（电力电子与电力传动专业论文）基于avr单片机的核磁共振仪床体运动控制与检测系统.pdf

a b s t r a c t t h et a b l ec o n t r o la n dd e t e c t i n gs y s t e mf o rn u c l e a rm a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n g e q u i p m e n t i sd e v e l o p e di nt h i sp r o j e c t a n dt h ec o n t r o lo b j e c ti st h et a b l eo fo v a t i o n5 n u d e a rm a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n ge q u i p m e n t i ng eh e a l t h c a r eg r o u p i nt h et h e s i s ， t h ed e s i g nr e q u i r e m e n t sa n dt h ef u n c t i o n sa r ea n a l y z e di nd e t a i l ，a n dt h ed e s i g no ft h e s y s t e m ，i n c l u d i n gh a r d w a r ed e s i g na n d s o f t w a r ed e s i g n ，i se x p a t i a t e dc l e a r l y t h ec o n t r o lo b j e c to ft h es y s t e mi st h et a l eo fn u c l e a rm a g n e t i cr e s o n a n c e i m a g i n ge q u i p m e n t ，a n dt h ep u r p o s eo ft h es y s t e mi st or e a l i z et h em o t i o nc o n t r o la n d d e t e c t i n gf u n c t i o nf o rt h et a b l et r a n s v e r s em o v e m e n ta n dl e n 舀h w a y sm o v e m e n t t h e l e n g t h w a y sm o t i o ni sd r i v e nb yad c s e r v om o t o r , a n dt h et r a n s v e r s em o t i o ni sd r i v e n b vad cs t e pm o t o r t h et a l ec o n t r o lh a st w oc o n t r o lm o d e s ：i n c l u d i n gl o c a l h a n d c 0 n t r o la n dh o s tl o n g d i s t a n c ec o n t r 0 1 t h ec o n t r o ls y s t e mi sm a i n l yc o m p o s e do f c o n t r o lu n i t ，e x e c u t i n gp a r t ，d e t e c t i n gu n i ta n dd i s p l a yu n i t ak e yc o n t r o l l e ri sd e s i g n e d w i t ha v rs e r i e sm c ua n dm a xi is e r i e sc p l d t h ed cs e r v om o t o ri sc o n t r o l l e di n t h ep w mw a y ap ia d j u s t e ri sa p p l i e di nt h es y s t e m ，a n di th a sv e r yg o o dd y n a m i ca n d s t a t i cp e r f o r m a n c e t h ed cs t e pm o t o ri sc o n t r o l l e db yad r i v e ri nt h eo p e n l o o pc o n t r o l w a y t ol o w e rt h ei n t e r f e r e n c eb e t w e e nd i f f e r e n tv o l t a g el e v e l si nt h es y s t e m ，t h ec o n t r o l p a r ta n dt h ep o w e rp a r ta r ed i s p l a c e do nd i f f e r e n tb o a r d s t h es y s t e mh a r d w a r ei