OPELA 90/20型診斷床控制和驅動系統改造研發

胥勝江 魯本艷 鄧厚友

1 OPELA 90/20電動診斷床的缺陷

意大利GMM公司生產的OPELA 90/20型的電動診斷床采用光纜通信，極大地減少了控制臺與機柜的連接電纜，布線、安裝、保養都十分方便。但是，由于過于追求造型美觀和較低的床面高度，設計上只得盡量將中心支承點向床面一端靠近，床面抬起時則需要非常大的驅動功率，導致高故障率和高維修成本。

2 電動診斷床控制和驅動系統技術改造主要目標和思路

2.1 技術改造必要性

機器正常使用不滿2年，驅動電機有可能報廢。由于電機結構特殊，國內尚無替代產品，若只是簡單的原型號更換，將面臨以下問題：①價格昂貴；②供貨周期長，③使用壽命短。為了從根本上解決問題，對其進行相應的技術改造。由于交流電機成本較低，國產貨質量亦很穩定，且可在本地購到，擬設計修改控制電路后用國產交流電機替換進口直流電機。鑒于OPELA 90/20型診斷床的電動診斷床控制高故障率和高維修成本(見表1)，因此對其進行控制線路、動力和傳動機構的技術性改造。

表1 改造前后故障率和成本對照

2.2 技術改造主要目標

對美國長青RD2000型數字化X線影像系統診斷床控制部分進行技術改造的目標是：解析OPELA 90/20診斷床原控制電路原理，重新設計交流電機控制電路，完成電機替換。電機替換后必須保持以下運行控制：電機正向運動、立床到位自動停止，電機反向運動、倒床到位自動停止。技術改造選用的交流電機須運行平穩、經久耐用。技術改造后診斷床的操作控制應與改造前無任何改變；新設計的控制電路與整套設備電腦控制系統實現良性對接，確保整個系統運行正常，避免出現意外的故障提示和保護停機。用功率大、故障率低、成本廉價的交流電機替換原用功率小、故障率高、維修成本高的直流電機是技術改造的最終目標。

2.3 技術改造主要思路

對同型號數字化X線影像系統及配有OPELA 90/20診斷床的機器進行了對比分析，廣泛征求了操作醫生和維修工程師的意見，結合機器的實際情況，經過科學計算和反復試驗、修正，對OPELA 90/20診斷床電機供電電路、控制電路、方向操縱電路實施針對性修改，選擇功率、品質、體積均符合要求的交流電機，最終確定交流電機的最佳安裝位置，并繪制相應的框圖作為原理圖設計的方向[1]。

3 電路原理圖的設計

3.1 診斷床電機電路設計

3.1.1 原直流電機分析

原直流電機型號為ESA 3M 52，將該電機接上直流電源、轉速表，測量電壓、電流和空載轉速，再用電橋測量冷態的電阻。通過下面的公式進行計算[2](U=E+IR，E=Ke×n，Ke=Kt，T=Kt×I)，最后得到的結果與直流電機參數表相同(見表2)。

表2 直流電機參數

3.1.2 交流電機分析

有了由上述直流電機的主要參數：Rate speed：3000 rpm；bemf：40 V/Krpm Power：0.6 kW stall torque：1.6 Nm。

用下面公式計算交流電機參數[3]：

M=9550×P/N(計算電機的輸出轉矩)；

M額=7594×P/N(考慮到電機有功率因數，計算額定轉矩)；

轉差率=60×電源頻率/極對數；

經過上面認真仔細的計算我們得出所需三相異步電機的主要參數[4]為：功率：1.0 kW；電壓：380 V；電流：1.9 A；轉速：2825 r/min。交流、直流電機參數對照表見表3。

