直流伺服系统应用

摘要：本文针对直流伺服系统在医疗设备应用方面的可行性进

行了实验，参考固定角双探头SPECT（以下简称BHP6603）运动控制模式，将原交流伺服替换为直流伺服，对比单光子发射计算机断层装置（以下简称SPECT）控制方式，进行相关运动控制实验。

关键词：直流电机 直流驱动器 运动控制

1 概述

直流伺服，顾名思义，使用直流电源工作，在具体的使用中，它有着交流伺服无可比拟的优势，其最大的优点不会像交流伺服那样产生逆变磁场对外围发出干扰，这一点对于医疗设备来说，有着重要的意义。从成本上考虑，直流伺服系统与交流伺服系统并无明显优势，但对于控制方式，直流伺服比交流伺服更加多样化，针对于SPECT而言，完全可以取代PLC系统，使用其他控制方式，例如BHP6603的工控机系统，这样在成本比较上，直流伺服仍比交流伺服有优势。从以上分析可以看出，直流伺服取代交流伺服将成为一种趋势。直流伺服使用的电机为直流电机，电机从工作方式上分为有刷和无刷两种，无刷电机的定子上需要开槽，所以也存在着一定的局限性。当转子转动时，磁极受定子齿的引力大于受定子齿间隙之间的引力，这种不均匀的磁力，又叫齿槽效应，不但会降低电机效率而且也会使低速下的平滑运转变得困难。就目前采用的技术而言，对于典型的操作压力和真空负荷，无刷电机的效率值一般在50%-60%之间[1]，有刷电机则无这方面的缺点，有刷直流电机成本较低，扭力大，但换相器为碳刷，有使用寿命限制，这也是有刷电机的重要缺点，但综合有刷与无刷的优缺点，直流有刷电机是目前医疗设备较好的选择。

目前BHP6601及BHP6603均采用交流伺服驱动来进行工作，本文主要探讨应用直流伺服驱动的可行性。下面将进行有刷直流伺服系统的运动控制实验，用以验证直流伺服系统的相关控制设置。

2 设计方案及结果验证

2.1 设计方案 BHP6603运动控制，使用运动控制卡及三菱交流伺服，现使用直流伺服替换交流伺服，用于验证直流伺服系统的功能，并与交流伺服功能对比，以达到验证直流伺服应用可行性的目的。

2.2 设计方案验证内容

2.2.1 直流伺服选型。验证直流伺服应用于BHP6603的可行性，首先需要满足的条件是基本功能同于或多于交流伺服，BHP6603选用三菱MR-J3-20A（以下简称J3）型交流伺服，目前使用的功能是在位置控制模式下，通过接收运动控制卡发送的脉冲+方向信号，控制电机运动的位置及速度，在实验中，也将针对这些功能进行验证。

根据表J3参数手册[2]，选定直流伺服Dpralte-020B-

080[3]，表1中为主要功能对比。

Dpralte-020B080在供电上只需要直流24VDC电压，而交流伺服则需要220VAC和24VDC两种电源，24VDC作为安全工作电压，这一点上明显要优于交流伺服，在控制方式与接受反馈信号等功能上要优于交流伺服，从这两点上分析，Dpralte-020B080这款驱动是满足使用要求的，在保护功能上，交流伺服能够更好的输出保护信号（报警信号），直流伺服则可以选择4种主要的保护功能，从这一点上，直流伺服略逊于交流伺服，综合考虑，针对于BHP6603，J3与Dpralte-020B080都能够满足使用要求，故选定Dpralte-020B080作为本次试验使用的直流伺服。

对于电机的选择，J3有着一定的局限性，它只能与三菱HF-MP/HF-KP系列电机进行匹配，BHP6603中使用的电机型号为HF-KP23（B）[2]，参看其参数手册，选定电机型号GR80×80[4]，用于匹配Dpralte-020B080，表2中为主要参数对比。

