本文介紹了羅升Elmo伺服系統(tǒng)IGRT呼吸仿真系統(tǒng)中應(yīng)用。該系統(tǒng)相比較之前傳統(tǒng)PLC位置控制構(gòu)架更加簡(jiǎn)單和可靠，伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部程序編寫完成了精準(zhǔn)正弦曲線運(yùn)動(dòng)和位置跟隨運(yùn)動(dòng)。

關(guān)鍵詞

•羅升Elmo伺服系統(tǒng)
•RS-232通訊控制
•位置跟隨

Image guided radiation therapy 影像引導(dǎo)放射治療（IGRT）是近年來(lái)放射腫瘤學(xué)領(lǐng)域最先進(jìn)治療技術(shù)。新型IGRT系統(tǒng)，將影像獲取、治療計(jì)劃設(shè)計(jì)、CT模擬定位及加速器治療完美整合到一套放療系統(tǒng)之中，以精確實(shí)施放射治療。目前IGRT設(shè)備主要有傳統(tǒng)直線減速器結(jié)合影像系統(tǒng)、斷層放射治療機(jī)和影像引導(dǎo)立體定向治療機(jī)。IGRT呼吸仿真系統(tǒng)主要功能為模擬人體呼吸系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而達(dá)到診斷目，以完成精確實(shí)施放射治療。本文主要介紹使用ELMO伺服系統(tǒng)完成呼吸仿真運(yùn)動(dòng)過(guò)程，借助ELMO伺服強(qiáng)大編程功能和與人機(jī)界面通訊功能完成精確位置控制。

系統(tǒng)要求：

該系統(tǒng)主要模仿人體呼吸系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)，主要分為兩個(gè)運(yùn)動(dòng)單元，兩個(gè)運(yùn)動(dòng)軸X、X‘分別做相對(duì)正弦曲線運(yùn)動(dòng)，X‘軸位于X軸上，保證X‘軸相絕對(duì)位置沒(méi)有位移，故需要X、X‘兩軸運(yùn)動(dòng)保持嚴(yán)格同步。同時(shí)每個(gè)軸都需要回原點(diǎn)功能以及單獨(dú)運(yùn)動(dòng)功能。正弦運(yùn)動(dòng)參數(shù)（包括運(yùn)動(dòng)周期、幅度等參數(shù)）需要可以人機(jī)界面上完成設(shè)置、顯示和修改。

系統(tǒng)構(gòu)成和系統(tǒng)框架圖：

該系統(tǒng)構(gòu)成主要分為機(jī)械部分和電氣部分。機(jī)械部分整體高度限制以及放射過(guò)程中，被放射面不能有金屬存，故傳動(dòng)上采用了同步齒形帶結(jié)構(gòu)，伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)；電氣部分采用了臺(tái)灣HITECH人機(jī)界面作為顯示和控制終端，人機(jī)界面同時(shí)和兩臺(tái)ELMO伺服驅(qū)動(dòng)控制器通訊，ELMO伺服里面編寫好程序，利用人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)回原點(diǎn)、頻率幅值設(shè)定、兩軸同動(dòng)等控制功能。具體電氣系統(tǒng)框架圖如圖1：

圖1

人機(jī)界面顯示界面比較簡(jiǎn)單，包含了參數(shù)設(shè)置、回原點(diǎn)、兩軸同動(dòng)、單軸單獨(dú)運(yùn)動(dòng)等幾個(gè)界面，可以客戶需要完成相關(guān)功能增減。

該套系統(tǒng)核心技術(shù)采用了智能型具有控制功能伺服驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器編程實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)應(yīng)用中大型PLC才能實(shí)現(xiàn)位置控制功能。針對(duì)ELMO智能型伺服驅(qū)動(dòng)器會(huì)下面做詳細(xì)介紹。

羅升ELMO伺服該應(yīng)用中特點(diǎn)：

1.全面可編程功能

羅升公司ELMO伺服為以色列ELMO公司研發(fā)最新一代數(shù)字智能型伺服驅(qū)動(dòng)器，其驅(qū)動(dòng)器自帶了2K編程空間，加強(qiáng)型驅(qū)動(dòng)器更是配備了32K編程空間，完全可以滿足復(fù)雜運(yùn)動(dòng)控制。

其編程界面友好易用，有高級(jí)語(yǔ)言編程經(jīng)驗(yàn)客戶可以很短時(shí)間內(nèi)熟悉該產(chǎn)品編程工作。具體編程界面如圖2：

