一种CT旋转运动控制系统

刘政浩，于晓东

1 沈阳工业大学电气工程学院， 沈阳市，110870

2 飞利浦医疗(苏州)有限公司沈阳分公司， 沈阳市，110167

伴随着电力电子器件的飞速发展和矢量控制法技术的进步，普通异步电动机的可控制性能有了很大的提高。同时由于交流异步电动机以其低廉的造价、高可靠性的工作性能及简单的结构在工业生产中得到了广泛的应用[1]。因此，具有异步电动机定位控制功能的新一代变频器产品也在不断涌现。

本文从控制角度出发，以普通三相异步变频电动机作为控制对象，以艾默生EV6000型变频器作为驱动控制器，设计了一种新的低成本CT旋转运动控制系统。

1 CT旋转控制系统的结构

CT旋转运动控制系统的结构框图如图1所示。该系统由上位计算机、信号转接板、旋转控制板、变频器、变频电机、旋转部分和位置检测装置组成。其中，上位计算机发出定位信号，并分析位置检测器的检测信号，用以判断位置即将到达、位置到达、位置超出状态，并发出相应的控制信号；信号转接板用于信号中转；旋转控制板对信号转接板的上位机信号进行转接控制，并具有手动控制/上位给定控制切换功能；变频器接收上位计算机的控制信号，对变频电机做出相应的控制；变频电机与旋转部分通过机械结构连接，带动旋转部分进行旋转运动。

图1 CT旋转运动控制系统的结构框图Fig.1 Block diagram of CT rotation motion control system

2 CT旋转变频控制系统的设计

2.1 电动机的选择

CT旋转部分负载机械特性为反抗性恒转矩负载。其中，恒负载转矩来自其于自身摩擦和传动的损耗。在恒速运行的状态下，其负载转矩Tm即为摩擦转矩，且其相对于传动的损耗来说摩擦转矩很小，故将其作为电机选择的次要考虑对象，而将加速和减速的性能作为主要考虑目标。对于CT旋转系统来说，要求旋转系统应具有能够频繁的启动和制动、在不同的转速下稳定运行的能力。在本系统中，应用一款三相2.2 kW 异步变频电动机：其额定电压380 V，额定频率50 Hz， 极对数为2，额定转速1 420 r/min，额定电流5.0 A，效率0.9，功率因数0.82。

2.2 变频器容量的选择

变频器的容量计算可按式(1)进行[2]：

式中：PM为负载所要求的电动机的轴输出功率；η为电动机的效率；k为电流波形的修正系数(PWM)方式时，取1.05～1.00。实际设计中，旋转部分转动惯量为300 kg·m2，最大转速为5π rad/s，启动时间为20 s，由此可知电机启动时的最大输出功率为：

忽略传动摩擦损耗，把Pmax代入式（1）得

考虑到本旋转系统的特点，根据手册[3]，选用了EV6000-4T0037G变频器，其额定容量为5.9 kVA，额定输出电流为8.8 A。

2.3 制动电阻选择

制动电阻用于变频器控制电机快速停止旋转的机械系统中，帮助电机将其因快速停止旋转运动时所产生的再生电能转化为热能，它包括电阻阻值和功率容量两个重要参数[4]。对于CT来说，如果其工作在极限状态，即可能的、要求旋转速度变化最为剧烈的情况下，其制动可视为周期性短时制动负载，其制动过程（由速度n1制动到速度0），如图2所示。

图2 周期性制动过程示意图Fig.2 Schematic diagram of periodic braking process

Pmax为制动峰值功率；PNBR为周期TC的制动平均功率；PAVE为时间TBR的制动平均功率；EBR为制动能量；TBR为制动时间；TC为制动周期；ωl为制动开始速度。实际设计中在最极限的情况下，系统加速时间为20 s，运行时间为10 s，减速时间为20 s，停止时间为10 s。根据制动原理和制动过程，可以得到以下结论：

