医疗影像技术与伺服控制的发展

伺服电机比感应电机定位更迅速和精确。但是，由于医疗扫描架产生的惯性载荷较高，因此以前伺服电机很难在此种应用下工作。但是最近，采用数字双二次滤波器的新一代驱动技术使伺服电机能够按照高达1000:1的惯性荷载成功地应用到扫描架，同时解决了相关的共振难题。因此，运动更加精确，加速和减速更迅速，产生更高的生产能力和更清晰的影像。开环和闭环交流感应电机已经主导了影像设备扫描架定位市场，这些影像设备包括计算机断层扫描设备（CT），电子发射断层扫描-计算机断层扫描设备（PET-CT）和X光机等。交流感应电机的高惯性减少了电机和载荷之间的不匹配。

由于医疗设备制造商想要提高设备的生产能力和影像质量，他们通常受到这类电机固有的性能局限性的限制。在许多需要快速和精确定位的应用领域，感应电机已经被永磁式伺服电机取代，后者可以提供极高的峰值转矩和连续转矩，从而产生较高的加速率和减速率，显著提高精密定位系统的性能。

 低惯性结构是许多永磁式伺服电机的固有设计。因此，需要考虑扫描架的高惯性载荷与伺服电机的低载荷之间的较大不匹配比。伺服电机控制系统可以经过整定以应对惯性不匹配的情况，但是一旦整定后，由于惯性载荷增加或减少，伺服电机响应性能下降。对于大多数医疗应用，载荷很少变化；但是这些装置中通常使用的皮带传动导致电机和载荷之间产生相容性或空转问题，进而改变反射惯性。为了使伺服系统有效地运转，需要整定伺服放大器以优化系统的响应性能。提高系统的响应性能通常需要提高增益。但是，增益过大将导致不稳定，有时会无法控制振动。因此，系统整定的目标是获得最大响应性同时尽量减少不稳定性。就电机接受速度整定指令而言，不稳定性会导致动作过头。例如，提高珩磨机控制系统的惯性值可能导致电机过度执行指令。一方面，随着惯性的增加，不稳定性的频率降低并且需要更长的校正时间。另一方面，随着惯性相对于给定整定值的增加，电机变得不稳定，不稳定性频率相对较高。

为了消除这些振动，系统必须解调。当整定值减少时，振动将停止但也会降低系统的性能。当增益为-3dB或更小，输出相位与控制信号相差-45度或更小，或与电机参考值相差-135度时，控制系统失去控制。众所周知，开环传递函数使用两种方式预测稳定性问题：相位裕度（PM）和增益裕度（GM）。相位裕度是增益为0时的频率所对应的开环相位和-180度之间的差值。增益裕度是相位穿过-180度时其频率所对应的开环增益的负值。载荷的不可预测性越大，相位裕度和增益裕度就越大，以确保控制系统的稳定性。例如，当共振频率远低于初相交叉点频率（270 Hz）时，相容载荷的作用是减少增益裕度。如果惯性不匹配值为5，增益裕度减少值为6，即大约16 dB。假设没有其他校正方法，与刚性系统相比，相容耦合系统的增益不得不减少16 dB，前提是两个系统都保持相同的增益裕度。增益的大幅减少将使系统接收指令和干扰响应能力变差。

伺服控制系统制造商已经显著提高了惯性不匹配和相容载荷的补偿能力。这些研究的依据是相容机械系统通常具有一些容易振荡的共振点，同时在其他频率会获得更好的性能。传统的方式是使用低通，带通和高通滤波器消除有害的频率。该方法本身的问题是多个滤波器消除所有共振会导致计算延迟和相位移动，容易造成系统失控。最近，双二次滤波器的使用使系统的性能显著提高。双二次滤波器包括两个带有五个系数的二次方程，这样滤波器几乎可以模拟任何简单滤波器的组合，同时不会造成明显的延迟。通过整定产生问题的频率，双二次滤波器实现了提高相位裕度和增益裕度优化伺服系统性能的目标。例如，机械系统的共振频率为200 Hz，可以配置双二次滤波器消除200 Hz，同时在更低控制频率点保持高增益。

大型带式驱动的扫描架具有较强的物理转折频率（roll-off），使它们与低通滤波器一样截断所有高于大约10 Hz的频率。借助在10 Hz点截断增益同时通过30 Hz和40 Hz之间的速度环，可以显著提高关键控制频率点（大约2至4 Hz）的增益。速度反馈装置配合双二次滤波器可以大幅提高面临低频率共振问题的系统的性能。与传统的单极低通滤波器相比，双二次滤波器和增益组合可以使校正时间减少为原来的三分之一，带宽提高三分之一。同时，反馈装置通过显著减少加速度和跃度力，维持稳定裕度。

新一代伺服控制器可以通过配置提供补偿影像应用中的高惯性载荷和相容性所需的增益裕度和相位裕度。医疗影像设备制造商可以并希望利用伺服电机提供的更高加速度和速率，以便使系统显著提高客户的生产能力。此外，伺服系统的主要制造商已经提高了制造效率，将伺服技术的成本降低到与交流感应电机相同的水平。