一種用于高頻超聲探頭的掃描電機(jī)及控制系統(tǒng)

鄒艷榮，鄭 政

(上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海200093)

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一種用于高頻超聲探頭的掃描電機(jī)及控制系統(tǒng)

鄒艷榮，鄭 政

(上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海200093)

對于以體表器官為主要應(yīng)用對象的甚高頻超聲來說，扇掃方式下超聲對組織的入射角在整個(gè)成像平面上分布極不均勻，會(huì)導(dǎo)致圖像邊緣部分的成像質(zhì)量嚴(yán)重下降問題。文中提出了一種側(cè)面輸出的音圈電機(jī)及其伺服控制系統(tǒng)，用于高頻超聲探頭的線性掃描。伺服系統(tǒng)采用STM32F103作為主控芯片，光電編碼器作為位置傳感器，同時(shí)使用PD算法對驅(qū)動(dòng)電壓進(jìn)行PWM調(diào)節(jié)。系統(tǒng)仿真和實(shí)驗(yàn)選擇了適當(dāng)?shù)目刂茀?shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該電機(jī)及其控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、精度高的優(yōu)點(diǎn)，符合超聲成像的要求。

音圈電機(jī)；伺服控制；高頻超聲；線性掃描

ZOU Yanrong, ZHENG Zheng

(School of Medical Instrument and Food Engineering, University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093, China)

甚高頻超聲成像廣泛用于人體的淺表組織檢查，比如眼、皮膚等。由于換能器技術(shù)的限制，探頭以單晶片聚焦換能器機(jī)械掃描方式為主。常用的機(jī)械掃描方式是機(jī)械扇掃，具有結(jié)構(gòu)簡單可靠、聲窗尺寸小的優(yōu)點(diǎn)。但對于以體表器官為主要應(yīng)用對象的甚高頻超聲來說，扇掃方式下超聲對組織的入射角在整個(gè)成像平面上分布極不均勻，導(dǎo)致圖像邊緣部分的成像質(zhì)量嚴(yán)重下降，在眼球這樣的球器官中這一問題尤其突出。線性掃描是解決這一問題的有效方法。

文獻(xiàn)[1]提出用齒輪齒條將直流電機(jī)的圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)線性掃描，該方法結(jié)構(gòu)簡單、電機(jī)傳動(dòng)力大、承載能力強(qiáng)、材料獲取容易，但是由于需要利用機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)變換，所以振動(dòng)和噪聲較大，長時(shí)間使用產(chǎn)生的磨損還會(huì)導(dǎo)致傳動(dòng)間隙增加從而導(dǎo)致較大的掃描誤差。

提出一種基于音圈電機(jī)的直線驅(qū)動(dòng)方法，用于甚高頻超聲探頭，由于省去了運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，可以有效克服上文提到的缺點(diǎn)。但是音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)需要合理設(shè)計(jì)相應(yīng)的伺服控制系統(tǒng)，使得超聲探頭在有效行程內(nèi)實(shí)現(xiàn)高精度的運(yùn)動(dòng)。

1 音圈電機(jī)結(jié)構(gòu)和伺服控制系統(tǒng)

1.1 音圈電機(jī)結(jié)構(gòu)

音圈電機(jī)是一種基于安培力原理而設(shè)計(jì)的電機(jī)[2-3]，具備良好的靜動(dòng)態(tài)性能和控制特性。其無需傳動(dòng)機(jī)構(gòu)就可以直接獲得直線運(yùn)動(dòng)。