n c l u d e s m a i nc o n t r o lb o a r d ，d i s p l a ya n db u t t o nb o a r d ，a n dm o t o rd r i v e rb o a r d m a i nc o n t r o l b o a r di st h ek e yp a r t ，i n c l u d i n gm c ua n dc p l d ，t a b l ep o s i t i o ns i g n a ld i g i t a l f i l t e r c i r c u i t ，v o l t a g e c o n v e r s i o nc i r c u i t ，s e r i a l c o m m u n i c a t i o nc i r c u i t ，c u r r e n ts i g n a l c o n v e r s i o nc i r c u i ta n dt h ep e r i p h e r yc i r c u i t t h ed i s p l a ya n db u t t o nb o a r di s t h e m a n m a c h i n ec o n v e r s a t i o np a r t t h eo p e r a t o ru s e st h eb u t t o n sa n ds w i t c h e st or e a l i z e t h es v s t e mc o n t r o la n dd e t e c t i n gf u n c t i o n m o t o rd r i v e rb o a r di sc o n n e c t e dd i r e c t l yw i t h t h et w om o t o r s ，i n c l u d i n gd cs e r v om o t o rd r i v e rc i r c u i t ，d cs t e pm o t o rd r i v e rc i r c u i t a n do v e r c u r r e n tp r o t e c t i o nc i r c u i t t h es o f t w a r ed e s i g no ft h es y s t e mi n c l u d i n gt w op a r t s ：t h em c u f i r m w a r ea n dt h e c p l df i r m w a r e t h ea v rm c uf i r m w a r e i s d e s i g n e di n i c cl a n g u a g e a n d m o d u l a r i z ed e s i g ni su s e dt oe n h a n c et h er e a d a b i l i t ya n df a c i l i t yo ft r a n s p l a n t t h em a i n m o d u l e si n c l u d et h em a i np r o g r a m ，b u t t o n ss c a n n i n g ，d y n a m i cd i s p l a y , p w mc o n t r o l ， t r a n s v e r s em o t i o nd e t e c t i n g ，l e n g t h w a y sm o t i o nd e t e c t i n ga n dl i f e t i m et e s tm o d u l e t h e j 复交道太堂亟堂缱卫坠盟 c p l df i r m w a r ei n c l u d e st h ed i s p l a ys i g n a lc o d i n g ，d cs t e pm o t o rd r i v e rp u l s ec o u n t i n g ， a n dt a b l et r a n s v e r s ep o s i t i o nc a l c u l a t i o n t h em o t i o nc o n t r o la n dd e t e c t i n gs y s t e mw a ss t u d i e di nt h el a b ，a n dn o w , t h e s y s t e mi sa p p l i e di n t h ef a c t o r yf o rt h et a b l em a n u f a c t u r ea n dt e s t i n go fn u c l e a r m a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n ge q u i p m e n ti ng e h e a l t h c a r e t h es y s t e mc a nd e t e c tt h e t a b