| 超聲波電機在核磁共振醫療設備中的應用設計
摘要：針對核磁共振醫療設備中對執行電機無磁化的特殊要求，利用超聲波電機不含線圈、繞組通過超聲振動、摩擦耦合的驅動原理，設計了一款無磁行波型超聲電機。為了實現快速響應和精確定位，采用高精度****式編碼器反饋轉速和位置信號，控制上采用轉速內環和位置外環的雙閉環控制。硬件設計采用PIcl6F913單片機
作為控制核心，母后制作樣機，試驗結果證明了控制設計方案的可行性。
關鍵字：超聲波電機，編碼器，PIcl6F913，雙閉環控制
O引言
核磁共振成像(Nucleus Magnetic Reson_dnce Imaging，簡稱M R1)，是上世紀八十年代才發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人體內氫原子核，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，根據磁場的強度可分為高場、中場及低場，高場是指1 OT(Tesla 1T=1000(高斯)以上的，低場是指03T以下的，其余為中場的。
超聲波電機是20世紀80年代發展起來的一種直接驅動的新型微特電機。同傳統電磁電機相比，超聲波電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的微觀
振動作為驅動力，通過共振放大和摩擦耦合轉換成轉子或滑塊的宏觀運動。具有低速大扭矩、無電磁F擾、響應快速、運行無噪聲、斷電自鎖等優點。在精密控制領域、工業控制系統、汽車專
用電器、機器人應用、醫療設備等領域具有比傳統電機更優越的應用前景[1u3]。正是基于超聲波電機無繞組、無電磁場的特點，成為核磁共振醫療設備中執行電機的****。
根據客戶對額定力矩要求，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、轉子、轉軸、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：1****編碼器、2．無瓷軸承、3機殼、4轉子、5摩擦材料、6定子、7．輸出軸。定子材料采用鋁青銅、轉子采用硬鋁合金、軸采用黃銅、機殼采用鋁合金、軸承采用陶瓷基軸承。
2控制器硬件設計
超聲電機速度調節采用調頻調速。硬件設計，采用壓控振蕩器cD4046鎖相環芯片作為核心。cD4046內部含有鑒相器、壓控振蕩器，其外部引腳如圖2所示。作為方波發生器用，通過調節
9腳輸入電壓巧。大小就可以改變輸出方波信號。的頻率。
控制器采用8位單片機PIcl6F913。****編碼器輸出的位置信號經過解碼后輸入到I／O口，正轉時其位置信號十六進制數遞增；反轉時遞減。經過內部程序計算處理后，得到電機的轉速和****位置。根據給定轉速實時調節電機轉速，經過D／A轉換和運算放大形成控制信號，送到cD4046的9腳礦Ci。，調節電機驅動頻率，使電機速度跟蹤給定轉速。單片機問時根據上位機給定位置和正反轉方向指令，外環作閉環控制，實時給出cw／ccw信號和電機啟停信號。PIcl6F9I 3及其外部電路連接如圖3所示。
3通信
上位機和控制器的通信采用串口通信，電平轉換采用芯片Rs232。主要包括接收上位機發送的速度、位置、及控制信號；向上位機發送速度、位置脈沖信號。根據控制要求用Ⅵsual Basic語言編寫了通信界面，如圖4所示。可以實現位置置零、順時轉動、逆時轉動、轉速設定、位置設定、而且可以設置連續指令執行。執行完之后對電機位置返回執行信息。
4控制算法實現
由于超聲波電機沒有精確的數學模型，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生漂移[4】。為了滿足快速響應，精確定位等指標，控制系統采用調頻控制，位置傳感器采用15位高精度****編碼器。控制方法上在綜合了常規PID控制、模糊控制、自適應控制、神經網絡控制、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、容易實現的常規PID控制。本設計采用固定增益PID控制。PID控制器的控制律為
 5軟件設計
軟件設計要求可靠性與穩定性高，執行速度快。采用單片機指令集匯編語言編寫。主要功能實現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、根據編碼器信號對電機轉速
作PID調節、位置作閉環控制。其次還有系統定時器Tjmer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。
6控制系統試驗 根據要求設計控制系統硬件、軟件，搭建試驗平臺，如圖6所示。電機為50rflm的環形行波無磁超聲波電機，15位光電編碼器。對電機作空載試驗，電機轉速要求為l—gRPM，用自制的數字測速系統進行速度測試，測試數據如表1所示。可以看出電機運行時的瞬態速度有微小的振蕩，這主要是超聲波電機的原理、結構、材料、工藝等綜合因素決定的。雖然超聲電機定轉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。轉速采用PI控制使轉子快到位置時轉速降下來，基本可以實現位置精確定位。
7結語
根據電機性能指標和控制要求設計了uSM50無磁超聲波電機樣機和控制器。試驗結果表明電機能實時跟蹤給定轉速和角度位置信號，響應時間和控制精度滿足控制指標要求。同時也拓寬
了超聲波電機在醫療設備中的應用范圍。
參考文獻
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