本文介紹了羅升Elmo伺服系統(tǒng)在IGRT呼吸仿真系統(tǒng)中的應(yīng)用。該系統(tǒng)相比較之前傳統(tǒng)的PLC位置控制構(gòu)架更加簡(jiǎn)單和可靠，通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部程序的編寫(xiě)完成了精準(zhǔn)的正弦曲線運(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)的治療技術(shù)。通過(guò)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地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)的立體定向治療機(jī)。IGRT呼吸仿真系統(tǒng)主要功能為模擬人體呼吸系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而達(dá)到診斷的目的，以完成精確實(shí)施放射治療。本文主要介紹通過(guò)使用ELMO伺服系統(tǒng)完成呼吸仿真運(yùn)動(dòng)的過(guò)程，借助ELMO伺服強(qiáng)大的編程功能和與人機(jī)界面的通訊功能完成精確的位置控制。 系統(tǒng)要求： 該系統(tǒng)主要模仿人體的呼吸系統(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)的正弦曲線運(yùn)動(dòng)，X‘軸位于X軸上，并且保證X‘軸相對(duì)于絕對(duì)位置沒(méi)有位移，故需要X、X‘兩軸的運(yùn)動(dòng)保持嚴(yán)格的同步。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)的功能。正弦運(yùn)動(dòng)的參數(shù)（包括運(yùn)動(dòng)周期、幅度等參數(shù)）需要可以在人機(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)的構(gòu)成主要分為機(jī)械部分和電氣部分。機(jī)械部分由于整體高度的限制以及放射過(guò)程中，被放射面不能有金屬存在，故在傳動(dòng)上采用了同步齒形帶的結(jié)構(gòu)，通過(guò)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的終端，人機(jī)界面同時(shí)和兩臺(tái)ELMO伺服驅(qū)動(dòng)控制器通訊，通過(guò)ELMO伺服里面編寫(xiě)好的程序，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： [align=center] 圖1[/align] 人機(jī)界面的顯示界面比較簡(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，并且可以根據(jù)客戶的需要完成相關(guān)功能的增減。 該套系統(tǒng)的核心技術(shù)在于采用了智能型的具有控制功能的伺服驅(qū)動(dòng)器，通過(guò)驅(qū)動(dòng)器的編程實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)應(yīng)用中大型PLC才能實(shí)現(xiàn)的位置控制功能。針對(duì)ELMO智能型伺服驅(qū)動(dòng)器會(huì)在下面做詳細(xì)的介紹。 羅升ELMO伺服在該應(yīng)用中的特點(diǎn)： 1.全面可編程功能 羅升公司的ELMO伺服為以色列ELMO公司研發(fā)的最新一代的數(shù)字智能型伺服驅(qū)動(dòng)器，其驅(qū)動(dòng)器自帶了2K的編程空間，加強(qiáng)型驅(qū)動(dòng)器更是配備了32K的編程空間，完全可以滿足復(fù)雜的運(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)的客戶可以在很短的時(shí)間內(nèi)熟悉該產(chǎn)品的編程工作。具體編程界面如圖2： [align=center] 圖2[/align] 其編程采用的語(yǔ)言是類似于C語(yǔ)言的編程環(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)部的運(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)外部的I/O以及模擬量進(jìn)行編程操作，用以完成I/O的事件觸發(fā)以及模擬量輸入的速度控制等。具體編程片斷如圖3： [align=center] 圖3[/align] 2.正弦曲線功能 該應(yīng)用中，一個(gè)最主要的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)的實(shí)現(xiàn)該功能的方法是需要帶有位置控制功能模塊的PLC通過(guò)復(fù)雜的浮點(diǎn)運(yùn)算后，給出相應(yīng)的脈沖頻率來(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，可以很容易的完成正弦曲線的設(shè)定。 針對(duì)此應(yīng)用，ELMO伺服給出的具體實(shí)現(xiàn)方法是：首先根據(jù)人機(jī)界面輸入的頻率計(jì)算出運(yùn)動(dòng)的周期，然后根據(jù)周期通過(guò)運(yùn)算把一個(gè)周期時(shí)間細(xì)分為64段，再根據(jù)輸入的幅度值，在一個(gè)周期內(nèi)細(xì)分出64個(gè)位置點(diǎn)，通過(guò)SIN函數(shù)的運(yùn)算，就得出一個(gè)周期內(nèi)相應(yīng)的64個(gè)點(diǎn)位上每個(gè)點(diǎn)的位置、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)的起始點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)模式（一次運(yùn)行或者周期運(yùn)行等）。