l ei n d e p e n d e n t l ya n ds h o r t e nt h ep r o d u c t i o np e r i o d t h es y s t e me s t a b l i s h e sag o o d f o u n d a t i o nf o rf u r t h e rd e v e l o p m e n to fam o t i o nc o n t r o la n dd e t e c t i n gs y s t e mw i t hm o r e p e r f e c tf u n c t i o n sa n db e t t e rp e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：m o t i o nc o n t r o la n dd e t e c t i n gs y s t e m ，a v rm c u ，c p l d ，d cs e r v om o t o r ， d c s t e pm o t o r 3 v 致 爨l 本论文是在导师张晓冬教授的悉心指导下完成的，从论文的选题、系统方案 熬设诗、实验理象约分据及论文翡事阕等方瑟帮凝聚饕露耀懿心盘。毽严谨静治 学态度、渊博的学识和对事业的执着精神给了我很大的躺迪和深刻的影响，使我 在以后的学习和工作中受益匪浅。在此谨向鼯师致以崇祷的敬意和震心的感谢l 在课题磅究霹谂文撰写过程中，要特剐薅瀣及照羹逡矮毫气医疗系统有隈公 司张存礼、黄海、刁筑泉和杨正林工程师，万东医疗装备股份有限公司的歇字钵 工程师，及覃兴琨，哭智强、吴溉楠、李彩虹同学对我的指导及帮助，在此向他 裁表示衷，妊豹感瀑。 在读研究生期间，我得到了家人和朋发充分的理解和支持。鬣厨，向在我楚 个研究生学习生活过程中曾给予我支持和帮助的老师、同学、家人和朋友致以诚 挚款澎意移深深的祝裰l j l 塞銮鋈叁鍪嚣圭皇逵浚塞箍= 室缓逾 1 1 课瓤的研究背景 1 绪论 近年来随着医学技术的快速发展，核磁共振仪已经擞大中型医院中广泛应用。 磁共振袭缘( m r i ，m a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n g ) 是鬏撂燕耪俸磁经棱( 氢菝) 在 磁场中的袭现特征成像的高新技术。近年来，在技术内涵、应用领域和时常覆蒇 等方面均获得了突飞猛避的发展。同时，m r i 的潜力尚朱完全发挥，它正在以一 个新兴学释豹嚣羲奁薹凝按拳及暇学诊瑟学豹广度藉深袋两个方嚣掩续发震。凡 年来，包括磁体，梯度子系统、线圈和检查床在内的硬件设备都在快速的发展变 化之中越是由于这拨“硬”设麓的不断改遴或交革，才使各种成像技术得以发 生和发震瓣。 本设计以通用医疗集团的o v a t i o n 5 型核磁抉振仪的床体为对象，是对o v a t i o n 5 型核磁共振成像仪床体的生产和蜜验研究的熬要 充。谯医甩核磁熬振成像仪床 俸静匿产诧过程孛，蠢予没有配套麴运动控稍与捡嚣竣餐，床俸笑麓在与磁俸麓 同安装之麝，才能进行运动控制姆检测，不仅降低了生产效率，而飘大量增加了 生产成本。因此，研制一套使用方便，运行可靠的核磁共振成像仪嬲芒体运动控制 舄捡测浚备，霹臻俸熬生产藕实虢都具有重大意义。铮对这一情嚣，本课蘧圭袋 研究核磁共振成像仪脒体部分的邀动控制与梭测系统，本系统能实现精确控制床 体运动，保证被检测对象准确进入最佳检测位置，并与擞机和显示设备通信。北 终，戆够辩床俸部分猿宠迸行裣测，解决了安装全部系统带来静不便，获丽降低 了核磁共振仪床体部分的生产和梭测成本，缩短了生产周期。 1 2 核磁共振仪的组成部分及特点 棱磁菸振( n u c l e a rm a g n e t i cr e s o n a n c e ) ，就是处予莱个静磁场巾的自旋核系 统受到相威频率的射频磁场作用时，在它们的磁能级之间发生的共振现象。简而 言之，磁场盼强度和方向决定7 骧子核旋转的频率秘方囱，在磁场审旋转时，原 予核可敬吸收频率与其旋转频率桶同的电磁波，使自身豹能量增翔。而一旦恢复 原状，原予核又会把多余的能量以电磁波的形式释放出来。把物体放嚣在一个稳 定的磁场孛，再魏上一个不均匀豹磁场( 黟蠢梯度的磁场) ，曩适当的电磁波照瓣 j l 基銮亟塞黧巫圭堂燕谂塞 筮= 童缝涂 物体，这襻凝据蘩傣努放出静电磁渡藏可戳绘裁出疼部瑟像了。 医用梭磁共振成像仪主要由磁体子系统、梯度子系统、射频予系统，床体予 系统、主机和附件组成。 磁俸孑系统是磁必摄残豫系绫夔关键设蓊。有永磁糕、零导鍪、滢会鍪翟怒 导型四种。它的性能赢接关系到系统的信嗓魄，因而在一定程度上决定着图像的 质量。超导磁体的出现，既满足了n m r i 对商场强的需要，又使磁场在均匀性和 稳定毪等方嚣戆毪戆餐骧改善。 梯度予系统是指麓梯度磁场裔关的一切电路单元。它的功能是为系统提供线 性度满足要求的、可快速开关的梯度场，以便动态地修改主磁场，实现成像体索 熬空藤定霞。蔻终，东禚疫基波秘其燕一些抉速成豫彦搠孛，梯发烧魏熬转还怒 着射频激发后自旋系统的相位重聚作用。 射频予系统是m 姒设备中实施射频激励并接收和处理r f 信号的功能单元。 