(1) 制动能量：

(2) 制动过程峰值功率：

(3) 制动周期TC（60 s）的平均功率：

假设电机损耗为制动功率的10%，则制动电阻应满足下列条件：

(1) 制动电阻峰值功率：

(2) 制动电阻功率：

选择制动单元后，手册推荐的制动电阻阻值是制动单元允许的最小电阻值。根据EV6000变频器手册，其电阻阻值为R=100 Ω，考虑到机器内部散热条件问题，选择了具有一定余量的功率为800 W的刹车电阻。

2.4 编码器选择

综合考虑定位精度和运行时不同速度下的平稳性的要求，本系统设计中使用了一款空心轴旋转编码器，其每转脉冲数为1 024 P/R，额定电压12 VDC，集电极开路输出，最高检测转速为6 000 r/min；正向旋转时，A、B两个端子发出相差四分之一周期的方波，其输出形式为差分输出。

2.5 变频器的接口和参数设置

根据CT旋转系统的控制要求，对变频器调整以下设置：

(1) 设置最大输出频率和上限频率：旋转部分最高转速为5π rad/s，折算到电机转轴上可知电机的最大转速为50π rad/s（传动比i=10），即1 500 r/min。由电机同步转速公式n=60 f/np可得，其最大运行频率50 Hz。因此设置变频器的上限频率为50 Hz，即设置F02.11为50。由于本系统使用的电动机为变频电机，考虑到控制上的超调等因素，为使电机快速达到给定频率，因此其设置最大频率为60 Hz，即F02.10设置为60。

(2) 运行命令通道选择为端子控制：设置参数F05.00为1时，即可此实现功能。

(3) 设置电机控制方式：需要把速度/转矩控制方式选择为转矩控制，即设置F07.00为1。把伺服控制切换选择功能设置为伺服-转矩控制切换选择，即把F13.00设置为2。取多功能输入端子X2，设置为伺服控制切换端子。即端子F14.01设置为81。另外，在转矩控制模式下，还需要对转矩进行限制。对本系统来说，取其默认值即可满足要求。

(4) 位置伺服控制设置：对于位置控制，需要的功能有位置脉冲输入，由于变频器规定只有X8端子可以作为伺服脉冲给定端子，因此设置其为脉冲输入给定，即设置功能码F14.07为72；位置偏差计数器清零信号，此信号的给定可以使偏差计数器清零，防止电机位置超出，设置多功能输入端子X1为此功能，即把功能码F14.00设置为73；位置指令比率，通过设定功能码F13.10、F13.11把脉冲指令变为电机的移动量。在进行控制时，可以不用顾及机械的减速比和编码器的脉冲数。如本设计中已知编码器为1 024线，电机转过1圈对应的脉冲数为4 096（1 024×4），现在要求电机运行在1 500 r/min时，对应最高频率100 kHz，此时电机1圈对应的脉冲数为4 000。因此，设置电子齿轮比值为4 000/4 096，即1 000/1 024，此时设置F13.10为1 000，F13.11为默认值1 024即可。

(5) 多功能输出端子的功能设置：由于控制的要求，要求变频器具有两个状态的输出，一个是变频器运行准备完成状态，另一个变频器零速运行状态。因此，设置Y1端子功能F15.00为15，Y2端子功能F15.01为10。

(6) 电机参数设置：为了保证电机的控制性能，必须正确设置电机参数，变频器要求设置的电机参数在本设计中，异步电机额定功率F80.00=2.2 kW，异步电机额定电压F80.01=380 V，异步电机额定电流F80.02=5 A，异步电机额定频率F80.03=50 Hz，异步电机额定转速F80.04=1 420 r/min。其他电机参数，如定、转子电阻、电抗等参数由变频器的自动整定功能完成。

(7) 控制器参数调整：变频器内的控制器主要为PI控制器，因此需要设置的参数为转速调节器参数ASR-P、ASR-I，电流调节器参数ACR-P、ACR-I，位置调节器参数APR-P。改变这些参数可以改变矢量控制的速度响应特性。

速度调节器（ASR）的构成图如图3所示。对于ASR来说，它的比例增益P和积分时间I的整定应按照如下方法进行：通常先调整比例增益P，保证系统不振荡的前提下尽量增大P；然后调节积分时间I 使系统既有快速的响应特性又超调不大。

