近年來(lái)，醫(yī)療影像技術(shù)飛速發(fā)展，影像系統(tǒng)產(chǎn)生圖像的速度以及圖像的解析度都有相應(yīng)的提升。由于醫(yī)療影像技術(shù)的進(jìn)步，完成掃描所需時(shí)間和生成影像的質(zhì)量的限制因素已經(jīng)不再是影像技術(shù)，而是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。因此，醫(yī)療影像設(shè)備的原始設(shè)備制造商（OEM）開(kāi)始尋求用于定位掃描架的傳統(tǒng)的交流感應(yīng)電機(jī)的替代方案。
伺服電機(jī)比感應(yīng)電機(jī)定位更迅速和精確。但是，由于醫(yī)療掃描架產(chǎn)生的慣性載荷較高，因此以前伺服電機(jī)很難在此種應(yīng)用下工作。但是最近，采用數(shù)字雙二次濾波器的新一代驅(qū)動(dòng)技術(shù)使伺服電機(jī)能夠按照高達(dá)1000:1的慣性荷載成功地應(yīng)用到掃描架，同時(shí)解決了相關(guān)的共振難題。因此，運(yùn)動(dòng)更加精確，加速和減速更迅速，產(chǎn)生更高的生產(chǎn)能力和更清晰的影像。
感應(yīng)電機(jī)與伺服電機(jī)
開(kāi)環(huán)和閉環(huán)交流感應(yīng)電機(jī)已經(jīng)主導(dǎo)了影像設(shè)備掃描架定位市場(chǎng)，這些影像設(shè)備包括計(jì)算機(jī)斷層掃描設(shè)備（CT），電子發(fā)射斷層掃描-計(jì)算機(jī)斷層掃描設(shè)備（PET-CT）和X光機(jī)等。交流感應(yīng)電機(jī)的高慣性減少了電機(jī)和載荷之間的不匹配。但是，由于醫(yī)療設(shè)備制造商想要提高設(shè)備的生產(chǎn)能力和影像質(zhì)量，他們通常受到這類(lèi)電機(jī)固有的性能局限性的限制。
在許多需要快速和精確定位的應(yīng)用領(lǐng)域，感應(yīng)電機(jī)已經(jīng)被永磁式伺服電機(jī)取代，后者可以提供極高的峰值轉(zhuǎn)矩和連續(xù)轉(zhuǎn)矩，從而產(chǎn)生較高的加速率和減速率，顯著提高精密定位系統(tǒng)的性能。這類(lèi)電機(jī)的主要優(yōu)勢(shì)是轉(zhuǎn)矩與輸入電流成正比，同時(shí)速度與輸入電壓相關(guān)。
低慣性結(jié)構(gòu)是許多永磁式伺服電機(jī)的固有設(shè)計(jì)。因此，需要考慮掃描架的高慣性載荷與伺服電機(jī)的低載荷之間的較大不匹配比。伺服電機(jī)控制系統(tǒng)可以經(jīng)過(guò)整定以應(yīng)對(duì)慣性不匹配的情況，但是一旦整定后，由于慣性載荷增加或減少，伺服電機(jī)響應(yīng)性能下降。對(duì)于大多數(shù)醫(yī)療應(yīng)用，載荷很少變化；但是這些裝置中通常使用的皮帶傳動(dòng)導(dǎo)致電機(jī)和載荷之間產(chǎn)生相容性或空轉(zhuǎn)問(wèn)題，進(jìn)而改變反射慣性。
優(yōu)化控制系統(tǒng)
為了使伺服系統(tǒng)有效地運(yùn)轉(zhuǎn)，需要整定伺服放大器以優(yōu)化系統(tǒng)的響應(yīng)性能。提高系統(tǒng)的響應(yīng)性能通常需要提高增益。但是，增益過(guò)大將導(dǎo)致不穩(wěn)定，有時(shí)會(huì)無(wú)法控制振動(dòng)。因此，系統(tǒng)整定的目標(biāo)是獲得最大響應(yīng)性同時(shí)盡量減少不穩(wěn)定性。就電機(jī)接受速度整定指令而言，不穩(wěn)定性會(huì)導(dǎo)致動(dòng)作過(guò)頭。
例如，提高控制系統(tǒng)的慣性值可能導(dǎo)致電機(jī)過(guò)度執(zhí)行指令。一方面，隨著慣性的增加，不穩(wěn)定性的頻率降低并且需要更長(zhǎng)的校正時(shí)間。另一方面，隨著慣性相對(duì)于給定整定值的增加，電機(jī)變得不穩(wěn)定，不穩(wěn)定性頻率相對(duì)較高。為了消除這些振動(dòng)，系統(tǒng)必須解調(diào)。當(dāng)整定值減少時(shí)，振動(dòng)將停止但也會(huì)降低系統(tǒng)的性能。