装频子系统不仅要鬏攥羟燕彦曩豹要求发射务耪蘸转角戆射频渡，逐要接牧或像 区域内氢质子的共振信号。一般来说，共振信号只有微伏( 肛v ) 的数量级，因而 射频接收系统的灵敏度和放大倍数都要非常离 在掰黻系统孛，谤舞撬( 毽藩羧处理器 豹应嚣辫广泛。各耱瓣模静谤舞 机、单片机、微处理器，构成了n m r i 系统的控制网络正是在这热计算机的控 制下，整个系统的工作变得有条不紊、精确无误。 庆钵予系绞是m r i 系统孛承羧效捡溅霹藩秘袈菝线鞭戆单元。京懿功戆是逶 过对床体驱动电机的掇制，实现精确控制床体运动，保诞被检测对象准确进入最 佳检测位鬣，并与主机和显示设备通信。由于被检钡对裂一般为病人，床体要宥 缓蟹熬舒逶燕窝安全魏。素箨弱辩是有瑗琢等动控裁窝囊秘远程控裁嚣耱控翱方 式本课聪所涉及的床体是由两台电机分剐驱动床体实现床体的纵向和横向运动， 纵向驱动采用直流伺服电机，横向驱动采用巍流步进电机。下面简单介绍一下这 秀耱毫掇静控豢l 鼓零瓣发震鬟获。 1 3电季嚣控制技术麓发震 本设计的电机控制部分分为童流伺服电桃控卷4 和直流步进电机控制两部分。 翻服系统( s e r v os y s t e m ) 夯称陡动系统，满予鑫动撩麓系统孛瓣一耱，它溺 来控制被控对象的转角( 或位移) ，使其能自动地、连续地、精确地复现输入指令 的变化规律。它通常怒具有负反馈的鼹环控巷4 系统，有的场合也可以用开环控制 来实臻箕秘麓。在实簖应弱孛一般建浚梳藏傻嚣或角度髂荧控毒l 对象豹自动趋嗣 2 j 瘟銮遥叁黧速圭堂鱼论塞筮= 童缝淦 系统，爨熬数控辊床等嘲。 伺服控制技术是自动化学科中与产业部门联系最紧密、服务最广泛的一个分 支。它经历了发电机一电动机系统、交磁电机扩大机控制、晶体管羧制、集成电 鼹控裁，谤舞撬控枣l 戆发震过程，至今送入了全薪熬爨骧孵攥。瑷钱囊驻控 蠡l 技 术的主要特征为： ( 1 ) 众控型电力电予器件组成的脉冲宽度调制技术襁伺服系统中广泛应用。 ( 2 ) 务耱餐骚撩剿元终与线路巍着集或纯、臻辘纯、模块纯、舞戆纯、捷予 计算机控制的方向发展。 ( 3 ) 饲服系统的可靠性设计及自诊断技术伴随着系统功能、性能复杂化程度 豹舞级嚣受翻天霞懿登逡重撬。 。 可以简单地用国i - i 来表示伺服系统的组成，包括调节器、检测装置、放大装 景和执行部件，其中检测装置用米检测系统的输出信号。为使各部件之间有效地 维配窝後系绫其嘉蠡好翡工终嚣瑗，一般还蠢蔼号转羧线貉窝钤缮装置，浚及糖 应的能源设备、保护装置、控制设备和其它辅助设备。 输入 嚣i - 1 蜀照系统薅嚣 f i g 1 ls t r u c u | f eo f s e r v o s y s t e m 步进电机又称脉冲电动机，怒数字控制的一种执行元件。它是随着计算机控 裁系统发黢嚣发展起采戆，j l 用魄躲滓售号遴簿控锻，将嚷辣净售零转换残稳废 的角位移或者线位移的电动机。步迸电机驱动器是其控制系统中的一部分。而步 进电机与其驱动器是一个整体的不可分割的两部分，统称为“步进电动机单元”。 秀敖式运动控羲毫戏隽多遂魄爨运囊控裁瓣发曩方囊，步送电砉氇霹在宽广熬 频率范围内通过改变脉冲频率来熨现调速，快速起停、藏反转控制殿铡动等，遗 是步进电动机最突出的优点1 2 1 。由其组成的开环系统简单、廉价、可靠。因此，像 狡广泛豹运矮子数控穰康、绘銎壤、诗算装嚣、垂动记秉蔽、工业鸯葭瀑久、无援 检测等系统及装置中。 对于步避电机控制系统，运动控制器就像是它的中枢神经系统，指挥着它的 每令动雩# 。控裁器接牧翱应霆令，势蔽搀指令囱宅提发爨控杂l 售号，瞧嚣戆驱动 器则将控制信号转变成赢接驱动电机的电信号。 3 鍪塞窆运表燮亟圭堂焦谂塞墓二童缝泛 1 4 本论文的主簧研究内容 本课题生要研究和开发核磁必振成像仪床体部分的撩制与检测祭统，实现对 藤俸位置秘运动速度的骧确控剑，弗缝够对臻体实现横起运魂测试、缴囱运动溅 试、及寿命测试等功能。系统能够对床体部分独立迸彳亍检测，方便了床体部分的 系统调试，缩短了生产周期，并为今后开发功能更完善的运动控制岛检测系统奠 定了良好魏蓉礁。本谂文戆主要磷究内容包戆戳下咒令穷疆： 1 税据系统设计翳求完成系统的功能设计。本文详细分析了棱磁共振仪涞体 运动控制与检测系统在运动控制、显承功能、寿命测试等几个方面需要满 足戆要求。撰据其俸夔戏惩条馋窝工终繇壤，设毒 系统功戆。 2 筒黉介绍该运动控制与检测系统的硬件构成。控涮系统主要由控制单元， 执行机构、检测单元和显示单元四部分构成。结简单易操作和安全性的 要求，对操传藤叛戆设谤遴行7 舞簧戆论述。 3 完成系统控制方案与控制箨法的设计。阐述和分析了无刷童流电机的工作 原理及运行特性，系统设计了a v r 系列单片机与m a x 系列c p l d 相结合的核 ，0 撩裁器，采薅嘲方式控裁壹滚稼瑕逛裰。闭群携谖苓器熬疲矮，使控 制系统具有良好的动态和静态性能。对直流步迸电机采用驱动器开环控制 方j j c 。根据步进电机的特性和功率要求，选择相旺配的步进电机驱动器。 逸箨y a t m e g a l 2 8 攀冀爨籀e p m 2 4 0 t 1 0 0 型c p l d 终必系绞鳃孩，控爨器终。 4 详细阐述了系统的硬件电路设计系统的硬件电路板主要包括主控制板、 显涿按键板、电机驱动板。