音圈電機(jī)由定子和動(dòng)子兩部分組成。定子由圓筒狀軛鐵、圓柱形鐵芯和兩塊瓦狀永久磁鐵組成，軛鐵和鐵芯構(gòu)成閉合磁路，磁鐵貼在軛鐵內(nèi)壁，和軛鐵緊密接觸，磁鐵和鐵芯之間的空間形成一個(gè)磁隙，其間的磁場近似勻強(qiáng)磁場。動(dòng)子是一個(gè)由滑塊和線圈組成的一體結(jié)構(gòu)，滑塊安裝在直線導(dǎo)軌上，線圈則套在鐵芯上，線圈內(nèi)徑略大于鐵芯直徑而外徑略小于磁鐵內(nèi)徑，所以動(dòng)子可沿鐵芯方向以直線方式運(yùn)動(dòng)。和傳統(tǒng)的音圈電機(jī)不同，文中的電機(jī)運(yùn)動(dòng)輸出設(shè)計(jì)在側(cè)面，滑塊即是其運(yùn)動(dòng)輸出端，在滑塊上安裝超聲換能器，即可實(shí)現(xiàn)線性掃描。位移傳感器的光柵也安裝在滑塊上，隨動(dòng)子運(yùn)動(dòng)。電機(jī)的剖面結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 音圈電機(jī)剖面圖

1.2 伺服控制系統(tǒng)

電機(jī)由一個(gè)伺服系統(tǒng)控制。該系統(tǒng)由位移傳感器、主控芯片和驅(qū)動(dòng)電路3部分組成。位移傳感器是由兩個(gè)光電編碼器，固定在電機(jī)外殼上，光柵尺則是固定在動(dòng)子上，隨動(dòng)子運(yùn)動(dòng)。

主控芯片采用由STM公司生產(chǎn)的STM32F103VET6芯片。該芯片集成了4個(gè)通用定時(shí)器(TIM2～TIM5)，其中TIM3和TIM4作為光柵解碼器，TIM5用作定時(shí)計(jì)數(shù)器，TIM2用作PWM產(chǎn)生。驅(qū)動(dòng)電路是一個(gè)H橋開關(guān)，以脈寬調(diào)制(PWM)方式驅(qū)動(dòng)，控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)便是音圈電機(jī)。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖 2所示。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)圖

1.3 位置檢測

為了用較短的光柵尺檢測較大的位移，文中使用兩個(gè)增量式光電編碼器(圖2中的讀頭1和讀頭2)作為位置傳感器。由于增量式光電編碼器不能確定絕對位置，在電機(jī)外殼的另一端安裝一個(gè)光耦，滑塊上安裝了一個(gè)小的遮光片，當(dāng)滑塊運(yùn)動(dòng)到光耦的位置時(shí)通過I/O外部觸發(fā)就能檢測到該位置，把這個(gè)位置設(shè)為位移零點(diǎn)。

光柵尺在移動(dòng)時(shí)輸出一對正交脈沖信號OUTPUTA和OUTPUTB。這對輸出的脈沖信號分別與主芯片內(nèi)部的TIM3和TIM4的TI1和TI2連接。定時(shí)器在編碼器模式下可計(jì)量脈沖個(gè)數(shù)，并通過固定時(shí)間采樣編碼器的值。當(dāng)TIM3和TIM4同時(shí)工作時(shí)，可以任意取其中一個(gè)編碼值，當(dāng)只有一個(gè)工作時(shí)，那么取該工作定時(shí)器的值作為編碼值，從而得出這段時(shí)間內(nèi)滑塊運(yùn)動(dòng)的相對位移[4]。而實(shí)際位移的取值是根據(jù)相對位移得到的，其取值規(guī)律如下：假設(shè)在t1時(shí)刻，得到相對位移s1,在t2時(shí)刻的位移是s2,那么在這段時(shí)間內(nèi)運(yùn)動(dòng)的實(shí)際位移xt

xt=s1+s2

(1)

1.4 PWM驅(qū)動(dòng)

本文采用的驅(qū)動(dòng)芯片是LG9110。它的內(nèi)部集成了一個(gè)“H”橋雙極模式轉(zhuǎn)換調(diào)壓電路，通過控制兩個(gè)輸入端PWM信號的占空比來調(diào)節(jié)電機(jī)的速度與運(yùn)動(dòng)方向[5]。電機(jī)電樞兩端的平均電壓u與PWM的占空比τ和周期T有關(guān)，其關(guān)系如下

