编码器在医疗设备机械伺服系统中的应用和维护

郝涛

湖北文理学院附属襄阳市中心医院 设备处，湖北 襄阳 441021

编码器是一种检测机械运动状态的传感器，在自动控制领域的应用非常广泛。现代医疗设备复杂的机械运动，对诊断、治疗及安全有着较大的影响，需要有精确的控制，因此运动状态的检测在医疗设备伺服系统中十分重要。很多医疗设备生产厂家使用高精度的编码器来检测机械运动的变量，甚至与电机一起做到紧密集成，浑然一体，系统能根据编码器单元检测出电机的转子位置、速度、角度等变量，来达到控制机械运动的目的。医院的工程师在面对此类集成系统时，如果能对其原理和结构有着相当的了解，就可以采用合适的方法和工具对其进行检测和维修，能达到事半功倍的效果。

1 编码器原理及分类

编码器是把角位移或直线位移转换成电信号的一种传感器，主要用来侦测机械运动的速度、位置、角度、距离以及计数[1-2]，许多电机控制系统如伺服电机均需配备编码器以供电机控制器作为机械运动状态的测量。本文根据检测原理，主要介绍应用较多的两类编码器——光电式和磁电式编码器。

1.1 光电编码器

光电编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器，目前应用最多。光电编码器由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是一个等分的若干个长方形孔的圆板（光电码盘），与电动机同轴。当电动机旋转时，光栅盘与电动机同步旋转，经发光二极管、光敏管等电子元件组成的检测装置输出若干脉冲信号，其原理示意图，见图1。可通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数反映当前电动机的转速。而且，为判断旋转方向，光电码盘还可提供相位相差90°的两路脉冲信号[3-4]。

1.2 磁电式编码器

磁电式编码器是一种新型的角度或位移测量装置，见图2。其采用磁电式设计，通过磁感应器件（磁阻或霍尔元件）利用磁场的变化来测量磁性材料的角度或位移。磁性材料角度或位移的变化会引起电阻或电压的改变，编码器通过放大电路对变化量进行放大，再通过单片机处理后输出脉冲信号或模拟量信号，达到测量目的。

1.3 光电式和磁电式编码器的特性

光电编码器通过在码盘上刻线来计算精度，所以精度越高，码盘就越大，编码器体积也就越大，但信号不连续。而磁电式编码器利用磁敏器件代替传统的光栅盘，相对于光电编码器，磁电式编码器体积小、精度高、更抗震、耐腐蚀、耐污染、宽温度、性能可靠性高、结构更简单，弥补了光电编码器的缺陷，可应用于传统光电编码器不适用的领域。

2 编码器的应用

2.1 角度测量

很多医疗影像设备的采集系统通过在电机传动部分安装具有一定传动比的编码器来检测光学采集单元的旋转角度。如西门子的血管机和胃肠机系列选用磁电式编码器作传感器。

2.2 长度测量

长度测量的方式有：① 联轴直测，与驱动直线位移的动力装置的主轴联轴，通过输出脉冲数计量长度；② 介质检测，在直齿条、转动链条的链轮、同步带轮等来传递直线位移信息。典型应用有Draeger公司的Fabius CE麻醉机在活塞驱动电机的末端安装光电式编码器来检测活塞的运动行程。

2.3 速度测量

测量电机、转轴的线速度、角速度。柯达CR系统的IP板扫描控制电机的速度控制应用了光电式编码器。西门子AR系列螺旋CT也采用光电编码器检测机架的旋转角度和速度。

2.4 位置测量

记忆电机在各个坐标点的坐标位置，如X光设备的准直器collimator控制电机与编码器一体化，可以控制collimator在某个位置进行指定动作。

3 案例分析

由以上原理及结构可知编码器是将模拟信号编码成二进制的数字信号脉冲，来达到测量目的，而示波器能直观地反映其输出信号的频率和幅度，所以要检查编码器的工作状态，示波器是较好的选择。