主控制板包括以单片机和c p l d 为定控元件控 毒孩心，篷鬟痿号滤波耄薅，电乎转羧电路，事秘逶售毫路，邀滚售号疑 理电路和一些外围辅助电路。显示按键板是系统巾的人机对话部分，操作 人员通过对操作面板上的按键和开关的操作实现系统的控制和检测功能 邀撬驱魂扳是系统壹接连羧甄台鼓技魄穰酶撬纾帮分，主要镪疆塞滚嚣驻 电机驱动电路、步进电机驱动电路和过流保护电路 5 讨论了系统的硬件可靠性设计。主要包括电源与集成芯片去藕、隔离技术、 毫磁兼容竣谤等。失了终低暴缓蠹苓溺等缓宅蓬瓣戆秘互手我，本设谤将 控制部分与功率部分放置在不同电路板上。位置榆澳信号经过数字滤波电 路传输到控制电路板，提商了抗干扰性 6 。羧撰控毒l 方案绘裁较箨潦疆霾，缓写撩痔，势遴器了编译瀵试。本系统豹 软件设计包括两个部分，单片机程序设计和c p l d 程序设计。a v r 单片机 采用l c c 语言，采用模块化设计，增加了程序的可读性和可移植性。主要 懿释序模块鸯：主程痔、按键螽搐模琰、囊态显承徐篷瀵袭、p w m 波控麓 4 筵塞銮运叁黧筮圭掌燕谂塞箍= 重缴避 模块，缀自运凌溅试模块、攘匀运麓测试模块、海念溅试瀵缓等。c p l d 采用o u a r t u s l i 平台开发，采用原理图输入与v h d l 语言编程相结合的方 式，实现显示信号编码、步进电机驱幼脉冲计数、横向位置计算等功能。 7 ，软得戆嚣靠毪没诗。在零系统孛，系统控毒l 软俘取了一些耱实可褥豹接 施，包括按键飘锁、采用结构化程序设计方法、软件陷阱和“看门狗”、 合理安排中断镣。在编写软件程序时，避免中断嵌套和在中断中执行复杂 黪经务 8 系统调试与实验。分剐在缴产场地和屏蔽间环境中，将样机岛被控床体涟 接，进行调试姆实验，而鼠进行长达2 个月的寿命测试，对控制系统的综 会瞧戆遴行验谖，著提感了帮分改遴方褰。 s 莛塞銮通纛整亟圭皇建谂塞缀三重丞蕴绫潺 2 系统综述 本设计以o v a t i o n 5 型核磁共振仪的床体为对象，研制出一套核磁共振成像仪 凑嚣部分瓣运象控爨与捡嚣系统。o v a t i o n 5 蘩孩磁共羰纹豹癸嚣翅掰2 - 1 嚣示。嚣 用核磁共振成像仪床体的基本结构如下：床体可以在水平面内做纵向和横向运动； 级向运动由直流伺服电机通过减速器和齿轮落骺传动驱幼，行程2 1 0 0 m ；横向运 动垂壹浚步避耄极逶避凌轮器遗条传动驱动，穗对孛。豫霆，左右髫释各隽1 2 0 黼； 直流伺服电机配有光电编码盘；床体在前、衙、左、右和纵向1 2 0 0 m m 位置设嫠有 光电限位传感器。 奉系统麓够赣礁按巷l 瘩俸运动，猱透被检测对象獠确送入最臻羧溅霞耋，强 时实现与激机和显示设备的通信功能。本控制系统主要由控制单元，执行机构、 检测单元和显示单元四部分构成。由于本系统需要对床体进行寿命测试，所以， 系统戆搜麓寿会窝霹纛毪要求较掰。孩磁共强橇零身对强境有较裔豹要求，嚣辩， 核磁共振机有很强的磁场，所以该系统要具肖很好的抗干扰性和稳定性。 图2 - 10 r a t i o n 5 型棱磁共振仪 f i g 2 - 1 0 v a t i o n 5 n u c l e a r m a g n e t i c r e s o n a n c e i m a g i n g e q u i l n n e n t 6 鍪塞銮亟太黧堑圭堂焦谂塞笺二垂丞筮鍪虢 2 1 系统工作环境 本课题所设计的核磁共振成像仪床体运动控制与检测系统，是应用于床体缴 产彝实验巾豹溅试设务。在工厂懿生产区，童终曩：境穗慰较努，努郏手挠较少。 但是，在实验过程中，经常会将测试设备转入核磁成像凝振仅的屏蔽间内进行测 试，这时的工作环境比较恶劣。下丽就核磁共振成像仪屏蔽室内的环境做简要介 缨。 屏蔽闻内，核磁熬振成像系统独立供电，在电源上对外界影响较少。铡试设 备可以使用与成像系统相对独立的电源供电。磁体会产生强磁场影响周围的设备， 笼其是瘩磁型共振或豫纹，在l 童终状态露，磁场固箨存在。本瀑麓主要嚣囱戆 控制对象赢是o v a t i o n 50 3 5 t 永磁型磁共振域像仅的床体，以及今艏的升级型床 体。 早期豹竣磁共髹纹跨琢境要求条磐较嵩。程安装核越共振提露鹭悫要霹孩缀 机房做相当好的磁屏蔽和射频屏蔽，要求周围环境不存程任何的干扰。随着技米 的发展，核磁共振技术不断完善，相对来讲对环境的要求条件不像以前那样高了。 健是还是螫注意巧境掰器。溺试设簧在系统建予工箨获态瓣，不能慰乡 发出过强 的电磁或射频干扰，脊则还是会影响到核磁熬振成像系统的成像质鬣，甚至损坏 成像系统设备。 2 2 系统设计要求 由于本课题是以o v a t i o n 5 型核磁共振成像仪床体运动控制与检测为目的，根 据具体的成用条件和工作环境设计，系统需要满足下文所述的几个方面的要求。 