(2)

其中，vcc表示驅(qū)動(dòng)芯片的供電電壓，可變范圍為5～12 V;T為PWM周期，其為定值。

2 控制系統(tǒng)建模與仿真

2.1 系統(tǒng)模型的建立

伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電路輸出作用在音圈電機(jī)的動(dòng)子線圈上。其等效電路可以看成是由一個(gè)電阻和一個(gè)電感串聯(lián)而成，如圖3所示。

圖3 音圈電機(jī)等效電路

根據(jù)音圈電機(jī)的工作原理，其受到的安培力大小可由下式描述

F=NBil

(3)

其中，N為導(dǎo)電線圈的匝數(shù)；l為線圈單圈的周長；B為磁場強(qiáng)度;i為電流強(qiáng)度。另外，其受力方向可根據(jù)左手定則判斷。

對于本文音圈電機(jī)，N,B和l的3個(gè)參數(shù)均為定值，設(shè)k=NBl，代入式(3)后得

F=ki

(4)

如果忽略摩擦力的影響，根據(jù)牛頓定律可得

F=ma

(5)

(6)

其中，m為動(dòng)子的質(zhì)量；a為動(dòng)子的加速度；xt為動(dòng)子的實(shí)際位移。

線圈通電后將會(huì)作切割磁場運(yùn)動(dòng)從而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，感應(yīng)電動(dòng)勢與速度成正比[6]。根據(jù)音圈電機(jī)等效電路和感應(yīng)電動(dòng)勢得出電樞兩端電壓u，如下

(7)

其中，L為線圈的電感值；R為線圈的電阻。

根據(jù)式(2)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電壓由PWM脈寬和驅(qū)動(dòng)芯片的供電電壓決定。而PWM脈寬τ可由指令位移xs和實(shí)際位移xt的誤差經(jīng)PD算法調(diào)節(jié)得到。誤差及PD算法式子如下

et=xs-xt

(8)

(9)

由式 (2)和式(4)～式(9)經(jīng)過拉普拉斯變換得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù)

(10)

根據(jù)實(shí)際測量,N=76,B=0.2 T,l=50.2 mm,m=5.3×10-2kg,L=2.43 mH,T=0.2×10-3s,R=2.2 Ω,將它們代入式(10)，其它未知系數(shù)都是可調(diào)的。

2.2 系統(tǒng)仿真

根據(jù)上述建立的系統(tǒng)模型，除實(shí)際測量值已知外，驅(qū)動(dòng)芯片供電電壓vcc、微分系數(shù)kd和比例系數(shù)kp的選擇會(huì)影響電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性，因此，對不同取值的驅(qū)動(dòng)電壓、微分系數(shù)和比例系數(shù)進(jìn)行仿真[7]。

圖4 不同取值的階躍響應(yīng)和頻譜

仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果根據(jù)圖可以看出，當(dāng)改變各個(gè)參數(shù)時(shí)，到達(dá)穩(wěn)態(tài)的時(shí)間不一樣，超調(diào)量也在發(fā)生變化。但在時(shí)間趨于無窮大時(shí)，穩(wěn)態(tài)誤差趨于0。在圖4(a)中，其它虛線與實(shí)線進(jìn)行對比，可以看出系統(tǒng)的超調(diào)量與響應(yīng)時(shí)間和vcc、kd和kp有密切的關(guān)系。當(dāng)vcc、kd和kp發(fā)生變化時(shí)，響應(yīng)時(shí)間和超調(diào)量均發(fā)生明顯變化。當(dāng)kp=0.005,kd=0.000 3,vcc=6 V超調(diào)量響應(yīng)的最大值是1.09，<10%，響應(yīng)時(shí)間0.01 s。高頻超聲成像的幀頻通常約在5 Hz[8-9]，即電機(jī)運(yùn)動(dòng)周期要求0.2 s，0.01 s的響應(yīng)時(shí)間是整個(gè)周期的1/20，能夠達(dá)到控制的要求。在圖4(b)中，當(dāng)角頻率為31.4 rad·s-1時(shí)，即頻率為5 Hz，系統(tǒng)的相位差為0°，表明系統(tǒng)沒有相位差。

