一種CT旋轉(zhuǎn)運動控制系統(tǒng)

劉政浩，于曉東

1 沈陽工業(yè)大學電氣工程學院， 沈陽市，110870

2 飛利浦醫(yī)療(蘇州)有限公司沈陽分公司， 沈陽市，110167

伴隨著電力電子器件的飛速發(fā)展和矢量控制法技術(shù)的進步，普通異步電動機的可控制性能有了很大的提高。同時由于交流異步電動機以其低廉的造價、高可靠性的工作性能及簡單的結(jié)構(gòu)在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。因此，具有異步電動機定位控制功能的新一代變頻器產(chǎn)品也在不斷涌現(xiàn)。

本文從控制角度出發(fā)，以普通三相異步變頻電動機作為控制對象，以艾默生EV6000型變頻器作為驅(qū)動控制器，設(shè)計了一種新的低成本CT旋轉(zhuǎn)運動控制系統(tǒng)。

1 CT旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

CT旋轉(zhuǎn)運動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。該系統(tǒng)由上位計算機、信號轉(zhuǎn)接板、旋轉(zhuǎn)控制板、變頻器、變頻電機、旋轉(zhuǎn)部分和位置檢測裝置組成。其中，上位計算機發(fā)出定位信號，并分析位置檢測器的檢測信號，用以判斷位置即將到達、位置到達、位置超出狀態(tài)，并發(fā)出相應(yīng)的控制信號；信號轉(zhuǎn)接板用于信號中轉(zhuǎn)；旋轉(zhuǎn)控制板對信號轉(zhuǎn)接板的上位機信號進行轉(zhuǎn)接控制，并具有手動控制/上位給定控制切換功能；變頻器接收上位計算機的控制信號，對變頻電機做出相應(yīng)的控制；變頻電機與旋轉(zhuǎn)部分通過機械結(jié)構(gòu)連接，帶動旋轉(zhuǎn)部分進行旋轉(zhuǎn)運動。

圖1 CT旋轉(zhuǎn)運動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of CT rotation motion control system

2 CT旋轉(zhuǎn)變頻控制系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 電動機的選擇

CT旋轉(zhuǎn)部分負載機械特性為反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載。其中，恒負載轉(zhuǎn)矩來自其于自身摩擦和傳動的損耗。在恒速運行的狀態(tài)下，其負載轉(zhuǎn)矩Tm即為摩擦轉(zhuǎn)矩，且其相對于傳動的損耗來說摩擦轉(zhuǎn)矩很小，故將其作為電機選擇的次要考慮對象，而將加速和減速的性能作為主要考慮目標。對于CT旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)來說，要求旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)應(yīng)具有能夠頻繁的啟動和制動、在不同的轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運行的能力。在本系統(tǒng)中，應(yīng)用一款三相2.2 kW 異步變頻電動機：其額定電壓380 V，額定頻率50 Hz， 極對數(shù)為2，額定轉(zhuǎn)速1 420 r/min，額定電流5.0 A，效率0.9，功率因數(shù)0.82。

2.2 變頻器容量的選擇

變頻器的容量計算可按式(1)進行[2]：

式中：PM為負載所要求的電動機的軸輸出功率；η為電動機的效率；k為電流波形的修正系數(shù)(PWM)方式時，取1.05～1.00。實際設(shè)計中，旋轉(zhuǎn)部分轉(zhuǎn)動慣量為300 kg·m2，最大轉(zhuǎn)速為5π rad/s，啟動時間為20 s，由此可知電機啟動時的最大輸出功率為：

忽略傳動摩擦損耗，把Pmax代入式（1）得

考慮到本旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的特點，根據(jù)手冊[3]，選用了EV6000-4T0037G變頻器，其額定容量為5.9 kVA，額定輸出電流為8.8 A。

2.3 制動電阻選擇

制動電阻用于變頻器控制電機快速停止旋轉(zhuǎn)的機械系統(tǒng)中，幫助電機將其因快速停止旋轉(zhuǎn)運動時所產(chǎn)生的再生電能轉(zhuǎn)化為熱能，它包括電阻阻值和功率容量兩個重要參數(shù)[4]。對于CT來說，如果其工作在極限狀態(tài)，即可能的、要求旋轉(zhuǎn)速度變化最為劇烈的情況下，其制動可視為周期性短時制動負載，其制動過程（由速度n1制動到速度0），如圖2所示。

