OPELA 90/20型诊断床控制和驱动系统改造研发

胥胜江 鲁本艳 邓厚友

1 OPELA 90/20电动诊断床的缺陷

意大利GMM公司生产的OPELA 90/20型的电动诊断床采用光缆通信，极大地减少了控制台与机柜的连接电缆，布线、安装、保养都十分方便。但是，由于过于追求造型美观和较低的床面高度，设计上只得尽量将中心支承点向床面一端靠近，床面抬起时则需要非常大的驱动功率，导致高故障率和高维修成本。

2 电动诊断床控制和驱动系统技术改造主要目标和思路

2.1 技术改造必要性

机器正常使用不满2年，驱动电机有可能报废。由于电机结构特殊，国内尚无替代产品，若只是简单的原型号更换，将面临以下问题：①价格昂贵；②供货周期长，③使用寿命短。为了从根本上解决问题，对其进行相应的技术改造。由于交流电机成本较低，国产货质量亦很稳定，且可在本地购到，拟设计修改控制电路后用国产交流电机替换进口直流电机。鉴于OPELA 90/20型诊断床的电动诊断床控制高故障率和高维修成本(见表1)，因此对其进行控制线路、动力和传动机构的技术性改造。

表1 改造前后故障率和成本对照

2.2 技术改造主要目标

对美国长青RD2000型数字化X线影像系统诊断床控制部分进行技术改造的目标是：解析OPELA 90/20诊断床原控制电路原理，重新设计交流电机控制电路，完成电机替换。电机替换后必须保持以下运行控制：电机正向运动、立床到位自动停止，电机反向运动、倒床到位自动停止。技术改造选用的交流电机须运行平稳、经久耐用。技术改造后诊断床的操作控制应与改造前无任何改变；新设计的控制电路与整套设备电脑控制系统实现良性对接，确保整个系统运行正常，避免出现意外的故障提示和保护停机。用功率大、故障率低、成本廉价的交流电机替换原用功率小、故障率高、维修成本高的直流电机是技术改造的最终目标。

2.3 技术改造主要思路

对同型号数字化X线影像系统及配有OPELA 90/20诊断床的机器进行了对比分析，广泛征求了操作医生和维修工程师的意见，结合机器的实际情况，经过科学计算和反复试验、修正，对OPELA 90/20诊断床电机供电电路、控制电路、方向操纵电路实施针对性修改，选择功率、品质、体积均符合要求的交流电机，最终确定交流电机的最佳安装位置，并绘制相应的框图作为原理图设计的方向[1]。

3 电路原理图的设计

3.1 诊断床电机电路设计

3.1.1 原直流电机分析

原直流电机型号为ESA 3M 52，将该电机接上直流电源、转速表，测量电压、电流和空载转速，再用电桥测量冷态的电阻。通过下面的公式进行计算[2](U=E+IR，E=Ke×n，Ke=Kt，T=Kt×I)，最后得到的结果与直流电机参数表相同(见表2)。

表2 直流电机参数

3.1.2 交流电机分析

有了由上述直流电机的主要参数：Rate speed：3000 rpm；bemf：40 V/Krpm Power：0.6 kW stall torque：1.6 Nm。

用下面公式计算交流电机参数[3]：

M=9550×P/N(计算电机的输出转矩)；

M额=7594×P/N(考虑到电机有功率因数，计算额定转矩)；

转差率=60×电源频率/极对数；

经过上面认真仔细的计算我们得出所需三相异步电机的主要参数[4]为：功率：1.0 kW；电压：380 V；电流：1.9 A；转速：2825 r/min。交流、直流电机参数对照表见表3。

表3 交流、直流电机参数对照表

3.1.3 交流电机电路设计

由上述参数，考虑到其控制是由直流电路对其进行控制的，并且电机要正反两个方向运动。所以，用两个交流接触器J3、J4。由于诊断床频繁翻转，选择时主要注意其触点的用料，经过认真仔细的筛选确定用JTX-3C(AC 220 V 7.5 A～DC 12 V 10 A)这种继电器。由上述分析所得交流电机主要参数：功率：1.0 kW(功率留有余地)；电压：220 V；电流：1.9 A；转速：2825 r/min。通过认真查询，确定所用电机为国产Y80M1-2的单相异步电机。为避免电机受工频电源的不稳、传动机构卡死或负荷过重等因素的影响而受到损坏，用了3只2 A的保险管串入电路中。故设计出交流电机电路[5]如图1所示。

