專利名稱：一種四維超聲探頭電機控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及超聲成像設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種四維超聲探 頭電機控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在超聲成像系統(tǒng)中，普通探頭得到的圖像是二維的圖像，如果要得 到四維圖像，就需要使用特殊的超聲探頭一四維超聲探頭。四維超聲探 頭是由普通的超聲換能器加上電機以及傳動裝置構(gòu)成的。當電機驅(qū)動傳 動裝置使超聲換能器圍繞一個軸產(chǎn)生擺動，在超聲換能器擺動的過程 中，發(fā)射模塊向超聲換能器施加發(fā)射電壓，使之發(fā)出超聲波，該超聲波 在人體內(nèi)傳播時，會在體內(nèi)組織間的不均勻面上產(chǎn)生反射，通過接收這 些反射回波信號可以探測人體內(nèi)不均勻組織的分布情況。通過這些回波 信號，超聲成像系統(tǒng)可以構(gòu)建出探測部位的實時三維圖像，即四維圖像。 顯然，為了得到準確的四維圖像，必須準確地知道超聲換能器發(fā)射和接 收超聲波信號時，超聲換能器所處的位置或者說超聲換能器所偏移的角 度。在這種情況下，步進電機是一個很好的選擇，步進電機是將電脈沖 信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機 的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變 化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線 性關(guān)系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點， 非常適合于需要進行電機速度、位置控制的四維超聲探頭使用。但是由于步進電機安裝在四維超聲探頭內(nèi)部，和超聲換能器空間位 置上很接近，并且步進電機只能使用電脈沖信號進行控制，而超聲回波 信號一般很微弱，很容易受這些電脈沖信號干擾，影響超聲圖像的成像 質(zhì)量。還有一個問題，由于步進電機是一個開環(huán)控制元件，不存在反饋 環(huán)節(jié)，如果發(fā)生失步(電機運轉(zhuǎn)時運轉(zhuǎn)的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)， 稱之為失步)，電機控制器也無法得知，導(dǎo)致超聲換能器的實際位置和 理論位置有偏差。最后，步進電機工作過程中，容易產(chǎn)生振動，并發(fā)出 噪音，會給超聲系統(tǒng)的操作者一種不舒服的感覺
實用新型內(nèi)容
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本實用新型要解決的技術(shù)問題是提供一種四維超聲探頭電機控制 系統(tǒng)，克服現(xiàn)有技術(shù)的四維超聲探頭使用步進電機，因此無法通過電機 控制系統(tǒng)進行閉環(huán)控制的缺陷。
本實用新型為解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為 一種四維超聲探頭電機控制系統(tǒng)，包括微處理器、運動控制器、電 機驅(qū)動器和編碼器，所述微處理器、所述運動控制器和所述電機驅(qū)動器 依次相連，所述電機驅(qū)動器與伺服電機相連，所述編碼器與所述伺服電 機的轉(zhuǎn)軸相連，所述編碼器的輸出端分別與所述微處理器和所述運動控 制器相連，所述微處理器向所述運動控制器發(fā)送控制所述伺服電機運動 的指令，所述編碼器向所述微處理器和所述運動控制器分別輸出至少一 路檢測信號，所述運動控制器根據(jù)所述指令和所述檢測信號向所述電機 驅(qū)動器輸出控制電機運動的控制信號，所述電機驅(qū)動器根據(jù)所述控制信 號驅(qū)動所述伺服電機。
所述的四維超聲探頭電機控制系統(tǒng)，其中所述編碼器輸出第一脈沖 信號、第二脈沖信號和第三脈沖信號，由第一脈沖信號和第二脈沖信號的相位差確定所述伺服電機的轉(zhuǎn)動方向，由第三脈沖信號確定所述伺服 電機的轉(zhuǎn)動是否經(jīng)過設(shè)定的零點。
所述的四維超聲探頭電機控制系統(tǒng)，其中所述微處理器內(nèi)設(shè)置正交
解碼脈沖電路QEP。
所述的四維超聲探頭電機控制系統(tǒng)，其中還包括差分接收器，所述 差分接收器的輸入端連接所述編碼器，其輸出端連接所述微處理器和所 述運動控制器。
所述的四維超聲探頭電機控制系統(tǒng)，其中還包括霍爾電流傳感器和 模數(shù)轉(zhuǎn)換器，所述霍爾電流傳感器與所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器相連，所述模數(shù)轉(zhuǎn) 換器與所述微處理器相連。
所述的四維超聲探頭電機控制系統(tǒng)，其中還包括隔離器，所述隔離 器分別與所述微處理器、所述運動控制器、所述電機驅(qū)動器和所述差分 接收器相連。
所述的四維超聲探頭電機控制系統(tǒng)，其中所述伺服電機設(shè)為直流伺 服電機。
所述的四維超聲探頭電機控制系統(tǒng)，其中所述電機驅(qū)動器設(shè)為H橋 功率放大電路。.