圖2 周期性制動過程示意圖Fig.2 Schematic diagram of periodic braking process

Pmax為制動峰值功率；PNBR為周期TC的制動平均功率；PAVE為時間TBR的制動平均功率；EBR為制動能量；TBR為制動時間；TC為制動周期；ωl為制動開始速度。實際設(shè)計中在最極限的情況下，系統(tǒng)加速時間為20 s，運行時間為10 s，減速時間為20 s，停止時間為10 s。根據(jù)制動原理和制動過程，可以得到以下結(jié)論：

(1) 制動能量：

(2) 制動過程峰值功率：

(3) 制動周期TC（60 s）的平均功率：

假設(shè)電機損耗為制動功率的10%，則制動電阻應(yīng)滿足下列條件：

(1) 制動電阻峰值功率：

(2) 制動電阻功率：

選擇制動單元后，手冊推薦的制動電阻阻值是制動單元允許的最小電阻值。根據(jù)EV6000變頻器手冊，其電阻阻值為R=100 Ω，考慮到機器內(nèi)部散熱條件問題，選擇了具有一定余量的功率為800 W的剎車電阻。

2.4 編碼器選擇

綜合考慮定位精度和運行時不同速度下的平穩(wěn)性的要求，本系統(tǒng)設(shè)計中使用了一款空心軸旋轉(zhuǎn)編碼器，其每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)為1 024 P/R，額定電壓12 VDC，集電極開路輸出，最高檢測轉(zhuǎn)速為6 000 r/min；正向旋轉(zhuǎn)時，A、B兩個端子發(fā)出相差四分之一周期的方波，其輸出形式為差分輸出。

2.5 變頻器的接口和參數(shù)設(shè)置

根據(jù)CT旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的控制要求，對變頻器調(diào)整以下設(shè)置：

(1) 設(shè)置最大輸出頻率和上限頻率：旋轉(zhuǎn)部分最高轉(zhuǎn)速為5π rad/s，折算到電機轉(zhuǎn)軸上可知電機的最大轉(zhuǎn)速為50π rad/s（傳動比i=10），即1 500 r/min。由電機同步轉(zhuǎn)速公式n=60 f/np可得，其最大運行頻率50 Hz。因此設(shè)置變頻器的上限頻率為50 Hz，即設(shè)置F02.11為50。由于本系統(tǒng)使用的電動機為變頻電機，考慮到控制上的超調(diào)等因素，為使電機快速達到給定頻率，因此其設(shè)置最大頻率為60 Hz，即F02.10設(shè)置為60。

(2) 運行命令通道選擇為端子控制：設(shè)置參數(shù)F05.00為1時，即可此實現(xiàn)功能。

(3) 設(shè)置電機控制方式：需要把速度/轉(zhuǎn)矩控制方式選擇為轉(zhuǎn)矩控制，即設(shè)置F07.00為1。把伺服控制切換選擇功能設(shè)置為伺服-轉(zhuǎn)矩控制切換選擇，即把F13.00設(shè)置為2。取多功能輸入端子X2，設(shè)置為伺服控制切換端子。即端子F14.01設(shè)置為81。另外，在轉(zhuǎn)矩控制模式下，還需要對轉(zhuǎn)矩進行限制。對本系統(tǒng)來說，取其默認值即可滿足要求。