3.1 故障一

3.1.1 故障现象

柯达900CR扫描图像有横向水平伪影。

3.1.2 故障分析

柯达900及850系列CR通过激光扫描装置对IP板进行逐行扫描来获取原始影像，为了保证图像质量的一致性和预置位置点的机械配合，系统对IP板扫描电机的要求是匀速并精确可控。CR900设计了SLOW SCAN（慢扫描）装置，由电机连接丝杆带动IP板在扫描区域匀速运动。在SLOW SCAN电机的最下端，使用光电编码器联动来测量电机的转速、行程及方向等，并传输给控制板A6来控制电机的运动[5-6]。

3.1.3 故障检修

进入维修模式做SLOW SCAN测试程序，发现电流及速度幅值图与标准图形明显不同，可确定是SLOW SCAN电机或伺服控制系统故障。把SLOW SCAN电机连同丝杆、编码器一起拆下，发现丝杆的油泥很厚，电机运动的部分行程阻尼较大；而且考虑到编码器在电机的最下面水平放置，很容易受到灰尘、湿气的污染，拆开编码器，发现码盘及光电发送接收部分都很脏，已经严重影响了光电脉冲的正常输出。

对编码器码盘和发光二极管、光敏管进行清洁，保证脉冲的正常输出，并清除电机丝杆的油泥，再作SLOW SCAN的电流及速度测试，幅值图符合标准，作正常扫描，图像伪影消失。

3.2 故障二

3.2.1 故障现象

西门子FA型血管机的机架在切换检查体位时，图像垂直方向偏离约30°，手动调整缩光器（Collimator），图像也无法回正。

3.2.2 故障分析

该机的Collimator设计思路是始终与CCD摄像机同步，无论摄像机处于何种角度，Collimator都能与之保持正确的成像位置。在两者同步运动的过程中，摄像单元旋转电机的实时位置及转速、方向等变量由编码器测得，并与Collimator的编码器测量值相比较，形成闭环控制。如果编码器出现故障将导致Collimator和摄像机无法同步，成像位置偏离。该机摄像单元运动电机与磁电式编码器是一体化集成设计，其输出图，见图3。

图3 磁电编码器IE2-128输出信号波形

3.2.3 故障检修

首先，进入维修模式下的位置检测程序观测伺服电机的各项传感器的输出值变化。发现在机架转动的过程中，摄像机编码器数值始终没有变化，而与之同步的Collimator编码器输出值则连续可变，可能原因是：① 编码器无输出；② 处理单元MCU板故障。经查资料，该编码器输出为两路方波脉冲，频率约为20 kHz。因此采用示波器测量可尽快锁定故障点。

先测得电机编码器的4脚Vdd电压为5 V，然后将示波器的两路输入端子分别接在编码器的两路输出脚，在反复手动旋转摄像机的情况下观察示波器，均无法测得图3所示的方波波形，因此可判定该编码器已损坏，拆开该编码器后发现霍尔元件损坏。更换该编码器并做校正后故障排除。

4 小结

编码器在医疗设备的机械伺服系统中发挥着至关重要的作用，未来将向着高精度、集成化、小型化、非接触和网络化数据传送的方向发展，对环境的适应性也更强，所以有必要充分了解编码器的原理和特性，在做好相关理论储备的情况下，可以使我们对各类精密控制设备中的电机及编码器维护工作更加高效，在故障处理中达到元件级维护。

[1]于跃深.浅谈Kubler编码器在西门子Profibus-DP总线中的应用[J].中国新技术新产品,2012,(6):7.

[2]王鹏.编码器的原理特性及应用[J].重工与起重技术,2011,(3):20-22.

[3]皮光宇.浅谈光电编码器在提升机电控系统中的应用[J].矿山机械,2009,(5):102-103.

[4]姜义.光电编码器的原理与应用[J].机床电器,2010,37(2):25-28.

[5]周军.CR950 ERROR 14008的维修[J].临床放射学杂志,2009,28(8):1112.

[6]董海斌.10例CR-950系统的保养及故障维修[J].中国医疗设备,2011,26(8):139.