運轉不平穩(wěn)并且維護困難的機器會使檢查或者手術的安排混亂無章，醫(yī)院也會入不敷出；精度不夠的機器產生的醫(yī)療影像十分模糊，會使病人在診斷治療的過程中增加痛苦。而這一切的關鍵，都在控制機器運動的系統(tǒng)上。

很長一段時間以來，交流感應電機主導著影像設備掃描架定位市場，包括計算機斷層掃描設備（CT）、電子發(fā)射斷層掃描-計算機斷層掃描設備（PET-CT）和X光機等。然而，隨著醫(yī)療設備制造商對于設備生產能力和影像質量的要求不斷提高，感應電機固有的局限性成為一大阻礙。醫(yī)療影像設備的原始設備制造商（OEM）開始尋求用于定位掃描架的傳統(tǒng)的交流感應電機的替代方案。

新一代伺服控制器突破限制

由于醫(yī)療掃描架產生的慣性載荷較高，因此以前的伺服電機很難在此種應用下工作。最近，科爾摩根公司采用數字雙二次濾波器的新一代驅動技術使伺服電機能夠按照高達1000:1的慣性荷載成功地應用到掃描架，同時解決了相關的共振難題。因此，運動更加精確，加速和減速更迅速，產生更高的生產能力和更清晰的影像。

伺服系統(tǒng)可以提供掃描更快速和產生影像質量更高的設備

低慣性結構是許多永磁式伺服電機的固有設計。因此，在實際應用中需要考慮掃描架的高慣性載荷與伺服電機的低載荷之間的較大不匹配比。伺服電機控制系統(tǒng)可以經過整定以應對慣性不匹配的情況，但是一旦整定后，由于慣性載荷增加或減少，伺服電機響應性能下降。對于大多數醫(yī)療應用，載荷很少變化；但是這些裝置中通常使用的皮帶傳動導致電機和載荷之間產生相容性或空轉問題，進而改變反射慣性。

在許多需要快速和精確定位的應用領域，感應電機已經被永磁式伺服電機取代，后者可以提供極高的峰值轉矩和連續(xù)轉矩，從而產生較高的加速率和減速率，顯著提高精密定位系統(tǒng)的性能。這類電機的主要優(yōu)勢是轉矩與輸入電流成正比，同時速度與輸入電壓相關。

提供補償影像應用中的高慣性載荷

為了使伺服系統(tǒng)有效地運轉，需要整定伺服放大器以優(yōu)化系統(tǒng)的響應性能。提高系統(tǒng)的響應性能通常需要提高增益。但是，增益過大將導致不穩(wěn)定，有時會無法控制振動。因此，系統(tǒng)整定的目標是獲得最大響應性同時盡量減少不穩(wěn)定性。就電機接受速度整定指令而言，不穩(wěn)定性會導致動作過頭。

例如，提高控制系統(tǒng)的慣性值可能導致電機過度執(zhí)行指令。一方面，著慣性的增加，不穩(wěn)定性的頻率降低并且需要更長的校正時間。另一方面，著慣性相對于給定整定值的增加，電機變得不穩(wěn)定，不穩(wěn)定性頻率相對較高。為了消除這些振動，系統(tǒng)必須解調。當整定值減少時，振動將停止但也會降低系統(tǒng)的性能。

當增益為-3dB或更小，輸出相位與控制信號相差-45度或更小，或與電機參考值相差-135度時，控制系統(tǒng)失去控制。眾所周知，開環(huán)傳遞函數使用兩種方式預測穩(wěn)定性問題：相位裕度（PM）和增益裕度（GM）。相位裕度是增益為0時的頻率所對應的開環(huán)相位和-180度之間的差值。增益裕度是相位穿過-180度時其頻率所對應的開環(huán)增益的負值。載荷的不可預測性越大，相位裕度和增益裕度就越大，以確?？刂葡到y(tǒng)的穩(wěn)定性。

例如，當共振頻率遠低于初相交叉點頻率（270 Hz）時，相容載荷的作用是減少增益裕度。如果慣性不匹配值為5，增益裕度減少值為6，即大約16 dB。假設沒有其他校正方法，與剛性系統(tǒng)相比，相容耦合系統(tǒng)的增益不得不減少16 dB，前提是兩個系統(tǒng)都保持相同的增益裕度。增益的大幅減少將使系統(tǒng)接收指令和干擾響應能力變差。

處理大型載荷的系統(tǒng)傳遞函數圖

使用雙二次濾波器時傳遞函數的形狀

共振峰值降低了40 dB，相當于100增益。這樣，增益可以按比例提高，產生高頻率響應和更穩(wěn)定的系統(tǒng)。

濾波器能使伺服控制器管理相容性

雙二次濾波器的使用使系統(tǒng)的性能顯著提高。雙二次濾波器包括兩個帶有五個系數的二次方程，這樣濾波器幾乎可以模擬任何簡單濾波器的組合，同時不會造成明顯的延遲。通過整定產生問題的頻率，雙二次濾波器實現了提高相位裕度和增益裕度優(yōu)化伺服系統(tǒng)性能的目標。例如，機械系統(tǒng)的共振頻率為200 Hz，可以配置雙二次濾波器消除200 Hz，同時在更低控制頻率點保持高增益。

需要注意的是，大型帶式驅動的掃描架具有較強的物理轉折頻率（roll-off），使它們與低通濾波器一樣截斷所有高于大約10 Hz的頻率。借助在10 Hz點截斷增益同時通過30 Hz和40 Hz之間的速度環(huán)，可以顯著提高關鍵控制頻率點（大約2至4 Hz）的增益。

配備雙二次濾波器的伺服系統(tǒng)可以提供更精確的傳動以及更快的加速和減速，生產能力得到提高，影像更加清晰。

速度反饋裝置配合雙二次濾波器可以大幅提高面臨低頻率共振問題的系統(tǒng)的性能。與傳統(tǒng)的單極低通濾波器相比，雙二次濾波器和增益組合可以使校正時間減少為原來的三分之一，帶寬提高三分之一。同時，反饋裝置通過顯著減少加速度和躍度力，維持穩(wěn)定裕度。

因此，新一代伺服控制器可以通過配置提供補償影像應用中的高慣性載荷和相容性所需的增益裕度和相位裕度。醫(yī)療影像設備制造商可以利用伺服電機提供的更高加速度和速率，以便使系統(tǒng)顯著提高客戶的生產能力。此外，通過提高伺服系統(tǒng)的制造效率，伺服技術的成本已經降低到與交流感應電機相同的水平，如此一來，醫(yī)療影像設備制造商的成本又得到控制。