表3 交流、直流電機參數對照表

3.1.3 交流電機電路設計

由上述參數，考慮到其控制是由直流電路對其進行控制的，并且電機要正反兩個方向運動。所以，用兩個交流接觸器J3、J4。由于診斷床頻繁翻轉，選擇時主要注意其觸點的用料，經過認真仔細的篩選確定用JTX-3C(AC 220 V 7.5 A～DC 12 V 10 A)這種繼電器。由上述分析所得交流電機主要參數：功率：1.0 kW(功率留有余地)；電壓：220 V；電流：1.9 A；轉速：2825 r/min。通過認真查詢，確定所用電機為國產Y80M1-2的單相異步電機。為避免電機受工頻電源的不穩、傳動機構卡死或負荷過重等因素的影響而受到損壞，用了3只2 A的保險管串入電路中。故設計出交流電機電路[5]如圖1所示。

圖1 交流電機電路

3.2 診斷床電機控制電路設計

由交流電機控制電路、RD2000型數字化X射線影像系統電腦控制柜需反饋電壓等條件，診斷床電機控制電路應由以下兩部分組成，電源電路和電機控制電路。

3.2.1 電源電路

電源作為能量提供裝置，保證后繼電路的正常工作，電源電路應提供+12 V和+5 V的直流電壓[6]。考慮到控制電路所需功率不大，我們用變壓器降壓。采用硅鋼片磁芯、頻率50 Hz、空載電流200 mA、電壓12 V、功率2 W的微型變壓器即可；采用橋式整流電路進行整流，整流二極管選用1N4007(VRRM：1000 V，VRMS：700 V，IAV：1 A，ISMF：40 A，VF：1 V，IR：50 μA)；用2700 pF的磁片電容保護整流二極管；由電容濾波電路進行濾波，選用4700 μF電解電容；采用三端集成穩壓電路進行穩壓，選用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)，電路結構簡單性能穩定。AC220 V經變壓器B降壓，橋式整流電路D1-VD4整流，電容C1濾波，三端穩壓電路L7812穩壓輸出+12 V直流電壓；+12 V經C2進行二次濾波，由三端穩壓器L7805二次穩壓輸出+5 V直流電壓；R4、D7組成+12 V直流電壓正常否指示；R5、D8組成+5 V直流電壓正常否指示(如圖2所示)。

圖2 電源電路圖

3.2.2 電機控制部分

由于對電機要實行正反轉控制，因此用兩組相同電路來實現(如圖3所示)[7]。

圖3 電機控制電路圖

晶體三極管(Q1)2SC2055(VCBO：18 V；VEBO：4 V，VCEO：9 V)，繼電器(J1)(VCBO：18 V；VEBO：4 V，VCEO：9 V)，二極管D5并在J1保護J1，電阻(R1)1K作為偏置電阻，串入限位開關，可調電阻R3，操作臺控制手柄W1，限位開關組成交流電機的正向運動及到位停止控制。

晶體三極管(Q2)2SC2055(VCBO：18 V；VEBO：4 V，VCEO：9 V)，繼電器(J2)(VCBO：18 V；VEBO：4 V，VCEO：9 V)，二極管D6并在J2保護J2，電阻(R2)1K作為偏置電阻，串入限位開關，可調電阻R3，操作臺控制手柄W1，限位開關組成交流電機的反向運動及到位停止控制。直接取+12 V電壓加在診斷床變速箱軸上的多圈電位器反饋給電腦控制箱的CPU上。保證RD2000型數字化X射線影像系統在診斷床的控制上不報錯?？刂婆_操作指令向上時，+5 V電壓經R3、W1、正限開關，和R2給晶體三極管Q2的基極提供偏置電壓，Q2飽和導通繼電器J2礪磁吸合，常開觸點J2-1閉合，將+12 V提供給繼電器J4，J4礪磁吸合交流電機得電運轉，床開始向上運動。當床到位后正限位開關斷開，Q2失去偏壓截止，繼電器J2失去控制電壓，常開觸點J2-1斷開，繼電器J4失去+12 V的控制電壓斷開，電機失去220 V交流電停止運行，診斷床到位停止，診斷床向上運行到位。