图3 速度调节器构成图Fig.3 Structure chart of the speed regulator

若系统对高、低速带载运行都有快速响应的要求，可设定ASR在高/低速运行时可以设置为不同的数值，切换频率在F06.07中设置。

对于本系统，经过调整后，速度调节器参数设置为：高速时ASR1-P=100，ASR1-I=0.2 s，低速时，设置ASR2-P=20，ASR2-I=0.3 s，其切换频率设定为10 Hz。

对于电流调节器ACR的参数，取其默认值即可达到系统控制要求，这里不再给出。

对于位置调节器APR，其调节器类型为比例调节器，可以通过F13.26和F13.27设定在高速/低速下位置环调节器的比例增益。

经过调整实验，确定本系统中位置环F13.26与F13.27分别设置为50和300，即可满足试验中伺服定位控制的要求。

3 CT旋转速度和位置控制方法

在伺服控制模式下，通过输入的脉冲数使电机定位运行。伺服驱动器接收上位数控装置发出的位置指令信号（脉冲/方向），接收的脉冲序列经电子分倍频后，在偏差可逆计数器中与反馈脉冲信号比较后形成位置偏差信号，位置偏差信号经位置环调节后，形成速度指令信号。速度指令信号与速度反馈信号（与位置检测装置相同）比较后的偏差信号经速度调节器调节后产生电流指令信号，在电流环中经矢量变换后，由PWM输出转矩电流，控制交流伺服电机的运行。

在速度控制模式下，可以通过调节脉冲输入频率进而调节电机的运行速度，也即调节旋转部分的运行速度。本系统设计，100 kHz的脉冲频率对应最高转速5π rad/s，转速与频率呈线性对应关系。因此对速度控制无需再改动变频器参数，只需设置其脉冲输入频率，即可实现电机在不同转速下运行。

对于CT旋转部分位置控制系统，如在旋转部分上安装有定位使用的码盘，其定位方法为：当接收到定位运行信号时，变频器对电机发出降速指令，使旋转部分转速降低到5 r/min以下，这时电动机转速在50 r/min以下，此时脉冲频率在3.3 kHz以下。在距离定位到达指定30°的位置上，设置有位置传感器，这时如果旋转速度在要求范围内，则控制系统继续发出低频定位脉冲，直到位置到达时，停止发出脉冲，同时对脉冲偏差计数器清零，使系统立即停止在要求位置；如果检测到系统位置超过定位位置范围，则系统发出使旋转部分继续旋转的脉冲，使旋转部分转动一周，进行下一次定位。

4 CT旋转部分位置伺服控制系统测试

本系统应用西门子公司S7-200PLC进行测试，选用CPU类型为224的PLC。图4为系统连接示意图。对本系统来说，高速脉冲形式为PTO形式，因此选择PTO方式输出脉冲。西门子S7200编程软件为STEP7-MicroWIN，利用软件自带的PTO/PWM向导功能，可以很容易地实现伺服控制功能。现利用PLC输出端Q0.0作为脉冲输出端口，I0.1作为位置到达信号输入端，输出脉冲频率恒定为3 kHz，当位置到达信号产生后，I0.1闭合，Q0.0立即停止输出脉冲，同时Q0.1向X1端子输出脉冲计数器清零信号，旋转部分此时立即固定不动，系统定位完成。

图4 测试系统连接图Fig.4 Connection diagram of the test system

应用此方法对本文设计的系统进行实际测试，该系统在1 r/s时的最大旋转速度波动为±1.3% ；任一位置的定位精度约为0.81°。测试结果表明，该系统的速度稳定性小于±2%，定位精度小于1°，完全可以满足CT临床使用性能要求。

5 结论

CT旋转运动是CT扫描的关键运动之一，该运动对于速度均匀性和定位的精度要求高。本文设计的旋转控制系统采用变频器和异步变频电机，经实验测试证明该系统具有良好的平稳性和较高的定位精度，可以很好地代替原有的伺服驱动器与伺服电机构成的位置控制系统，节约了产品的制造成本，提高了CT制造商的经济效益，因此具有很高的技术推广价值。