圖2

其編程采用語(yǔ)言是類似于C語(yǔ)言編程環(huán)境，可以使用while、if、until、define、for、end等語(yǔ)句；同時(shí)融入了ELMO伺服自身內(nèi)部運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)70余個(gè)，例如：MO、PX、VX、AC、BG、ST、UM、RM等；另外，可以對(duì)外部I/O以及模擬量進(jìn)行編程操作，完成I/O事件觸發(fā)以及模擬量輸入速度控制等。具體編程片斷如圖3：

圖3

2.正弦曲線功能

該應(yīng)用中，一個(gè)最主要功能是需要伺服模擬人體呼吸運(yùn)動(dòng)，做正弦曲線運(yùn)動(dòng)。傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)該功能方法是需要帶有位置控制功能模塊PLC復(fù)雜浮點(diǎn)運(yùn)算后，給出相應(yīng)脈沖頻率來(lái)完成位置控制。而ELMO伺服驅(qū)動(dòng)器中，自帶了SIN函數(shù)，同時(shí)還帶有PTP（點(diǎn)到點(diǎn)）和PVT（位置、速度、時(shí)間）等曲線運(yùn)動(dòng)控制功能，可以很容易完成正弦曲線設(shè)定。

針對(duì)此應(yīng)用，ELMO伺服給出具體實(shí)現(xiàn)方法是：首先人機(jī)界面輸入頻率計(jì)算出運(yùn)動(dòng)周期，然后周期運(yùn)算把一個(gè)周期時(shí)間細(xì)分為64段，再輸入幅度值，一個(gè)周期內(nèi)細(xì)分出64個(gè)位置點(diǎn)，SIN函數(shù)運(yùn)算，就出一個(gè)周期內(nèi)相應(yīng)64個(gè)點(diǎn)位上每個(gè)點(diǎn)位置、速度、時(shí)間這三個(gè)參數(shù)，將這些參數(shù)確定后，再確定運(yùn)動(dòng)起始點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)模式（一次運(yùn)行周期運(yùn)行等）。待以上工作都完成后，驅(qū)動(dòng)器會(huì)接到下一個(gè)開始運(yùn)動(dòng)指令后，輸入64個(gè)點(diǎn)，進(jìn)行PVT曲線運(yùn)動(dòng)，將64個(gè)點(diǎn)連成平滑曲線后就可以順利實(shí)現(xiàn)SIN曲線運(yùn)動(dòng)。

以下是ELMO驅(qū)動(dòng)器配套軟件中示波器功能到伺服電機(jī)做正弦運(yùn)動(dòng)時(shí)相關(guān)曲線圖：

圖4 位置曲線

圖5 速度曲線

圖6 電流曲線

圖7 位置誤差曲線

3.回原點(diǎn)功能

每次上電后，電機(jī)位置不定，故需要上電回原點(diǎn)功能。ELMO驅(qū)動(dòng)器自帶HM指令可以輕松完成復(fù)雜回原點(diǎn)過(guò)程。

接收到人機(jī)界面給回原點(diǎn)指令后，伺服驅(qū)動(dòng)器首先事先指定好內(nèi)部速度向負(fù)方向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)檢測(cè)原點(diǎn)信號(hào)，當(dāng)檢測(cè)到原點(diǎn)信號(hào)后立刻停止，并將當(dāng)前位置設(shè)置為0。值一提是，這個(gè)過(guò)程中，多個(gè)參數(shù)都可以設(shè)定：首先，HM[3>參數(shù)，可以設(shè)定觸發(fā)條件，其中可以設(shè)定為編碼器Z項(xiàng)信號(hào)觸發(fā)、外部I/O輸入1-6管角對(duì)應(yīng)原點(diǎn)開關(guān)信號(hào)觸發(fā)等；其次，可以HM[4>指令設(shè)定當(dāng)?shù)竭_(dá)原點(diǎn)時(shí)數(shù)字輸出給出一個(gè)輸出信號(hào)到其他裝置；另外，還可以HM[5>參數(shù)，設(shè)定到達(dá)原點(diǎn)時(shí)位置設(shè)定值，可以選擇設(shè)定到達(dá)位置為0，也可以選擇設(shè)定到達(dá)時(shí)位置為預(yù)先HM[2>指令中設(shè)定值，還可以設(shè)定為｛當(dāng)前位置值PX-HM[2>｝。

基于以上豐富指令形式，再加上輸入點(diǎn)中輸入5和輸入6為高速輸入節(jié)點(diǎn)，ELMO驅(qū)動(dòng)器可以完成非常精確回原點(diǎn)過(guò)程。

4.位置跟隨功能

此應(yīng)用中，兩軸同動(dòng)時(shí)需要保持絕對(duì)位置不變，故兩個(gè)軸之間同步性就需要到保證。針對(duì)此點(diǎn)，ELMO產(chǎn)品有著很好應(yīng)用。