(4) 位置伺服控制設(shè)置：對于位置控制，需要的功能有位置脈沖輸入，由于變頻器規(guī)定只有X8端子可以作為伺服脈沖給定端子，因此設(shè)置其為脈沖輸入給定，即設(shè)置功能碼F14.07為72；位置偏差計數(shù)器清零信號，此信號的給定可以使偏差計數(shù)器清零，防止電機位置超出，設(shè)置多功能輸入端子X1為此功能，即把功能碼F14.00設(shè)置為73；位置指令比率，通過設(shè)定功能碼F13.10、F13.11把脈沖指令變?yōu)殡姍C的移動量。在進行控制時，可以不用顧及機械的減速比和編碼器的脈沖數(shù)。如本設(shè)計中已知編碼器為1 024線，電機轉(zhuǎn)過1圈對應(yīng)的脈沖數(shù)為4 096（1 024×4），現(xiàn)在要求電機運行在1 500 r/min時，對應(yīng)最高頻率100 kHz，此時電機1圈對應(yīng)的脈沖數(shù)為4 000。因此，設(shè)置電子齒輪比值為4 000/4 096，即1 000/1 024，此時設(shè)置F13.10為1 000，F(xiàn)13.11為默認值1 024即可。

(5) 多功能輸出端子的功能設(shè)置：由于控制的要求，要求變頻器具有兩個狀態(tài)的輸出，一個是變頻器運行準備完成狀態(tài)，另一個變頻器零速運行狀態(tài)。因此，設(shè)置Y1端子功能F15.00為15，Y2端子功能F15.01為10。

(6) 電機參數(shù)設(shè)置：為了保證電機的控制性能，必須正確設(shè)置電機參數(shù)，變頻器要求設(shè)置的電機參數(shù)在本設(shè)計中，異步電機額定功率F80.00=2.2 kW，異步電機額定電壓F80.01=380 V，異步電機額定電流F80.02=5 A，異步電機額定頻率F80.03=50 Hz，異步電機額定轉(zhuǎn)速F80.04=1 420 r/min。其他電機參數(shù)，如定、轉(zhuǎn)子電阻、電抗等參數(shù)由變頻器的自動整定功能完成。

(7) 控制器參數(shù)調(diào)整：變頻器內(nèi)的控制器主要為PI控制器，因此需要設(shè)置的參數(shù)為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)ASR-P、ASR-I，電流調(diào)節(jié)器參數(shù)ACR-P、ACR-I，位置調(diào)節(jié)器參數(shù)APR-P。改變這些參數(shù)可以改變矢量控制的速度響應(yīng)特性。

速度調(diào)節(jié)器（ASR）的構(gòu)成圖如圖3所示。對于ASR來說，它的比例增益P和積分時間I的整定應(yīng)按照如下方法進行：通常先調(diào)整比例增益P，保證系統(tǒng)不振蕩的前提下盡量增大P；然后調(diào)節(jié)積分時間I 使系統(tǒng)既有快速的響應(yīng)特性又超調(diào)不大。

圖3 速度調(diào)節(jié)器構(gòu)成圖Fig.3 Structure chart of the speed regulator

若系統(tǒng)對高、低速帶載運行都有快速響應(yīng)的要求，可設(shè)定ASR在高/低速運行時可以設(shè)置為不同的數(shù)值，切換頻率在F06.07中設(shè)置。

對于本系統(tǒng)，經(jīng)過調(diào)整后，速度調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置為：高速時ASR1-P=100，ASR1-I=0.2 s，低速時，設(shè)置ASR2-P=20，ASR2-I=0.3 s，其切換頻率設(shè)定為10 Hz。

對于電流調(diào)節(jié)器ACR的參數(shù)，取其默認值即可達到系統(tǒng)控制要求，這里不再給出。

對于位置調(diào)節(jié)器APR，其調(diào)節(jié)器類型為比例調(diào)節(jié)器，可以通過F13.26和F13.27設(shè)定在高速/低速下位置環(huán)調(diào)節(jié)器的比例增益。

經(jīng)過調(diào)整實驗，確定本系統(tǒng)中位置環(huán)F13.26與F13.27分別設(shè)置為50和300，即可滿足試驗中伺服定位控制的要求。

3 CT旋轉(zhuǎn)速度和位置控制方法

在伺服控制模式下，通過輸入的脈沖數(shù)使電機定位運行。伺服驅(qū)動器接收上位數(shù)控裝置發(fā)出的位置指令信號（脈沖/方向），接收的脈沖序列經(jīng)電子分倍頻后，在偏差可逆計數(shù)器中與反饋脈沖信號比較后形成位置偏差信號，位置偏差信號經(jīng)位置環(huán)調(diào)節(jié)后，形成速度指令信號。速度指令信號與速度反饋信號（與位置檢測裝置相同）比較后的偏差信號經(jīng)速度調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后產(chǎn)生電流指令信號，在電流環(huán)中經(jīng)矢量變換后，由PWM輸出轉(zhuǎn)矩電流，控制交流伺服電機的運行。