當(dāng)增益為-3dB或更小，輸出相位與控制信號(hào)相差-45度或更小，或與電機(jī)參考值相差-135度時(shí)，控制系統(tǒng)失去控制。眾所周知，開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)使用兩種方式預(yù)測(cè)穩(wěn)定性問(wèn)題：相位裕度（PM）和增益裕度（GM）。相位裕度是增益為0時(shí)的頻率所對(duì)應(yīng)的開(kāi)環(huán)相位和-180度之間的差值。增益裕度是相位穿過(guò)-180度時(shí)其頻率所對(duì)應(yīng)的開(kāi)環(huán)增益的負(fù)值。載荷的不可預(yù)測(cè)性越大，相位裕度和增益裕度就越大，以確?？刂葡到y(tǒng)的穩(wěn)定性。
例如，當(dāng)共振頻率遠(yuǎn)低于初相交叉點(diǎn)頻率（270 Hz）時(shí)，相容載荷的作用是減少增益裕度。如果慣性不匹配值為5，增益裕度減少值為6，即大約16 dB。假設(shè)沒(méi)有其他校正方法，與剛性系統(tǒng)相比，相容耦合系統(tǒng)的增益不得不減少16 dB，前提是兩個(gè)系統(tǒng)都保持相同的增益裕度。增益的大幅減少將使系統(tǒng)接收指令和干擾響應(yīng)能力變差。
濾波器能使伺服控制器管理相容性
最近，伺服控制系統(tǒng)制造商已經(jīng)顯著提高了慣性不匹配和相容載荷的補(bǔ)償能力。這些研究的依據(jù)是相容機(jī)械系統(tǒng)通常具有一些容易振蕩的共振點(diǎn)，同時(shí)在其他頻率會(huì)獲得更好的性能。傳統(tǒng)的方式是使用低通，帶通和高通濾波器消除有害的頻率。該方法本身的問(wèn)題是多個(gè)濾波器消除所有共振會(huì)導(dǎo)致計(jì)算延遲和相位移動(dòng)，容易造成系統(tǒng)失控。
最近，雙二次濾波器的使用使系統(tǒng)的性能顯著提高。雙二次濾波器包括兩個(gè)帶有五個(gè)系數(shù)的二次方程，這樣濾波器幾乎可以模擬任何簡(jiǎn)單濾波器的組合，同時(shí)不會(huì)造成明顯的延遲。通過(guò)整定產(chǎn)生問(wèn)題的頻率，雙二次濾波器實(shí)現(xiàn)了提高相位裕度和增益裕度優(yōu)化伺服系統(tǒng)性能的目標(biāo)。例如，機(jī)械系統(tǒng)的共振頻率為200 Hz，可以配置雙二次濾波器消除200 Hz，同時(shí)在更低控制頻率點(diǎn)保持高增益。
需要注意的是，大型帶式驅(qū)動(dòng)的掃描架具有較強(qiáng)的物理轉(zhuǎn)折頻率（roll-off），使它們與低通濾波器一樣截?cái)嗨懈哂诖蠹s10 Hz的頻率。借助在10 Hz點(diǎn)截?cái)嘣鲆嫱瑫r(shí)通過(guò)30 Hz和40 Hz之間的速度環(huán)，可以顯著提高關(guān)鍵控制頻率點(diǎn)（大約2至4 Hz）的增益。
速度反饋裝置配合雙二次濾波器可以大幅提高面臨低頻率共振問(wèn)題的系統(tǒng)的性能。與傳統(tǒng)的單極低通濾波器相比，雙二次濾波器和增益組合可以使校正時(shí)間減少為原來(lái)的三分之一，帶寬提高三分之一。同時(shí)，反饋裝置通過(guò)顯著減少加速度和躍度力，維持穩(wěn)定裕度。
因此，新一代伺服控制器可以通過(guò)配置提供補(bǔ)償影像應(yīng)用中的高慣性載荷和相容性所需的增益裕度和相位裕度。醫(yī)療影像設(shè)備制造商可以并希望利用伺服電機(jī)提供的更高加速度和速率，以便使系統(tǒng)顯著提高客戶的生產(chǎn)能力。此外，伺服系統(tǒng)的主要制造商已經(jīng)提高了制造效率，將伺服技術(shù)的成本降低到與交流感應(yīng)電機(jī)相同的水平。
圖片
說(shuō)明：伺服技術(shù)的進(jìn)步使伺服系統(tǒng)比感應(yīng)傳動(dòng)系統(tǒng)定位更快更精確。醫(yī)療影像原始設(shè)備制造商（OEM）可以提供掃描更快速和產(chǎn)生影像質(zhì)量更高的設(shè)備。 說(shuō)明：配備雙二次濾波器的伺服系統(tǒng)在掃描架應(yīng)用方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。這類(lèi)伺服系統(tǒng)可以提供更精確的傳動(dòng)以及更快的加速和減速，因此與感應(yīng)傳動(dòng)相比，生產(chǎn)能力得到提高，所產(chǎn)生的影像也更清晰。 雙二次濾波器的方框圖
說(shuō)明：雙二次濾波器最大限度提高掃描架應(yīng)用中伺服系統(tǒng)的性能。使用不同的系數(shù)，雙二次濾波器通過(guò)單濾波技術(shù)實(shí)現(xiàn)陷波濾波器、低通濾波器和諧振濾波器的功能。