控制臺操作指令向下時，+5 V電壓經R3、W1、正限開關和R1給晶體三極管Q1的基極提供偏置電壓，Q1飽和導通繼電器J1礪磁吸合，常開觸點J1-1閉合，將+12 V電壓提供給繼電器J3，J3礪磁吸合交流電機得電運轉，床開始向下運動。當床到位后反限位開關斷開，Q1失去偏壓截止，繼電器J1失去控制電壓，常開觸點J1-1斷開，繼電器J3失去+12 V的控制電壓斷開，電機失去220 V交流電停止運行，診斷床到位停止，診斷床向下運行到位。

3.3 數字胃腸機操作控制臺

RD2000型數字化X射線影像系統的操作控制臺是一個設計操作先進、合理的操作臺。從相應的操作手柄下斷開原連接線，重新引出3根控制連線，連接在控制電路上改造即可。

4 印制電路板

4.1 電路原理圖轉換成電路版圖[9]

利用前面原理圖著手將其繪制出電路實物版圖，用電子原理圖繪圖軟件將電子電路原理圖轉換為電子電路實物板圖，但是轉換出的實物圖需要做一些小的改動才可以。經反復修改得到所需的電子電路實物板圖。

4.2 印制電路板

(1)手工繪制黑白稿：將制好的版圖打印出制成畫稿，用小刀在草稿上刻掉不要的部分繪制成草圖；直接將刻好的版圖粘貼在設計打磨干凈的銅鉑面進行描墨線、填墨和修補。

(2)表面清洗：將敷銅浸入5%鹽酸洗數十秒，見板面呈粉紅色取出用銅絲刷拋光去污，再上保護層。

(3)蝕刻：用重量百分比濃度為2%～28%，溫度在40～50 ℃ FeCl3溶液進行浸泡蝕刻。

(4)去保護層：將蝕刻好的銅鉑板子打好孔，用5%～20%的燒堿液去保護層。

5 技術改造的實施

5.1 技術改造所需的元件與元器件的選擇

根據電路設計的要求和確定的元器件參數選擇所需元器件[8](見表4)。

表4 所需元器件參數

5.2 電路組裝與電路調試

在電路組裝過程中，遇到的最大問題是我們的儀器儀表不夠精確，選出來的元器件不夠準確，因此調試時主要對以下測量點進行檢測[10]：

(1)確定變壓器B的輸入端的220 V交流電壓，次級輸出的12 V交流電壓。

(2)測量L7812的輸入端的+16～17 V的直流電壓和輸出端+11.5～12.5 V直流電壓。

(3)測量L7805輸出端+4.8～5.2 V直流電壓[11]。

(4)控制臺操作指令向下時[12]，測量Q1是不飽和導通，J1和J3是否得電吸合，并觀察交流電機是否順時針運行。控制臺操作指令向上時，測量Q2是不飽和導通，J2和J4是否得電吸合，并觀察交流電機是否逆時針運行。

(5)調試的關鍵是控制電路，原機中診斷床位置控制電路由電腦控制柜集中控制，它的輸出是直流40～75 V，而且它的控制檢測電路要求同時由電機反饋給CPU3.6～7.5 V的直流電壓，以確認電機已正常啟動。同時，在該診斷床變速箱軸上加有一10 k的多圈電位器連接到CPU[13]，以確認診斷床的運行速度及運行方向。如果沒有電機反饋的3.6～7.5 V的直流電壓及診斷床變速箱軸上10 k多圈電位器與CPU的正常連接，則CPU將認為電機運行反常而保護關機。

前期技術改造遇到的最突出問題就是CPU報錯停機，經反復調試診斷床變速箱軸上10 k多圈電位器與變速箱軸分離，通過技術處理，實現了既正常操控診斷床又避免CPU報錯停機。

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