表2 HF-KP23（B）与GR80×80参数对比

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两种电机的转矩、额定转速、功率等基本一致，从电机的连续运行角度看，两种电机是可以互换的，但最大转矩却相差很多，从表2上可以看出，两种电机最大转矩差值4.18N·m，直流电机在启动瞬间有更大的转矩带动负载，而交流电机在超出最大转矩范围后，则会报错过载，这一点是直流电机要优于交流电机，针对于BHP6603，可以选定GR80×80作为本次实验的直流电机。

2.2.2 方案验证过程记录。在直流驱动器中有3个非常重要的参数曲线，电机与驱动器的匹配，需要通过调节这些参数来实现，它们分别是电流环、速度环、位置环。在位置控制模式下，可以使用位置环与电流环两组曲线进行设定，也可以使用电流环等3组曲线来设定。

A-M-C直流驱动器可以通过上位机软件DriveWare[5]进行设定。根据表GR80×80电机参数，设置驱动器电机相关参数，调节环路曲线的设定。环设置是交流伺服与直流伺服设置区别较大的地方，通常情况下，交流伺服匹配的电机是固定的，通过设置驱动器内置参数表，设定数据，电机与驱动器不存在不匹配的情况，而直流伺服的电机可以是有刷电机，也可以是无刷电机，功率只要在驱动器额定功率内的电机都可以选择，这样就增加了电机选择的空间，从而通过上述环设置，来匹配电机，这种方式为最大限度的节约成本提供了可能性。

验证试验将使用Dpralte-020B080与GR80×80进行匹配，模拟BHP6603交流伺服系统功能，通过PC机安装运动控制卡与光耦合板（BHP6603使用）模拟电机在BHP6603上的工作状态。本方案主要验证包括以下几个方面：①脉冲+方向信号控制电机实现速度与位置运转；②电机正反转及限位输入有效性；③伺服开启及紧急停止；④报警信号有效性。

试验结果如下：①使用运动控制卡示范软件，操纵电机运转，包括正向与反向运动，通过试验得出，在上位机发送固定数量脉冲数的条件下，电机能够完成相应运动，运动方向由脉冲方向决定，电机编码器反馈脉冲数与逻辑脉冲（发出脉冲）数基本一致；②使用示范软件控制电机连续运动，在电机运动过程中，将限位线号输入线分别置高电平，通过试验得出，在限位信号有效的情况下，电机能够即时停止运动。③在电机连续运动状态下，分别将伺服开启及急停信号置高电平，得出，在急停或伺服开启信号有效的情况下，伺服会根据信号输入状态做出动作。④在电机连续运行的条件下，将急停置高电平，电机停止运动，得出，在报警有效输出的条件下，驱动器能够即时停止电机运动。

2.3 验证结果 综合以上实验结果，从功能上讲，直流伺服系统在BHP6603运动控制系统中，可以实现交流伺服所有功能，从性价比上讲，直流伺服可以更好的控制成本，直流伺服可以替代交流伺服使用。

3 结论

直流伺服较交流伺服优势是明显的，尤其低干扰的特性，在医疗设备领域，直流伺服可能会逐步取代交流伺服，在本次实验中，也充分的证明了直流伺服在功能满足使用要求，本次实验所做的仅仅是直流伺服控制的一小部分，还有更多的功能等待着人们去开发使用，笔者相信，直流伺服系统在不久的将来，应该会成为医疗设备运动控制应用的主流。

参考文献：

[1]《微型泵驱动便携医疗器械》，中国杂志.

[2]《MELSERVO J3》，三菱电机，8/29/2006.

[3]《AMC直流伺服驱动器dpralte-020b080》，A-M-C，3/26/

2010.

[4]《GR80×80》，德恩科，10/29/2010.

[5]《AMC_DriveWareSoftwareManual》，A-M-C.

作者简介：刘金东（1984-），男，满族，助理电气工程师，本科，主要研究方向：电气自动化。