所述的四維超聲探頭電機控制系統(tǒng)，其中所述H橋功率放大電路的 輸出端連接濾波器。
所述的四維超聲探頭電機控制系統(tǒng)，其中所述編碼器設(shè)為增量式光 電編碼器。
所述的四維超聲探頭電機控制系統(tǒng)，其中所述運動控制器設(shè)為增量 式PID運動控制調(diào)節(jié)器。
所述的四維超聲探頭電機控制系統(tǒng)，其中所述隔離器設(shè)為芯片ISO7240,所述H橋功率放大電路設(shè)為芯片A3949。
本實用新型的有益效果本實用新型四維超聲探頭電機控制系統(tǒng)實 現(xiàn)了對四維超聲探頭中伺服電機的閉環(huán)控制，對伺服電機的運動控制精 確，避免了電機運行過程中對超聲回波信號的干擾，當使用直流伺服電 機時也避免了噪音的產(chǎn)生，同時也大大減小了電機震動的幾率，是四維 超聲探頭電機控制系統(tǒng)的一大進步。


本實用新型包括如下附圖
圖1為本實用新型四維超聲探頭電機控制系統(tǒng)示意圖； 圖2為本實用新型使用的差分接收器示意圖； 圖3為本實用新型編碼器輸出信號時序圖4為本實用新型增量式PID運動控制調(diào)節(jié)器計算模型示意圖5為本實用新型使用的H橋功率放大電路示意圖6為本實用新型微處理器主程序流程圖7為本實用新型微處理器中斷響應(yīng)函數(shù)流程圖。
具體實施方式
下面根據(jù)附圖和實施例對本實用新型作進一步詳細說明 如圖1所示，本實用新型四維超聲探頭電機控制系統(tǒng)包括微處理器、 運動控制器、電機驅(qū)動器和編碼器，微處理器、運動控制器和電機驅(qū)動 器依次相連，電機驅(qū)動器與伺服電機相連，編碼器與伺服電機的轉(zhuǎn)軸相 連，編碼器的輸出端分別與微處理器和運動控制器相連，微處理器用于 向運動控制器發(fā)送控制伺服電機運動的指令，編碼器用于向微處理器和 運動控制器分別輸出至少一路檢測信號，運動控制器用于根據(jù)指令和檢 測信號向電機驅(qū)動器輸出控制電機運動的控制信號，電機驅(qū)動器用于根據(jù)控制信號驅(qū)動伺服電機。
本實用新型采用微處理器負責伺服電機位置環(huán)的處理，同時負責電 機的啟動、停止以及接收其他應(yīng)用系統(tǒng)的命令，并完成運動控制器的初 始化。運動控制器內(nèi)部硬件電路完成系統(tǒng)的位置環(huán)、速度環(huán)控制，最終
產(chǎn)生PWM ( Pulse Width Modulation,脈沖寬度調(diào)制)驅(qū)動信號，以完 成對電機驅(qū)動器的開關(guān)控制；采用霍爾傳感器對電機電流采樣，以實現(xiàn) 過流保護。系統(tǒng)采用增量式光電編碼器測量電機位置和速度信號，增量 式光電編碼器的輸出經(jīng)過差分接收器進入微處理器和運動控制器。為了 增強系統(tǒng)的抗干擾性，采用隔離器將系統(tǒng)的控制部分和功率部分進行隔 離。
位置反饋回路
超聲成像系統(tǒng)需要電動機的位置信息以進行四維圖像的合成，而且 電機控制系統(tǒng)也需要準確得位置信息以進行控制電壓的調(diào)整。本系統(tǒng)的 位置檢測器采用增量式光電編碼器，輸出的A+、 A- 、 B+、 B-、 Z+、 Z-六路差分信號，如圖2所示，為了進一步消除干擾，在輸入端每根線 上都加上一個濾波電容，在兩根差分的信號線之間接一個用于線路阻抗 匹配的電阻，以減小高頻數(shù)字信號引起的反射噪聲。然后，送入差分接 收器，最后輸出有關(guān)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、原點位置及相對角位移的數(shù)字信號A、 B、 Z。 A、 B、 Z的信號時序圖如圖3所示。A、 B信號是2個互差90 度的脈沖序列，從A、 B信號的相位差可以得到電機的轉(zhuǎn)動方向，即Dir 的值。從A、 B信號的脈沖個數(shù)可以得到電機的轉(zhuǎn)動距離，進而按照公 式1計算出轉(zhuǎn)動速度。從Z信號可以得到電機轉(zhuǎn)動是否經(jīng)過零點。