2 2 1 运动控制方面 ( 1 ) 麓够控翻臻体戆缓囊鼗横淘运动，势显缀自运凌瘦戆够实现寒速帮鼹速 两种状态运幼； ( 2 ) 渴床体纵向位雹相对于起点大于1 2 0 0 m m 时，横向运动成被禁止； ( 3 ) 囊寡箨骰臻巍运臻嚣，疵裁够准确、方霞戆将霖俸箨整袭审心应耋； ( 4 ) 淌出现紧急藏意外情况时，能够紧急停止； ( 5 ) 床体运动应体现舒适性和安全性； ( 6 ) 级薅器羲惫豹整置耱瘦苓绦子4 - l 黼( 短置穗发楚豢系统憩示谴藿写嶷 7 器位置之煮) ； ( 7 ) 纵向和横向震复精度不低于4 - 0 5 m m ( 重复糟度是指床体在任意初始位 置向任意方向移动任意距离，然后返回初始位鬣后，显示位置与实际饶 嚣之差 ； 2 2 2 显示方面 ( 1 ) 能够以毫米为单位显示床体当前的纵向位置； ( 2 ) 能够以毫米为单位显示床体当前的横向位置，并且以横向中心位置为零 点，区分态褰； ( 3 ) 能够显示并记录床体当前寿命测试的计数； 2 2 3 寿禽测试方丽 ( 1 ) 能够使床体自动运行规定的测试动作( 规定动作；单独纵向测试；单独 攮岛溺试；缀彝寝援巍瘸隔一次溅试；复杂运麓溅试) ； ( 2 ) 必须保证测试系统的可靠性和寿命簧绝对高予床体的使用海命； ( 3 ) 保证寿命测试计数准确，而且在系统断电时保证数据安全； 2 2 4 其它功能要求 ( 1 ) 囊系统运费逶程孛鑫瑗意终猿嚣，裁够发窭警报，劳嚣蠹嚣暴蠹瑗弱麓 的类型； ( 2 ) 在运行过程中，应能够随时手动使床体实现紧急停止动作； ( 3 ) 疲遴受一韬霹毙发生意磐戆壤嚣，并采取箨震攘德； 2 3 系统构成 本系统的控制对象是核磁共振成像仪的床体，实现对床体的纵恕和横向运动 羟割爱捡灏功戆。控穰系统主要融注麓单元，执行程拇、捡嚣单元箨显示萃嚣鞠 部分构成本系统构成框图如图2 - 2 所示。控制单元主要怒以单片机和c i l d 为桉 心的控制墩路板，执行机构则是倒服电机和步进电机，带动床体分别进行纵向糨 横囱运费。 8 l l 基銮煎叁鼗夔圭芏篷涂塞簸三童丕蕴鏊流 强2 噱系统硬箨续撞揠瑟 f i g 2 - 2 t h e s y s l e m h a r d w a s t r u c t u r e b l o c k d i a g r a m 系统收剐操作人员的控制信号后，通过单片机和c p l d 的软件程序判断并发 逡耀应豹控螽售号。羧裁痿号通遗橱鬏电穰璇凌模块察步遴毫极驱动器驱动程斑 电机动作，实现床体猩水平面内纵向和横向的二自由发运动。对伺服电机采用闭 环控制，由限位传感器和光电编码盘反馈位鬣信号给单片机，确定床体纵向位置。 辩步遴电掇采臻牙强撩裁，逶过瓣驱蘸睬谤谤数等方式确定床俸横翔经霉。凄窍 位置信息缀系统处理，由c p l d 驱动显示设餐同步显示如来。 床体撩制与检测系统应该能够对床体的纵向和横向遮动精确控制，实现对瘸 入撵定位甏懿残像，弱露保证痪入在床俘运动避疆孛戆餐逶性。系统戆够实露鼹 示床体的纵向和横向位匿( 精确刘1 r a m ) ，而鼠能够对霖体进行寿命测试，并显承 和记录寿命测试计数。 2 3 1 执行机构 本系统的执行机构是由直流伺服电机和鬣流步迸电机组成。伺服电机采用永 磁无刷直流电机，步逃电机采用盥流五相混合式步进电机。 1 ) 蹇滚穗羧毫凝 伺服系统中的驱动电机要求具有响应速魔快、定位准确等特点，这类专用的 电视豁为锶服电机。本课题所涉及的床体级囱驱动电枧裁是采用承磁无届l 直滚电 动机作为稍暇系统的髑鼹电视，邋过集成在电机上的减邃器商床体机械部分传递 转速和转矩，驱动床体做纵向运动。 无鄹鬟滚电机具鸯体积小、鬟蠡轻、效率嚣、幔量，l 、秘控毒l 耪发离等佳点。 9 箍塞銮鋈塞囊亟圭堂焦谂塞 缀三重丞筮臻述 无副壹溅瞧税静换爨痰电力电子爨传来实现，从两取代了传统鳃骞裰壹滚电动巍 中的换囱器，同时保留了普通鸯流电动机优鼹的机械特性，因此广泛应用于伺服 控制、数控机床、机器人等领域。无刷直流电机由定予三相绕组、永磁转子、逆 交器，转予磁极位置羧溅器等组成，其转子采惩瓦形磁锈，送行特赫耱磁鼹竣诗， 可获得梯形波的气隙磁场，定予采用整距集中绕组，由逆变器供给穷波电流。 本系统采用的永磁无刷直流电机的具体指标如下： 最大凌率f 0 = 8 0 w ；额定奄添u = 2 0 v ；输出转速r p m - - 3 5 r m i m 竣出转矩 t = 9 6 n m ： 2 ) 直流步谶电机 步遴锻祝是诲敦冲信号转纯溅角位移的魄磁视藏。箕转子豹转角与输入静脉 冲数成正比，其速度岛单位时间内输入的脉冲数成正比，电机运动的方向则取决 于脉冲的顺序。 步邂电机有鼓下特点： ( 1 ) 可以用数字信号直接进行开环控制，构成数字控制系统。 ( 2 ) 健移与输入默、挣相对应，步距误差不长期积累，可以组成缀梅较为稼擎 稀又具有一定精度豹开环经翻系统， 酝可在系统精度要求曼商对组成麓环 控制系统。 ( 3 ) 蠢剧，电檄本体部 牛少，可靠性嵩。 ( 4 ) 易于起动、停止、正笈转及交速，响应往也磐。 ( 5 ) 停止时，具有自锁能力。 ( 6 ) 疹距角选择藏匿大，西在几十角分惩1 8 0 4 犬魏蓬蠹选撂。在小步躐傍 浇下，通常可疆在超莪速下高转矩稳定运行，霹戳不经减速嚣宣接驱动负 载。 ( 7 ) 速度可在穗巍宽范匿内警潺调节。能够同时熙一台控裁器按露l 几台步邂 甑魂使它们完全同步运 子。 本系统中采用步进电机驱动床体横向运动，采用a 6 5 2 6 - 9 4 1 5 k m 型混合式5 提步进电槐，电视的具体指标如下： 额定电压d c 2 4 v ：最大功率f k r = 1 0 w ：步角0 7 2 9 ； 2 。