在速度控制模式下，可以通過調(diào)節(jié)脈沖輸入頻率進而調(diào)節(jié)電機的運行速度，也即調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)部分的運行速度。本系統(tǒng)設(shè)計，100 kHz的脈沖頻率對應(yīng)最高轉(zhuǎn)速5π rad/s，轉(zhuǎn)速與頻率呈線性對應(yīng)關(guān)系。因此對速度控制無需再改動變頻器參數(shù)，只需設(shè)置其脈沖輸入頻率，即可實現(xiàn)電機在不同轉(zhuǎn)速下運行。

對于CT旋轉(zhuǎn)部分位置控制系統(tǒng)，如在旋轉(zhuǎn)部分上安裝有定位使用的碼盤，其定位方法為：當接收到定位運行信號時，變頻器對電機發(fā)出降速指令，使旋轉(zhuǎn)部分轉(zhuǎn)速降低到5 r/min以下，這時電動機轉(zhuǎn)速在50 r/min以下，此時脈沖頻率在3.3 kHz以下。在距離定位到達指定30°的位置上，設(shè)置有位置傳感器，這時如果旋轉(zhuǎn)速度在要求范圍內(nèi)，則控制系統(tǒng)繼續(xù)發(fā)出低頻定位脈沖，直到位置到達時，停止發(fā)出脈沖，同時對脈沖偏差計數(shù)器清零，使系統(tǒng)立即停止在要求位置；如果檢測到系統(tǒng)位置超過定位位置范圍，則系統(tǒng)發(fā)出使旋轉(zhuǎn)部分繼續(xù)旋轉(zhuǎn)的脈沖，使旋轉(zhuǎn)部分轉(zhuǎn)動一周，進行下一次定位。

4 CT旋轉(zhuǎn)部分位置伺服控制系統(tǒng)測試

本系統(tǒng)應(yīng)用西門子公司S7-200PLC進行測試，選用CPU類型為224的PLC。圖4為系統(tǒng)連接示意圖。對本系統(tǒng)來說，高速脈沖形式為PTO形式，因此選擇PTO方式輸出脈沖。西門子S7200編程軟件為STEP7-MicroWIN，利用軟件自帶的PTO/PWM向?qū)Чδ?，可以很容易地實現(xiàn)伺服控制功能?，F(xiàn)利用PLC輸出端Q0.0作為脈沖輸出端口，I0.1作為位置到達信號輸入端，輸出脈沖頻率恒定為3 kHz，當位置到達信號產(chǎn)生后，I0.1閉合，Q0.0立即停止輸出脈沖，同時Q0.1向X1端子輸出脈沖計數(shù)器清零信號，旋轉(zhuǎn)部分此時立即固定不動，系統(tǒng)定位完成。

圖4 測試系統(tǒng)連接圖Fig.4 Connection diagram of the test system

應(yīng)用此方法對本文設(shè)計的系統(tǒng)進行實際測試，該系統(tǒng)在1 r/s時的最大旋轉(zhuǎn)速度波動為±1.3% ；任一位置的定位精度約為0.81°。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)的速度穩(wěn)定性小于±2%，定位精度小于1°，完全可以滿足CT臨床使用性能要求。

5 結(jié)論

CT旋轉(zhuǎn)運動是CT掃描的關(guān)鍵運動之一，該運動對于速度均勻性和定位的精度要求高。本文設(shè)計的旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)采用變頻器和異步變頻電機，經(jīng)實驗測試證明該系統(tǒng)具有良好的平穩(wěn)性和較高的定位精度，可以很好地代替原有的伺服驅(qū)動器與伺服電機構(gòu)成的位置控制系統(tǒng)，節(jié)約了產(chǎn)品的制造成本，提高了CT制造商的經(jīng)濟效益，因此具有很高的技術(shù)推廣價值。