式中，v表示速度，單位為脈沖數(shù)/秒；x表示位置，單位為脈沖數(shù)，r表示固定的采樣周期，單位為秒；A:表示離散的時間序列。公式l表 示一個采樣周期內(nèi)光電編碼器發(fā)出的脈沖數(shù)與采樣周期的比值，就是該 采樣周期內(nèi)的平均速度。
A、 B、 Z三個信號輸入到運動控制器，使其獲得位置反饋信號，得 以實現(xiàn)對伺服直流電機的閉環(huán)控制。同時，還將位置反饋信號送入微處 理器中進行后處理，以得到超聲換能器的擺動位置信息。很多微處理器 中實現(xiàn)了正交解碼脈沖電路(Quadrature Encoder Pulse， QEP電路)，例如 TMS320F2407A的事件管理模塊中就具有正交解碼脈沖電路。當QEP 電路被使能時，會對引腳QEP1和QEP2上的正交編碼輸入脈沖進行解 碼和計數(shù)。這樣對位置的檢測不需要其他外圍電路，電路簡單可靠。從 上述可以看出，位置環(huán)的有關(guān)硬件設(shè)計簡單可靠。
伺服電機運動控制
作為位置伺服系統(tǒng)，在定位控制中，必須保證以下3個方面的要求 定位精度，要求系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差為零；定位速度，要求系統(tǒng)有盡可能高的 動態(tài)響應(yīng)速度；要求系統(tǒng)位置響應(yīng)無超調(diào)。本系統(tǒng)中，采用增量式PID 運動控制調(diào)節(jié)器按照給定變化進行控制，當給定的變化出現(xiàn)時，調(diào)節(jié) 器立刻根據(jù)其性質(zhì)和大小對被控參數(shù)進行控制，使被控量能及時跟隨給 定值的變化，大大減小控制的滯后。增量式PID是由PID算法演變而來 的，PID的基本算式如公式2所示
公式2
式中，"O為調(diào)節(jié)器輸入函數(shù)，即給定量與輸出量的偏差；y為調(diào)節(jié)
器輸出函數(shù)，」&為比例系數(shù)；i;為積分時間常數(shù)；&為微分時間常數(shù)。
其中，第一項是比例項，提供一個與位置誤差成比例的電壓。第二項是 積分項，提供一個隨時間增長的電壓，這樣才能確保靜態(tài)位置誤差為零。即使有一個持續(xù)的扭矩，最終電機仍能實現(xiàn)零誤差。第三項是微分項， 提供一個與誤差變化速率成比例的電壓，預(yù)測誤差的變化。
經(jīng)將連續(xù)形式的微分方程(公式2)變換為離散形式的差分方程，即
PID控制規(guī)律的離散化形式
7, /=0 7
公式3
式中，"W為采樣時刻A時的輸出值，e 為采樣時&時的偏差值， ef^-W為采樣時刻^-7時的偏差值，r為采樣周期。該式對應(yīng)于被控對象 的執(zhí)行機構(gòu)每次采樣時刻應(yīng)達到的位置，因此稱為PID位置控制算式。 式中輸出值"^與過去所有狀態(tài)有關(guān)，計算時要占用大量的內(nèi)存和花費 大量的時間。為避免此情況，故需采用增量型控制，即輸出量是兩個采 樣周期之間輸出增量A"^)。 PID增量式控制算式為
= — -1)
=& j - * -1) + * +爭[ ) - 2e(" 1) ++ 2)]
公式4
為加快計算速度，可將上式進行算式簡化合并整理為 = + W(A -1)
=— 1) + ii:J 一 一 1) + ; + , - 2e(A: -1) + e(A + 2)]
，r L
7: r
之J"