ELMO驅(qū)動(dòng)器中，共有兩路脈沖輸入端口，其中J2對(duì)應(yīng)脈沖端口為主反饋端口，其用來(lái)接收伺服電機(jī)編碼器信號(hào)。同時(shí)另外一路脈沖端口我們稱之為輔助反饋端口，輔助反饋端口功能我們可以軟件來(lái)定義，可以定義為A、B項(xiàng)差分信號(hào)輸入，也可以定義為PULSE+DIRECTION脈沖+方向信號(hào)輸入，還可以定義為J2口編碼器信號(hào)1：1無(wú)延遲硬件輸出。我們位置跟隨功能也就正好利用了這個(gè)功能。

跟隨過(guò)程中，X軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輔助反饋口YA[4>參數(shù)定義為主編碼器信號(hào)1：1輸出，硬件連接到X’軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輔助反饋口，同時(shí)定義X’軸驅(qū)動(dòng)器輔助反饋口為A、B項(xiàng)脈沖信號(hào)輸入，這樣就完成了硬件上連接。此時(shí)，再X’軸驅(qū)動(dòng)器參數(shù)中設(shè)定外部參數(shù)有效RM=1，同時(shí)設(shè)定跟隨比率FR[3>=1，這樣簡(jiǎn)單設(shè)定，X’軸就會(huì)完全跟隨X軸電機(jī)運(yùn)動(dòng)，做到嚴(yán)格比例跟隨，跟隨比例為FR[3>所設(shè)定1：1。

以上過(guò)程，實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，電機(jī)從0rpm以20000000counts/s2加速到3000rpm時(shí)，兩個(gè)電機(jī)之間跟隨誤差最大為20counts，折算過(guò)來(lái)約為0.72度。以3000rpm穩(wěn)定運(yùn)行過(guò)程中，跟隨誤差可以控制3counts以內(nèi)，約合0.1度，非常好滿足了該系統(tǒng)要求。

值一提是，ELMO驅(qū)動(dòng)器跟隨比率FR[3>可以運(yùn)動(dòng)過(guò)程中動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)改變，跟隨軸也可以跟隨誤差驅(qū)動(dòng)器自身做動(dòng)態(tài)調(diào)整，運(yùn)動(dòng)效果為跟隨值與調(diào)整值疊加效果。另外，ELMO驅(qū)動(dòng)器帶有ECAM電子凸輪功能也可以完成復(fù)雜凸輪運(yùn)動(dòng)，替代傳統(tǒng)機(jī)械凸輪，印刷、包裝、軍工等行業(yè)都有很好應(yīng)用。

5.其他特點(diǎn)

此項(xiàng)目屬于醫(yī)療項(xiàng)目，且涉及到圖像處理，故對(duì)整體電氣產(chǎn)品電磁兼容性EMC（Electro Magnetic Compatibility）有很嚴(yán)格要求。傳統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)器干擾比較大，運(yùn)行過(guò)程中會(huì)對(duì)圖像產(chǎn)生很嚴(yán)重干擾現(xiàn)象，導(dǎo)致圖像失真無(wú)法使用，而ELMO伺服電磁干擾EMI（Electro Magnetic Interference）測(cè)試完全符合歐洲醫(yī)療行業(yè)應(yīng)用指標(biāo)，可以非常好應(yīng)用于全球醫(yī)療行業(yè)。目前GE、PHILIPS、SIEMENS都是其代表性行業(yè)應(yīng)用客戶。

此設(shè)備為醫(yī)療用輔助設(shè)備，需要經(jīng)常性搬運(yùn)與安裝，故此設(shè)備體積就成為客戶比較關(guān)心問(wèn)題之一。其上使用ELMO驅(qū)動(dòng)器體積僅為82mm x 25.4mm x 75mm，重量?jī)H為150g，此種驅(qū)動(dòng)器為同類產(chǎn)品中最小，非常適合于此種情況下應(yīng)用。

結(jié)語(yǔ)：

這個(gè)項(xiàng)目中，巧妙使用羅升ELMO驅(qū)動(dòng)器自身能夠提供SIN函數(shù)和PVT曲線功能，實(shí)現(xiàn)了客戶復(fù)雜運(yùn)動(dòng)曲線要求。節(jié)省了使用PLC等產(chǎn)品帶來(lái)成本增加，同時(shí)使用電氣產(chǎn)品減少，大大增強(qiáng)了自身產(chǎn)品整合度，提高了可靠性，也使類似小型設(shè)備看上去體積小巧，科技含量很高。