图1 交流电机电路

3.2 诊断床电机控制电路设计

由交流电机控制电路、RD2000型数字化X射线影像系统电脑控制柜需反馈电压等条件，诊断床电机控制电路应由以下两部分组成，电源电路和电机控制电路。

3.2.1 电源电路

电源作为能量提供装置，保证后继电路的正常工作，电源电路应提供+12 V和+5 V的直流电压[6]。考虑到控制电路所需功率不大，我们用变压器降压。采用硅钢片磁芯、频率50 Hz、空载电流200 mA、电压12 V、功率2 W的微型变压器即可；采用桥式整流电路进行整流，整流二极管选用1N4007(VRRM：1000 V，VRMS：700 V，IAV：1 A，ISMF：40 A，VF：1 V，IR：50 μA)；用2700 pF的磁片电容保护整流二极管；由电容滤波电路进行滤波，选用4700 μF电解电容；采用三端集成稳压电路进行稳压，选用L7812(VO：11.5～12.5 V，ID：6 mA，RO：19 Ω)，L7805(VO：4.8～5.2 V，ID：6 mA，RO：15 Ω)，电路结构简单性能稳定。AC220 V经变压器B降压，桥式整流电路D1-VD4整流，电容C1滤波，三端稳压电路L7812稳压输出+12 V直流电压；+12 V经C2进行二次滤波，由三端稳压器L7805二次稳压输出+5 V直流电压；R4、D7组成+12 V直流电压正常否指示；R5、D8组成+5 V直流电压正常否指示(如图2所示)。

图2 电源电路图

3.2.2 电机控制部分

由于对电机要实行正反转控制，因此用两组相同电路来实现(如图3所示)[7]。

图3 电机控制电路图

晶体三极管(Q1)2SC2055(VCBO：18 V；VEBO：4 V，VCEO：9 V)，继电器(J1)(VCBO：18 V；VEBO：4 V，VCEO：9 V)，二极管D5并在J1保护J1，电阻(R1)1K作为偏置电阻，串入限位开关，可调电阻R3，操作台控制手柄W1，限位开关组成交流电机的正向运动及到位停止控制。

晶体三极管(Q2)2SC2055(VCBO：18 V；VEBO：4 V，VCEO：9 V)，继电器(J2)(VCBO：18 V；VEBO：4 V，VCEO：9 V)，二极管D6并在J2保护J2，电阻(R2)1K作为偏置电阻，串入限位开关，可调电阻R3，操作台控制手柄W1，限位开关组成交流电机的反向运动及到位停止控制。直接取+12 V电压加在诊断床变速箱轴上的多圈电位器反馈给电脑控制箱的CPU上。保证RD2000型数字化X射线影像系统在诊断床的控制上不报错。控制台操作指令向上时，+5 V电压经R3、W1、正限开关，和R2给晶体三极管Q2的基极提供偏置电压，Q2饱和导通继电器J2砺磁吸合，常开触点J2-1闭合，将+12 V提供给继电器J4，J4砺磁吸合交流电机得电运转，床开始向上运动。当床到位后正限位开关断开，Q2失去偏压截止，继电器J2失去控制电压，常开触点J2-1断开，继电器J4失去+12 V的控制电压断开，电机失去220 V交流电停止运行，诊断床到位停止，诊断床向上运行到位。

控制台操作指令向下时，+5 V电压经R3、W1、正限开关和R1给晶体三极管Q1的基极提供偏置电压，Q1饱和导通继电器J1砺磁吸合，常开触点J1-1闭合，将+12 V电压提供给继电器J3，J3砺磁吸合交流电机得电运转，床开始向下运动。当床到位后反限位开关断开，Q1失去偏压截止，继电器J1失去控制电压，常开触点J1-1断开，继电器J3失去+12 V的控制电压断开，电机失去220 V交流电停止运行，诊断床到位停止，诊断床向下运行到位。