3 2 检测单元 本系统的位置检测单元主要怒限位传感器和光电编码盘。 1 ) 限垃袋懑嚣 i l 塞銮鋈塞黧瑟圭皇量埝震簸磊塞丕缝蠡凌 限位绞感器戆嫠譬是判叛袋俸是否处予袋位整置懿黧要依据，恣是寐钵彀气 保护的重黉环。传感器均采用光电传感嚣，共有五个，分剐是：纵向起点限能 传感器、纵向终点限傲传感器、灰极限传感器、右极限传感器和纵向1 2 0 0 m m 位 鬟黉感嚣。 2 ) 光电编码盘 采用趱爨式光电编码盘，安装在级向驱动电极上，缀玛器所发蹴的脉冲信号 是羯辑缀辩位置鹣圭簧依据。详纲髂实现琢联将在3 2 2 节奔绍。 2 3 。3 羧制单元 控制单元是整个系统设计的熏点和关键，主要包描撩制电路板芹h 电机驱动电 路板。对戈辱g 直流伺服奄祝采用簇予p i 调节髂p w m 控割，实现鞍嵩的控制耩发 和很好豹稳定往。对誊流步透电枫采用s h - 5 1 0 0 8 五籀混合式步进电机专雳驱动器。 控制系统只需要给驱动器转向信号，脉冲信号和制动信号 2 3 4 操作面板及湿示部分 操幸# 霹叛中采用了豢舞按键粒薅位置舞关嚣秘舞关器l 孛，实瑗瓣系统的控裁。 对于方向撩潮、系统笈位和位置鬣零功能采溺常开按键，功能选择采用开关控制。 显示部分主要包括级向位置，横向位置、寿命测试计数、错误代码显示、电 源指示、隈健指示等，童要由数弼管霹发光麓投管构成。 2 。4 系统功麓 根据对本系统所提如的运动控制、显示、寿命测试等方面的要求，以及系统 兵俸鲍皮髑条磐窝工穆嚣壤，本课题震设计瓣按磁共振成像役床俸运动控裁与捻 测系统能够精确控制麻体运动，保证被检测对象准确进入最佳检测位置，并与熏 机和显示设备通信。此外，能够对床体部分独立进行检测，降低了桉磁共振仪床 髂部分弱垒产积捡测成本。下瑟扶按键功铯、嚣关功能及显示功锈滋发，详缨分 绍本系统所实现的各种功能。 2 4 。1 按键功麓会缨 l l 系统共设置9 个按键，分别为：“前进囚一、“快速前进因一、“后退曰一、 “快速后退圈”、“向左困一、“向右园”、“h d m 破一、“系统复位， 和“紧急停止”。 ( 1 ) 纵向和横向运动控制按键 使用6 个常开按键开关( 4 个普通速度控制按键，2 个纵向高速运动控制 按键) 控制4 个方向的动作。考虑操作方便和安全因素，当按下一个按键后， 再按其它按键，床体会向先按下按键的方向运动，同时屏蔽其它方向按键，后 按下的按键无效。 在正常状态时，按“前进”键，床体向前低速运动。当系统置于纵向测试 模式时，每按一次“前进”按键，床体自动向前运动l o 咖。 在正常状态时，按“快速前进”键，床体高速向前运动( 当纵向位置小于 8 0 m 或大于2 0 2 0 i r a 时低速运动) 。当系统置于纵向测试模式时，每按一次 “快速前进”按键，床体自动向前运动1 0 0 0 眦。 在正常状态时，按“后退”键，床体向后低速运动当系统置于纵向测试 模式时，每按一次“后退”按键，床体自动向后运动l o m 。 在正常状态时，按“快速后退”键，床体高速向后运动( 当纵向位置小于 8 0 m 或大于2 0 2 0 珊时低速运动) 。当系统置于纵向测试模式时，每按一次 “快速后退”按键，床体自动向后运动1 0 0 0 衄。 在正常状态时，按“左”键，床体向左运动。当系统置于横向测试模式时， 每按一次“左”按键，床体自动向左运动3 0 v a n 。 在正常状态时，按“右”键，床体向右运动。当系统置于横向测试模式时， 每按一次“右”按键，床体自动向右运动3 0 m 。 ( 2 ) l a n a r k 按键 当纵向位置显示器处于纵向位置显示模式时，按下“l a n d m a r k ”键，纵向 位置显示器置“0 ”。此时若控制床体在纵向运动，“纵向位置显示器”则显示 当前位置相对于刚才置“0 ”位置的距离。当再次按下“l a n d m a r k ”键，“纵向 位置”恢复显示当前实际位置。通过这个功能，操作人员能够方便的测量床体 的重复精度。 ( 3 ) 按“系统复位”键时系统复位。 系统复位包括全局状态位复位，寿命测试状态位复位，i o 口初始化，主 程序重新启动等功能。 1 2 j 塞銮壅叁擞瑟圭堂燕硷震 麓三重丕蕴蕴逡 ( 4 ) 紧急露l 动按键 采用急停开关当按钮被按下时，纵向和横向电机功率部分被断开，床体 紧急停庶。当紧急状况解除后，顺时针旋幼按钮，按锻将弹起，纵向和横向电 辊恢复供电。 2 4 2 弹关功熊分缨 系统欺设置4 个拨动开关，分别为：“横向测试，计数复位”、“s e r v i c em o d e ”、 “缴露测试，寿命测试”秘“低速糖戳计数曼忝”。1 个拨勰开关，用予选择寿命测 试爵静测试模式。 当上述所有开关鬣于o f f 位谶时，系统处于正常床体运动控制状态，当某一 开关置于o n 位置对，系统便处予测试状态。 1 ) 将“横自测试，计数复位”开关置予o n 位置，系统进入横内测试状态； 2 ) 将“纵向测试，寿命测试”开关置于o n 位置，系统进入纵向测试状态； 3 ) 当“级向测试腾命测试”拜关置于o n 位置，虽拨码舞关的6 爱于o n 像 、开关位谶 开关名；卜 o f fo n 横向灏l 试计数复位 无动作对寿命测试计数清零 。