啾-l) + 、爭e("2)
=— 1) + a。e(A:) — cr,e(A; — 1) + a2e(& _ 2)
公式5
式中，系數(shù)"。、"/、化可先進行計算，然后代入再進行程序運算。電 機的運動控制都是在運動控制器內(nèi)部完成的，運動控制器主要實現(xiàn)一個 增量式PID運動控制調(diào)節(jié)器，其計算模型如圖4所示。保護隔離電路
保護電路主要是為了防止電機的電流過載而導(dǎo)致電機燒毀。電流測
量采用霍爾電流傳感器(Hall Current sensor)。當電流流經(jīng)霍爾電流傳感 器時，霍爾電流傳感器就輸出一個與電流值成正比的電壓。而由于不需 要在電流路徑上串聯(lián)取樣電阻，也就不會使電源電壓發(fā)生變化。使用霍 爾電流傳感器還有一個優(yōu)點，由于這種測量方式是非接觸式的，使得測 量者與被測量對象是隔離的，可以將功率部分與控制部分隔離開來，以 免電機電源部分對數(shù)字電源部分的工作有影響?；魻栯娏鱾鞲衅鞯妮敵?通過ADC (Analog Digital Converter)到微處理器，由微處理器判斷是 否電機的電流是否超過上限，如果超過限制，則使Mode信號有效，使 電機降速；如果將電機降速后，電流還是超過限制，則使Sleep信號有 效，關(guān)閉電機驅(qū)動器，使電機停止運轉(zhuǎn)。
為防止功率部分對控制部分產(chǎn)生干擾，必須將兩個部分進行電氣隔 離，保護微處理器和運動控制器并減少功率部分干擾。由于需要隔離的 7個信號Mode、 Sleep、 PWMSGN、 PWMMAG、 A、 B、 Z都是數(shù)字 信號，而且都是單向傳輸，這種情況下隔離就比較簡單，本實用新型使 用集成隔離芯片ISO7240進行隔離。
電機驅(qū)動器與輸出濾波
電機驅(qū)動器采用H橋功率放大電路，該電路能將輸入的PWMSGN、 PWMMAG信號轉(zhuǎn)為能驅(qū)動直流電動機的功率信號。由于四維超聲探頭 使用的電機功率不大，目前已經(jīng)有很多集成的H橋功率放大電路，如 A3949。以電機驅(qū)動芯片為核心，只要增加少量無源器件即可實現(xiàn)電機 驅(qū)動器，結(jié)構(gòu)簡單，如圖5所示，外圍只需要幾個電容。電機驅(qū)動芯片 內(nèi)部集成了控制邏輯，只要向PHASE和ENABLE引腳施加PWMMAG和PWMSGN控制信號，控制邏輯對其進行邏輯運算后驅(qū)動H橋，即可 控制直流電機的速度和方向，簡化了硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計。同時電機驅(qū) 動芯片整合了低導(dǎo)通電阻的DMOS輸出與內(nèi)部同步校正控制，從而更加 降低了功率損耗。
為了減少電機運行過程中的EMI (Electro Magnetic Interference， 電 磁干擾)，在電機驅(qū)動芯片的輸出端接上濾波器，如圖5所示，這樣能 夠有效地減少EMI。
微處理器
微處理器的作用主要有三個-
1、 初始化運動控制器，并適時更新運動控制器的參數(shù)；
2、 讀取當前電機的運動位置；
3、 檢測電機的運行狀態(tài)，是否過載。 微處理器與運動控制器的連接如圖1所示。微處理器的8位數(shù)據(jù)線
與運動控制器的8位并行數(shù)據(jù)線相連，將運動控制器作為微處理器的外 圍接口擴展芯片，CS、 RD、 WR作為它的片選、寫、讀信號。另外， PS作為命令和數(shù)據(jù)的區(qū)分信號；RST為運動控制器的復(fù)位信號；CLK 是運動控制器的工作時鐘，也有微處理器提供，這樣就能控制運動控制 器的工作，當CLK無效時，運動控制器就不工作。HI是運動控制器輸 出的，用于指示運動控制器是否完成了預(yù)設(shè)的位置運動控制，這樣可以 提示微處理器更新運動控制器的位置參數(shù)，以進行新的位置控制。在電 動機運行過程中，微處理器要實時訪問運動控制器的寄存器并進行配 置，因此它們之間的通信對可靠性和快速性的要求就比較高。本實用新 型采用并口方式，實現(xiàn)微處理器與運動控制器的準確、可靠通信。
