罗升ELMO伺服系统在IGRT呼吸仿真系统中的应用

分类：解决方案日期：2009-06-24 08:31:48 来源：厂商

　　本文介绍了罗升Elmo伺服系统IGRT呼吸仿真系统中应用。该系统相比较之前传统PLC位置控制构架更加简单和可靠，伺服驱动器内部程序编写完成了精准正弦曲线运动和位置跟随运动。

关键词

•罗升Elmo伺服系统
•RS-232通讯控制
•位置跟随

Image guided radiation therapy 影像引导放射治疗（IGRT）是近年来放射肿瘤学领域最先进治疗技术。新型IGRT系统，将影像获取、治疗计划设计、CT模拟定位及加速器治疗完美整合到一套放疗系统之中，以精确实施放射治疗。目前IGRT设备主要有传统直线减速器结合影像系统、断层放射治疗机和影像引导立体定向治疗机。IGRT呼吸仿真系统主要功能为模拟人体呼吸系统运动，进而达到诊断目，以完成精确实施放射治疗。本文主要介绍使用ELMO伺服系统完成呼吸仿真运动过程，借助ELMO伺服强大编程功能和与人机界面通讯功能完成精确位置控制。

系统要求：

该系统主要模仿人体呼吸系统运动，主要分为两个运动单元，两个运动轴X、X‘分别做相对正弦曲线运动，X‘轴位于X轴上，保证X‘轴相绝对位置没有位移，故需要X、X‘两轴运动保持严格同步。同时每个轴都需要回原点功能以及单独运动功能。正弦运动参数（包括运动周期、幅度等参数）需要可以人机界面上完成设置、显示和修改。

系统构成和系统框架图：

该系统构成主要分为机械部分和电气部分。机械部分整体高度限制以及放射过程中，被放射面不能有金属存，故传动上采用了同步齿形带结构，伺服电机直接驱动；电气部分采用了台湾HITECH人机界面作为显示和控制终端，人机界面同时和两台ELMO伺服驱动控制器通讯，ELMO伺服里面编写好程序，利用人机界面实现回原点、频率幅值设定、两轴同动等控制功能。具体电气系统框架图如图1：

图1

人机界面显示界面比较简单，包含了参数设置、回原点、两轴同动、单轴单独运动等几个界面，可以客户需要完成相关功能增减。

该套系统核心技术采用了智能型具有控制功能伺服驱动器，驱动器编程实现了传统应用中大型PLC才能实现位置控制功能。针对ELMO智能型伺服驱动器会下面做详细介绍。

罗升ELMO伺服该应用中特点：

1.全面可编程功能

罗升公司ELMO伺服为以色列ELMO公司研发最新一代数字智能型伺服驱动器，其驱动器自带了2K编程空间，加强型驱动器更是配备了32K编程空间，完全可以满足复杂运动控制。

其编程界面友好易用，有高级语言编程经验客户可以很短时间内熟悉该产品编程工作。具体编程界面如图2：

图2

其编程采用语言是类似于C语言编程环境，可以使用while、if、until、define、for、end等语句；同时融入了ELMO伺服自身内部运动控制参数70余个，例如：MO、PX、VX、AC、BG、ST、UM、RM等；另外，可以对外部I/O以及模拟量进行编程操作，完成I/O事件触发以及模拟量输入速度控制等。具体编程片断如图3：

图3

2.正弦曲线功能

该应用中，一个最主要功能是需要伺服模拟人体呼吸运动，做正弦曲线运动。传统实现该功能方法是需要带有位置控制功能模块PLC复杂浮点运算后，给出相应脉冲频率来完成位置控制。而ELMO伺服驱动器中，自带了SIN函数，同时还带有PTP（点到点）和PVT（位置、速度、时间）等曲线运动控制功能，可以很容易完成正弦曲线设定。