為進(jìn)一步驗(yàn)證階躍響應(yīng)的可行性和魯棒性，在kp=0.005,kd=0.000 3,vcc=6 V時(shí)，對其進(jìn)行正弦仿真，結(jié)果如圖5所示。

圖5 正弦響應(yīng)

圖5中當(dāng)輸入信號為5 Hz的正弦信號時(shí)，輸出也為5 Hz的正弦信號，除了最高點(diǎn)和最低點(diǎn)，輸入與輸出的誤差基本為0，相位差也是0。

根據(jù)上述仿真結(jié)果可知，該系統(tǒng)具有可行性和魯棒性。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述仿真實(shí)驗(yàn)分析，本文選定驅(qū)動(dòng)芯片供電電壓vcc為6 V，微分系數(shù)kd為0.000 3，比例系數(shù)kp為0.005。根據(jù)連續(xù)時(shí)間上的采樣定律[10]，將仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為離散時(shí)間上的系數(shù)需要乘以采樣頻率5 kHz，因此離散時(shí)間上的比例系數(shù)kp為25，微分系數(shù)kd為0.15，在此參數(shù)下對系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)中將指令信號與實(shí)際信號經(jīng)過CPU內(nèi)部的DAC，然后通過示波器觀察并保存DAC輸出的數(shù)據(jù)。而光柵尺每1 mm對應(yīng)30個(gè)計(jì)量數(shù)，根據(jù)DAC輸出的電壓Vout與n時(shí)刻的計(jì)量數(shù)xt(n)的關(guān)系

(12)

將得到的xt(n)值除以30，經(jīng)由Matlab計(jì)算得出f=5 Hz的指令位移和實(shí)際位移如圖6所示。

圖6 f=5 Hz的正弦波

從圖中可以看出，實(shí)際掃描范圍為6.5 mm。指令位移和實(shí)際位移有一個(gè)相位差，經(jīng)計(jì)算得出相位差為9°，與理論相位差0°有一定的差別，主要原因是實(shí)際控制系統(tǒng)中有摩擦和慣性等一些不可避免的因素[11]所造成的；除了最高點(diǎn)與最低點(diǎn)的差值，誤差最大為50 μm，是整個(gè)行程的0.76%。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)具有響應(yīng)快、精度高的優(yōu)點(diǎn)，符合超聲成像的要求。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)適用于高頻超聲成像探頭的線性掃描用音圈電機(jī)，控制系統(tǒng)利用光柵傳感器測量位移信號，利用PWM方式驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，以單片機(jī)作為主控芯片。實(shí)驗(yàn)表明，該電機(jī)及其控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、精度高的優(yōu)點(diǎn)，符合超聲成像要求。

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A Motor and Its Control System for Scanning High-frequency Ultrasound Probe

With organs on the body surface as the main application of very high frequency ultrasound, sector scan ultrasonic on the organization of the incident angle in the imaging plane distribution is extremely uneven, leading to a serious decline in the imaging quality of image edge. In this paper, a voice coil motor and its servo control system are proposed for the linear scan of the high frequency ultrasonic probe. The servo system uses STM32F103 as the main control chip and the photoelectric encoder as the position sensor, and adopts the PD algorithm for PWM drive voltage regulation. The appropriate control parameters are selected based on the system simulation and experiment. The experimental results show that the motor and its control system have the advantages of simple structure and high precision, which meets the requirements of ultrasonic imaging.

voice coil motor; servo system; high-frequency ultrasound; linear scanning

2015- 12- 29

鄒艷榮(1989 -)，女，碩士研究生。研究方向：醫(yī)學(xué)電子儀器。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.10.032

TN256

A

1007-7820(2016)10-111-04