能等待著人們?nèi)ラ_發(fā)使用，筆者相信，直流伺服系統(tǒng)在不久的將來，應(yīng)該會成為醫(yī)療設(shè)備運動控制應(yīng)用的主流。

參考文獻：

[1]《微型泵驅(qū)動便攜醫(yī)療器械》，中國雜志.

[2]《MELSERVO J3》，三菱電機，8/29/2006.

[3]《AMC直流伺服驅(qū)動器dpralte-020b080》，A-M-C，3/26/

2010.

[4]《GR80×80》，德恩科，10/29/2010.

[5]《AMC_DriveWareSoftwareManual》，A-M-C.

作者簡介：劉金東（1984-），男，滿族，助理電氣工程師，本科，主要研究方向：電氣自動化。