3.3 数字胃肠机操作控制台

RD2000型数字化X射线影像系统的操作控制台是一个设计操作先进、合理的操作台。从相应的操作手柄下断开原连接线，重新引出3根控制连线，连接在控制电路上改造即可。

4 印制电路板

4.1 电路原理图转换成电路版图[9]

利用前面原理图着手将其绘制出电路实物版图，用电子原理图绘图软件将电子电路原理图转换为电子电路实物板图，但是转换出的实物图需要做一些小的改动才可以。经反复修改得到所需的电子电路实物板图。

4.2 印制电路板

(1)手工绘制黑白稿：将制好的版图打印出制成画稿，用小刀在草稿上刻掉不要的部分绘制成草图；直接将刻好的版图粘贴在设计打磨干净的铜铂面进行描墨线、填墨和修补。

(2)表面清洗：将敷铜浸入5%盐酸洗数十秒，见板面呈粉红色取出用铜丝刷抛光去污，再上保护层。

(3)蚀刻：用重量百分比浓度为2%～28%，温度在40～50 ℃ FeCl3溶液进行浸泡蚀刻。

(4)去保护层：将蚀刻好的铜铂板子打好孔，用5%～20%的烧碱液去保护层。

5 技术改造的实施

5.1 技术改造所需的元件与元器件的选择

根据电路设计的要求和确定的元器件参数选择所需元器件[8](见表4)。

表4 所需元器件参数

5.2 电路组装与电路调试

在电路组装过程中，遇到的最大问题是我们的仪器仪表不够精确，选出来的元器件不够准确，因此调试时主要对以下测量点进行检测[10]：

(1)确定变压器B的输入端的220 V交流电压，次级输出的12 V交流电压。

(2)测量L7812的输入端的+16～17 V的直流电压和输出端+11.5～12.5 V直流电压。

(3)测量L7805输出端+4.8～5.2 V直流电压[11]。

(4)控制台操作指令向下时[12]，测量Q1是不饱和导通，J1和J3是否得电吸合，并观察交流电机是否顺时针运行。控制台操作指令向上时，测量Q2是不饱和导通，J2和J4是否得电吸合，并观察交流电机是否逆时针运行。

(5)调试的关键是控制电路，原机中诊断床位置控制电路由电脑控制柜集中控制，它的输出是直流40～75 V，而且它的控制检测电路要求同时由电机反馈给CPU3.6～7.5 V的直流电压，以确认电机已正常启动。同时，在该诊断床变速箱轴上加有一10 k的多圈电位器连接到CPU[13]，以确认诊断床的运行速度及运行方向。如果没有电机反馈的3.6～7.5 V的直流电压及诊断床变速箱轴上10 k多圈电位器与CPU的正常连接，则CPU将认为电机运行反常而保护关机。

前期技术改造遇到的最突出问题就是CPU报错停机，经反复调试诊断床变速箱轴上10 k多圈电位器与变速箱轴分离，通过技术处理，实现了既正常操控诊断床又避免CPU报错停机。

[1]张友汉.电子线路设计应用手册[M].福州:福建科学技术出版社,2000:1335-1450.

[2]张琛.直流无刷电动机原理及应用[M].2版.北京:机械工业出版社,2004:7-111.

[3]沙蕴缪.交流电机动态分析[M].北京:机械工业出版社,2005:111-119.

[4](英)M.G.SAY.交流电机[M].钱庆镳译.北京:中国计量出版社,2000.

[5]高平.电子线路设计基础[M].北京:化学工业出版社,2005.

[6]赵学泉,张国华.电源电路[M].北京:电子工业出版社,1995.

[7]陈晓文.电子线路课程设计[M].北京:电子工业出版社,2004.

[8]汪明添.电子元器件[M].北京:航空航天大学出版社,2008.

[9]彭中星.电子技能[M].合肥:合肥工业大学出版社,2007.

[10]章世松.医用电器设备运行维护与安全标准实用手册[M].北京:中科多媒体电子出版社,2003.

[11]陆应华.电子系统设计教程[M].北京:国防工业出版社,2005.

[12]王文辉.电路与电子学[M].北京:电子工业出版社,2005.

[13]李学海.PIC单片机实用教程[M].北京:航空航天大学出版社,2007.