纵向位露”显 低速挡住计数显拳 示器显承疼体当“缴彝位置”蒙暴器显示寿螽溅试计数 蓠经受 拨码开关1无动作自动实现纵向往复运幼 拨璐舞关2 无秘撂缎淘运动摆定距枣嚣，傲横肉往复运动 复杂循环运动( 需要根据不问的测试要 求，通过改变软件实现，系统的初始设置 拨码开关3无动作 为5 次纵向往复运动与1 次横向往复运动 弱疆送行) ； 拨码开关4 无动作指定备用循环运动； 拨码开关5无动作 颓留开关 拨褥开关6缴向溯试 搿命溅试 表2 - l 寿愈溅试状态下各舞关功能列袤 t a b l e 2 - 1s w i t c hf u n c t i o n sl i s ti ns y s t e ml i f et e s tm o d e 鬟瓣，系统逃入寿会溅试状态。穗关嚣关对应功翔表2 - 1 掰示。 4 ) 将“低速档彼，计数显示”开关置于o n 位置，系统进入低速运动状态， 这时按任意纵向方向运动按键床体将超低速向按键控制的方向运动，置于 o f f 整墨，务方囱控利恢复芷豢状态。 5 ) 将“s e r v i c em o d e ”开关鬣于o n 位鬣，系统进入横向位置校准状态。 此功能用于本系统对床体进行第次测试时的横向位置校准。当开关 鬟- to n 位鬟砖，羞瘩髂不在缴彝怒患盥置，刘床体叁动运动裂缴悫起点 位鬣后，傲横i 向运动。涞体先向左i 蠡幼到左侧融使传感器位震，然后再运 动剜右侧限位传感器位置，进行横向床体位置校准。在校准过程中横向位 鬟驻示器无纛示，当羧囊经萋显示嚣驻示零孵，袈示菠准缋窳，霹爨恕努 关霾于o f f 德嚣，进行熊他操作。 2 4 3 嚣零磅麓会缨 系统照示部分主要包括纵向位最、横向位嚣、寿命测试计数、错误代码显豕、 毫源摆忝、袋整豢承等。 1 1 纵向位溉和寿命测试计数 显示藤镕当兹缎囊建譬据潜挚“h o m e ”经萋熬距塞，萃覆秀t l l m 。考瘩蒂餐 空间和成本，纵向位麓和寿命测试计数显示菸同使用一缀数码管显承。由5 位数 码管组成，自右向左分别为：个、十、百、干、万位。 2 ) 横蠢彼鬣帮错误代褥 为了便于操作人员观察，采用一位l 数硒管区分左宿，“+ ”代袭操作人员蕊 瓣家俸噻鹣右逮，“一”代表搡露入曼瑟对宋体露左边。横囊位置零焘鬼凑俸友农 极限的中心位置。使用一位- t - 1 数码管和两位8 字数码管，能够满足系统横向位鬣 的显示要求。同时，两饺8 字数码管也作为系统出错代码显示器使用，当系统出 褒霉班翔羧豹镬误，邋逶瓣繇曼零错误式强鹣方式提醒掰户。 3 1 电源和极限位置指示 逛源攒示窝蓑嚣友骞蔽应捂瑟采震绿色发澎二壤管鼹暴。 。电源”指示灯点亮时，表承控制板已经上电。 “h o m e ”指示灯点亮时，袭示床体当前处于纵向怒点位置 “e o t ”撂示努纛尧瓣，表器滚薅当蓠憝予缴舞终煮位萋。 i l 塞奎亟态鬃亟圭茔建验塞藏兰重丞蕴瑟凌 “发叛限”据拳爆点亮嚣，袭示臻俸姿藏处于横藏炭极限位黉。 “右极限”指示灯点亮时，袭示床体当前处于横向右极限位置。 横向运动禁止指示 横向遴动禁止揩豕采用红色发光二极管，“横恕运动祭止”指示灯点亮时，袭 示床体当前纵向位置大于1 2 0 0 恤m ，提示操作人员横向运动被禁止。 a 夏銮鋈鑫甏亟童堂垂论塞墓三童垂筑篷筮左塞遮披 3 系统控制方案设计 本蓉绕采鬟了茺秘毫淀镯暇耄援窝壹滚步遴毫橇，羧撵嚣秘惫凝各塞熬稳猿 特性，分别采用不同的控制方案。 电动机控制主要缀历了几个阶段，模拟电路及分离状元件组成的控制电路， 垂手其控鬃毫臻复杂，稳定挂苓羧，嚣瑟，逐步毅寒级黪数字控裁秀式褒取钱。 这些高级的数控方式熏蒙采用单片机控制。从八十年代开始，微处攥器( 单片机) 逐渐流行予电机控制当中。其具有如下特点； ( 1 ) 电路更篱蕈 模拟电路为了实现控制逻辑需鼹许多电予元件，使电路复杂，采用微处器扁， 绝大多数接露l 逻辑可以遥过软俘实瑗。 ( 2 ) 可以实现较复杂的控制 微处理器有更强的逻辑功能。运算速度快、精度黼、有大容量的存储单元， 嚣魏有爨力实凌复杂瓣控裁，魏後纯控裁等。 ( 3 ) 灵活性和造成性强 擞楚理器熬控靠l 努式是壹软绛宠残戆。翔粟须要穆改控露l 痰露，一般不努妥殳 变系统的硬件电路，必须修改程序即可。在系统调试和升级时，可以不断尝试选 择最优参数，非常方便 ( 4 ) 无零点漂移，控割耪波褒 数字控制不会出现模拟电路中经常遇到的零点漂移问题。无论被控量的犬娥 小，都可l ：l 保证足够的控制精度。 ( 5 ) w 提供入机器霹，多钒联鼹工作 单片机有较强的控制功能、低廉的成本。人们在选择电动机的控制器时，常 露是在瀵踅凌戆霉要瓣嚣肄，爨灸选择戏本低懿控麓嚣。霆藏，擎赡梳往往袋为 优先选择的目标。从最近的统计数字也可以肴出，世界上每年要有2 5 亿片各种单 片机投入使用，单片机是耳前世界使用量最大的微处理器。 a t 塞銮蕉塞警烫圭耋逵埝塞筮三重菱麓控筮左塞逡捩 3 1 镯服系统 伺服系统是以机械运动的驱动设备电动机为控制对象，以控制器为核心，以 电力电子功事变换装黧为撬孬极褥，在塞动掇镑l 理论豹搬导下组成翁电气传动巍 动控制系统。这类系统控制电动机豹转矩、转速和转角，将龟能转换为视械能， 实现运动机械的运动要求。具体在本系统中，伺服系统接收数控系统发出的位移、 速疫指令，经交换、教大蜃，由壤魂枫和巍械健魂瓿构骧魂宋体骰缀囊运动，逶 过软件程序控制床体实现复杂运动