针对此应用，ELMO伺服给出具体实现方法是：首先人机界面输入频率计算出运动周期，然后周期运算把一个周期时间细分为64段，再输入幅度值，一个周期内细分出64个位置点，SIN函数运算，就出一个周期内相应64个点位上每个点位置、速度、时间这三个参数，将这些参数确定后，再确定运动起始点和运动模式（一次运行周期运行等）。待以上工作都完成后，驱动器会接到下一个开始运动指令后，输入64个点，进行PVT曲线运动，将64个点连成平滑曲线后就可以顺利实现SIN曲线运动。

以下是ELMO驱动器配套软件中示波器功能到伺服电机做正弦运动时相关曲线图：

图4 位置曲线

图5 速度曲线

图6 电流曲线

图7 位置误差曲线

3.回原点功能

每次上电后，电机位置不定，故需要上电回原点功能。ELMO驱动器自带HM指令可以轻松完成复杂回原点过程。

接收到人机界面给回原点指令后，伺服驱动器首先事先指定好内部速度向负方向运动，同时检测原点信号，当检测到原点信号后立刻停止，并将当前位置设置为0。值一提是，这个过程中，多个参数都可以设定：首先，HM[3>参数，可以设定触发条件，其中可以设定为编码器Z项信号触发、外部I/O输入1-6管角对应原点开关信号触发等；其次，可以HM[4>指令设定当到达原点时数字输出给出一个输出信号到其他装置；另外，还可以HM[5>参数，设定到达原点时位置设定值，可以选择设定到达位置为0，也可以选择设定到达时位置为预先HM[2>指令中设定值，还可以设定为｛当前位置值PX-HM[2>｝。

基于以上丰富指令形式，再加上输入点中输入5和输入6为高速输入节点，ELMO驱动器可以完成非常精确回原点过程。

4.位置跟随功能

此应用中，两轴同动时需要保持绝对位置不变，故两个轴之间同步性就需要到保证。针对此点，ELMO产品有着很好应用。

ELMO驱动器中，共有两路脉冲输入端口，其中J2对应脉冲端口为主反馈端口，其用来接收伺服电机编码器信号。同时另外一路脉冲端口我们称之为辅助反馈端口，辅助反馈端口功能我们可以软件来定义，可以定义为A、B项差分信号输入，也可以定义为PULSE+DIRECTION脉冲+方向信号输入，还可以定义为J2口编码器信号1：1无延迟硬件输出。我们位置跟随功能也就正好利用了这个功能。

跟随过程中，X轴电机驱动器辅助反馈口YA[4>参数定义为主编码器信号1：1输出，硬件连接到X’轴电机驱动器辅助反馈口，同时定义X’轴驱动器辅助反馈口为A、B项脉冲信号输入，这样就完成了硬件上连接。此时，再X’轴驱动器参数中设定外部参数有效RM=1，同时设定跟随比率FR[3>=1，这样简单设定，X’轴就会完全跟随X轴电机运动，做到严格比例跟随，跟随比例为FR[3>所设定1：1。

以上过程，实际测试过程中，电机从0rpm以20000000counts/s2加速到3000rpm时，两个电机之间跟随误差最大为20counts，折算过来约为0.72度。以3000rpm稳定运行过程中，跟随误差可以控制3counts以内，约合0.1度，非常好满足了该系统要求。

值一提是，ELMO驱动器跟随比率FR[3>可以运动过程中动态调节改变，跟随轴也可以跟随误差驱动器自身做动态调整，运动效果为跟随值与调整值叠加效果。另外，ELMO驱动器带有ECAM电子凸轮功能也可以完成复杂凸轮运动，替代传统机械凸轮，印刷、包装、军工等行业都有很好应用。

5.其他特点

此项目属于医疗项目，且涉及到图像处理，故对整体电气产品电磁兼容性EMC（Electro Magnetic Compatibility）有很严格要求。传统伺服驱动器干扰比较大，运行过程中会对图像产生很严重干扰现象，导致图像失真无法使用，而ELMO伺服电磁干扰EMI（Electro Magnetic Interference）测试完全符合欧洲医疗行业应用指标，可以非常好应用于全球医疗行业。目前GE、PHILIPS、SIEMENS都是其代表性行业应用客户。