如圖1所示，微處理器還有兩條信號線Mode、 Sleep直接到電機驅(qū) 動器，用于緊急情況下，使電機降速或關(guān)閉電機。如圖1所示，微處理器接收A、 B、 Z三個信號，用于內(nèi)部計算電 機的位置，為四維超聲圖像的合成提供位置參數(shù)。
如圖1所示，微處理器還檢測電機的工作電流，以確保電機工作在 正常狀態(tài)下。
微處理器運行的主程序的流程圖如圖6所示。主程序主要負責運動 控制器的初始化、參數(shù)的更新、以及運動控制器內(nèi)部故障的檢査。由于 四維超聲探頭需要電機做往復(fù)擺動，我們希望電機完成了本次運動控制 后，到開始下次運動控制時所等待的時間越短越好。因此在運動控制器 中，采用雙緩沖寄存器，即有兩組相同的寄存器用于實現(xiàn)相同的功能， 但是每次只有一組寄存器內(nèi)的參數(shù)用于運動控制。這樣，可以將一組控 制參數(shù)寫入第一寄存器組，然后啟動'啟用新參數(shù)'的命令，則運動控制 器自動將第一寄存器組的參數(shù)轉(zhuǎn)移到第二寄存器組，并立即開始運動控 制。此時，可以將另一組新的控制參數(shù)再寫入第一寄存器組，但是不發(fā) 送'啟用新參數(shù)'的命令，直到確認運動控制器已經(jīng)完成當前的運動控制， 當前的控制參數(shù)已經(jīng)失效，再發(fā)送'啟用新參數(shù)，，啟用新的控制參數(shù)， 這樣就可以減少電機停頓的時間。
圖7所示的程序是微處理器定時中斷響應(yīng)函數(shù)，當定時器的定時到， 本程序被微處理器執(zhí)行，完成電機位置的采集以及電機電流的檢測，并 判斷電機是否過載。
本領(lǐng)域技術(shù)人員不脫離本實用新型的實質(zhì)和精神，可以有多種變形 方案實現(xiàn)本實用新型，以上所述僅為本實用新型較佳可行的實施例而 已，并非因此局限本實用新型的權(quán)利范圍，凡運用本實用新型說明書及 附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)變化，均包含于本實用新型的權(quán)利范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1、一種四維超聲探頭電機控制系統(tǒng)，其特征在于包括微處理器、運動控制器、電機驅(qū)動器和編碼器，所述微處理器、所述運動控制器和所述電機驅(qū)動器依次相連，所述電機驅(qū)動器與伺服電機相連，所述編碼器與所述伺服電機的轉(zhuǎn)軸相連，所述編碼器的輸出端分別與所述微處理器和所述運動控制器相連，所述微處理器向所述運動控制器發(fā)送控制所述伺服電機運動的指令，所述編碼器向所述微處理器和所述運動控制器分別輸出至少一路檢測信號，所述運動控制器根據(jù)所述指令和所述檢測信號向所述電機驅(qū)動器輸出控制電機運動的控制信號，所述電機驅(qū)動器根據(jù)所述控制信號驅(qū)動所述伺服電機。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的四維超聲探頭電機控制系統(tǒng)，其特征在 于所述編碼器輸出第一脈沖信號、第二脈沖信號和第三脈沖信號，由 第一脈沖信號和第二脈沖信號的相位差確定所述伺服電機的轉(zhuǎn)動方向， 由第三脈沖信號確定所述伺服電機的轉(zhuǎn)動是否經(jīng)過設(shè)定的零點。