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)架更加簡單和可靠，伺服驅(qū)動器內(nèi)部程序編寫完成了精準(zhǔn)正弦曲線運(yùn)動和位置跟隨運(yùn)動。

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、治療計劃設(shè)計、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，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)動過程，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，主要分為兩個運(yùn)動單元，兩個運(yùn)動軸X、X‘分別做相對正弦曲線運(yùn)動，X‘軸位于X軸上，保證X‘軸相絕對位置沒有位移，故需要X、X‘兩軸運(yùn)動保持嚴(yán)格同步。同時每個軸都需要回原點(diǎn)功能以及單獨(dú)運(yùn)動功能。正弦運(yùn)動參數(shù)（包括運(yùn)動周期、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程中，被放射面不能有金屬存，故傳動上采用了同步齒形帶結(jié)構(gòu)，伺服電機(jī)直接驅(qū)動；電氣部分采用了臺灣HITECH人機(jī)界面作為顯示和控制終端，人機(jī)界面同時和兩臺ELMO伺服驅(qū)動控制器通訊，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單，包含了參數(shù)設(shè)置、回原點(diǎn)、兩軸同動、單軸單獨(dú)運(yùn)動等幾個界面，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)動器，驅(qū)動器編程實(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ELMO智能型伺服驅(qū)動器會下面做詳細(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)動器，其驅(qū)動器自帶了2K編程空間，加強(qiáng)型驅(qū)動器更是配備了32K編程空間，完全可以滿足復(fù)雜運(yùn)動控制。

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

圖2

其編程采用語言是類似于C語言編程環(huán)境，可以使用while、if、until、define、for、end等語句；同時融入了ELMO伺服自身內(nèi)部運(yùn)動控制參數(shù)70余個，例如：MO、PX、VX、AC、BG、ST、UM、RM等；另外，可以對外部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，一個最主要功能是需要伺服模擬人體呼吸運(yùn)動，做正弦曲線運(yùn)動。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)脈沖頻率來完成位置控制。而ELMO伺服驅(qū)動器中，自帶了SIN函數(shù)，同時還帶有PTP（點(diǎn)到點(diǎn)）和PVT（位置、速度、時間）等曲線運(yùn)動控制功能，可以很容易完成正弦曲線設(shè)定。

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

以下是ELMO驅(qū)動器配套軟件中示波器功能到伺服電機(jī)做正弦運(yùn)動時相關(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)動器自帶HM指令可以輕松完成復(fù)雜回原點(diǎn)過程。

接收到人機(jī)界面給回原點(diǎn)指令后，伺服驅(qū)動器首先事先指定好內(nèi)部速度向負(fù)方向運(yùn)動，同時檢測原點(diǎn)信號，當(dāng)檢測到原點(diǎn)信號后立刻停止，并將當(dāng)前位置設(shè)置為0。值一提是，這個過程中，多個參數(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)信號觸發(fā)、外部I/O輸入1-6管角對應(yīng)原點(diǎn)開關(guān)信號觸發(fā)等；其次，可以HM[4>指令設(shè)定當(dāng)?shù)竭_(dá)原點(diǎn)時數(shù)字輸出給出一個輸出信號到其他裝置；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)動器可以完成非常精確回原點(diǎn)過程。

4.位置跟隨功能

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

ELMO驅(qū)動器中，共有兩路脈沖輸入端口，其中J2對應(yīng)脈沖端口為主反饋端口，其用來接收伺服電機(jī)編碼器信號。同時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定義，可以定義為A、B項(xiàng)差分信號輸入，也可以定義為PULSE+DIRECTION脈沖+方向信號輸入，還可以定義為J2口編碼器信號1：1無延遲硬件輸出。我們位置跟隨功能也就正好利用了這個功能。

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

以上過程，實(shí)際測試過程中，電機(jī)從0rpm以20000000counts/s2加速到3000rpm時，兩個電機(jī)之間跟隨誤差最大為20counts，折算過來約為0.72度。以3000rpm穩(wěn)定運(yùn)行過程中，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)動器跟隨比率FR[3>可以運(yùn)動過程中動態(tài)調(diào)節(jié)改變，跟隨軸也可以跟隨誤差驅(qū)動器自身做動態(tài)調(diào)整，運(yùn)動效果為跟隨值與調(diào)整值疊加效果。另外，ELMO驅(qū)動器帶有ECAM電子凸輪功能也可以完成復(fù)雜凸輪運(yùn)動，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)動器干擾比較大，運(yùn)行過程中會對圖像產(chǎn)生很嚴(yán)重干擾現(xiàn)象，導(dǎo)致圖像失真無法使用，而ELMO伺服電磁干擾EMI（Electro Magnetic Interference）測試完全符合歐洲醫(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)心問題之一。其上使用ELMO驅(qū)動器體積僅為82mm x 25.4mm x 75mm，重量僅為150g，此種驅(qū)動器為同類產(chǎn)品中最小，非常適合于此種情況下應(yīng)用。

結(jié)語：

這個項(xiàng)目中，巧妙使用羅升ELMO驅(qū)動器自身能夠提供SIN函數(shù)和PVT曲線功能，實(shí)現(xiàn)了客戶復(fù)雜運(yùn)動曲線要求。節(jié)省了使用PLC等產(chǎn)品帶來成本增加，同時使用電氣產(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。