超聲波電機在核磁共振醫(yī)療設(shè)備中的應(yīng)用設(shè)計
摘要：針對核磁共振醫(yī)療設(shè)備中對執(zhí)行電機無磁化的特殊要求，利用超聲波電機不含線圈、繞組通過超聲振動、摩擦耦合的驅(qū)動原理，設(shè)計了一款無磁行波型超聲電機。為了實現(xiàn)快速響應(yīng)和精確定位，采用高精度****式編碼器反饋轉(zhuǎn)速和位置信號，控制上采用轉(zhuǎn)速內(nèi)環(huán)和位置外環(huán)的雙閉環(huán)控制。硬件設(shè)計采用PIcl6F913單片機
作為控制核心，母后制作樣機，試驗結(jié)果證明了控制設(shè)計方案的可行性。
關(guān)鍵字：超聲波電機，編碼器，PIcl6F913，雙閉環(huán)控制
O引言
核磁共振成像(Nucleus Magnetic Reson_dnce Imaging，簡稱M R1)，是上世紀八十年代才發(fā)展起來的影像診斷技術(shù)。其基本原理是將人體置于特殊的磁場中，用無線電射頻脈沖激發(fā)人體內(nèi)氫原子核，引起氫原子核共振，并吸收能量。在停止射頻脈沖后，氫原子核按特定頻率發(fā)出射電信號，并將吸收的能量釋放出來，被體外的接受器收錄，經(jīng)電子計算機處理獲得圖像，這就叫做核磁共振成像。MR掃描設(shè)備：根據(jù)磁體的形成可分為永磁型(釹鐵硼)、電磁型及超導型三種，根據(jù)磁場的強度可分為高場、中場及低場，高場是指1 OT(Tesla 1T=1000(高斯)以上的，低場是指03T以下的，其余為中場的。
超聲波電機是20世紀80年代發(fā)展起來的一種直接驅(qū)動的新型微特電機。同傳統(tǒng)電磁電機相比，超聲波電機不依靠電磁相互作用來傳遞能量，而是利用壓電陶瓷片的逆壓電效應(yīng)激發(fā)的微觀
振動作為驅(qū)動力，通過共振放大和摩擦耦合轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子或滑塊的宏觀運動。具有低速大扭矩、無電磁F擾、響應(yīng)快速、運行無噪聲、斷電自鎖等優(yōu)點。在精密控制領(lǐng)域、工業(yè)控制系統(tǒng)、汽車專
用電器、機器人應(yīng)用、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域具有比傳統(tǒng)電機更優(yōu)越的應(yīng)用前景[1u3]。正是基于超聲波電機無繞組、無電磁場的特點，成為核磁共振醫(yī)療設(shè)備中執(zhí)行電機的****。
根據(jù)客戶對額定力矩要求，選用usM50超聲電機。而且無磁電機要求電機的各個零件不能導磁，所以在定子、轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)軸、軸承、機殼等材料選擇上必須是不導磁材料。
電機結(jié)構(gòu)如圖1所示：1****編碼器、2．無瓷軸承、3機殼、4轉(zhuǎn)子、5摩擦材料、6定子、7．輸出軸。定子材料采用鋁青銅、轉(zhuǎn)子采用硬鋁合金、軸采用黃銅、機殼采用鋁合金、軸承采用陶瓷基軸承。
2控制器硬件設(shè)計
超聲電機速度調(diào)節(jié)采用調(diào)頻調(diào)速。硬件設(shè)計，采用壓控振蕩器cD4046鎖相環(huán)芯片作為核心。cD4046內(nèi)部含有鑒相器、壓控振蕩器，其外部引腳如圖2所示。作為方波發(fā)生器用，通過調(diào)節(jié)
9腳輸入電壓巧。大小就可以改變輸出方波信號。的頻率。
控制器采用8位單片機PIcl6F913。****編碼器輸出的位置信號經(jīng)過解碼后輸入到I／O口，正轉(zhuǎn)時其位置信號十六進制數(shù)遞增；反轉(zhuǎn)時遞減。經(jīng)過內(nèi)部程序計算處理后，得到電機的轉(zhuǎn)速和****位置。根據(jù)給定轉(zhuǎn)速實時調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，經(jīng)過D／A轉(zhuǎn)換和運算放大形成控制信號，送到cD4046的9腳礦Ci。，調(diào)節(jié)電機驅(qū)動頻率，使電機速度跟蹤給定轉(zhuǎn)速。單片機問時根據(jù)上位機給定位置和正反轉(zhuǎn)方向指令，外環(huán)作閉環(huán)控制，實時給出cw／ccw信號和電機啟停信號。PIcl6F9I 3及其外部電路連接如圖3所示。
3通信
上位機和控制器的通信采用串口通信，電平轉(zhuǎn)換采用芯片Rs232。主要包括接收上位機發(fā)送的速度、位置、及控制信號；向上位機發(fā)送速度、位置脈沖信號。根據(jù)控制要求用Ⅵsual Basic語言編寫了通信界面，如圖4所示�？梢詫崿F(xiàn)位置置零、順時轉(zhuǎn)動、逆時轉(zhuǎn)動、轉(zhuǎn)速設(shè)定、位置設(shè)定、而且可以設(shè)置連續(xù)指令執(zhí)行。執(zhí)行完之后對電機位置返回執(zhí)行信息。
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