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的四維超聲探頭電機控制系統(tǒng)，其特征在 于所述微處理器內(nèi)設(shè)置正交解碼脈沖電路QEP。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的四維超聲探頭電機控制系統(tǒng)，其特征在于還包括差分接收器，所述差分接收器的輸入端連接所述編碼器，其 輸出端連接所述微處理器和所述運動控制器。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的四維超聲探頭電機控制系統(tǒng)，其特征在于還包括霍爾電流傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器，所述霍爾電流傳感器與所述 模數(shù)轉(zhuǎn)換器相連，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器與所述微處理器相連。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的四維超聲探頭電機控制系統(tǒng)，其特征在于還包括隔離器，所述隔離器分別與所述微處理器、所述運動控制器、 所述電機驅(qū)動器和所述差分接收器相連。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的四維超聲探頭電機控制系統(tǒng)，其特征在 于所述伺服電機設(shè)為直流伺服電機。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的四維超聲探頭電機控制系統(tǒng)，其特征在 于所述電機驅(qū)動器設(shè)為H橋功率放大電路。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的四維超聲探頭電機控制系統(tǒng)，其特征在 于所述H橋功率放大電路的輸出端連接濾波器。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的四維超聲探頭電機控制系統(tǒng)，其特征在于所述編碼器設(shè)為增量式光電編碼器。
11、 根據(jù)權(quán)利要求io所述的四維超聲探頭電機控制系統(tǒng)，其特征在于所述運動控制器設(shè)為增量式PID運動控制調(diào)節(jié)器。
12、 根據(jù)權(quán)利要求11所述的四維超聲探頭電機控制系統(tǒng)，其特征在 于所述隔離器設(shè)為芯片ISO7240,所述H橋功率放大電路設(shè)為芯片 A3949。
專利摘要本實用新型公開了一種四維超聲探頭電機控制系統(tǒng)，包括微處理器、運動控制器、電機驅(qū)動器和編碼器，所述微處理器、所述運動控制器和所述電機驅(qū)動器依次相連，所述電機驅(qū)動器與伺服電機相連，所述編碼器與所述伺服電機的轉(zhuǎn)軸相連，所述編碼器的輸出端分別與所述微處理器和所述運動控制器相連，所述微處理器向所述運動控制器發(fā)送控制所述伺服電機運動的指令，所述編碼器向所述微處理器和所述運動控制器分別輸出至少一路檢測信號，所述運動控制器根據(jù)所述指令和所述檢測信號向所述電機驅(qū)動器輸出控制電機運動的控制信號，所述電機驅(qū)動器根據(jù)所述控制信號驅(qū)動所述伺服電機。
文檔編號H02H7/08GK201355804SQ20092012958
公開日2009年12月2日 申請日期2009年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月20日
發(fā)明者海 蘭, 李春彬, 蔣頌平 申請人:深圳市藍韻實業(yè)有限公司