待以上工作都完成后，驅(qū)動(dòng)器會(huì)在接到下一個(gè)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)的指令后，根據(jù)輸入的64個(gè)點(diǎn)，進(jìn)行PVT曲線運(yùn)動(dòng)，將64個(gè)點(diǎn)連成平滑的曲線后就可以順利地實(shí)現(xiàn)SIN曲線運(yùn)動(dòng)。 以下是通過(guò)ELMO驅(qū)動(dòng)器配套軟件中的示波器功能得到的伺服電機(jī)做正弦運(yùn)動(dòng)時(shí)的相關(guān)曲線圖： [align=center] 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[/align] 3.回原點(diǎn)功能 由于每次上電后，電機(jī)的位置不定，故需要上電回原點(diǎn)的功能。ELMO驅(qū)動(dòng)器自帶的HM指令可以輕松的完成復(fù)雜的回原點(diǎn)過(guò)程。 在接收到人機(jī)界面給的回原點(diǎn)指令后，伺服驅(qū)動(dòng)器首先根據(jù)事先指定好的內(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。值得一提的是，在這個(gè)過(guò)程中，多個(gè)參數(shù)都可以設(shè)定：首先，通過(guò)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)的原點(diǎn)開(kāi)關(guān)信號(hào)觸發(fā)等；其次，可以通過(guò)HM[4]指令設(shè)定當(dāng)?shù)竭_(dá)原點(diǎn)時(shí)通過(guò)數(shù)字輸出給出一個(gè)輸出信號(hào)到其他裝置；另外，還可以通過(guò)HM[5]參數(shù)，設(shè)定到達(dá)原點(diǎn)時(shí)的位置設(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)先在HM[2]指令中設(shè)定的值，還可以設(shè)定為｛當(dāng)前位置值PX-HM[2]｝。 基于以上豐富的指令形式，再加上輸入點(diǎn)中的輸入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的回原點(diǎn)過(guò)程。 4.位置跟隨功能 在此應(yīng)用中，由于兩軸同動(dòng)時(shí)需要保持絕對(duì)位置不變，故兩個(gè)軸之間的同步性就需要得到保證。針對(duì)此點(diǎn)，ELMO產(chǎn)品有著很好的應(yīng)用。 在ELMO驅(qū)動(dòng)器中，共有兩路脈沖輸入端口，其中J2對(duì)應(yīng)的脈沖端口為主反饋端口，其用來(lái)接收伺服電機(jī)的編碼器信號(hào)。同時(shí)另外一路脈沖端口我們稱之為輔助反饋端口，輔助反饋端口的功能我們可以通過(guò)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的脈沖+方向信號(hào)的輸入，還可以定義為J2口編碼器信號(hào)1：1無(wú)延遲的硬件輸出。我們的位置跟隨功能也就正好利用了這個(gè)功能。 在跟隨過(guò)程中，X軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輔助反饋口通過(guò)YA[4]參數(shù)定義為主編碼器信號(hào)的1：1輸出，通過(guò)硬件連接到X’軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的輔助反饋口，同時(shí)定義X’軸驅(qū)動(dòng)器的輔助反饋口為A、B項(xiàng)脈沖信號(hào)輸入，這樣就完成了硬件上的連接。此時(shí)，再在X’軸驅(qū)動(dòng)器的參數(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，通過(guò)這樣的簡(jiǎn)單設(shè)定，X’軸就會(huì)完全跟隨X軸電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，做到嚴(yán)格的比例跟隨，跟隨比例為FR[3]所設(shè)定的1：1。 以上過(guò)程，在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，在電機(jī)從0rpm以20000000counts/s2加速到3000rpm時(shí)，兩個(gè)電機(jī)之間的跟隨誤差最大為20counts，折算過(guò)來(lái)約為0.72度。在以3000rpm穩(wěn)定運(yùn)行的過(guò)程中，跟隨誤差可以控制在3counts以內(nèi)，約合0.1度，非常好的滿足了該系統(tǒng)的要求。 值得一提的是，ELMO驅(qū)動(dòng)器的跟隨比率FR[3]可以在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)改變，而且跟隨軸也可以根據(jù)跟隨誤差通過(guò)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)整值的疊加效果。另外，ELMO驅(qū)動(dòng)器帶有的ECAM電子凸輪功能也可以完成復(fù)雜的凸輪運(yùn)動(dòng)，替代傳統(tǒng)的機(jī)械凸輪，在印刷、包裝、軍工等行業(yè)都有很好的應(yīng)用。 5.其他特點(diǎn) 由于此項(xiàng)目屬于醫(yī)療項(xiàng)目，且涉及到圖像的處理，故對(duì)整體電氣產(chǎn)品的電磁兼容性EMC（Electro Magnetic Compatibility）有很嚴(yán)格的要求。傳統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)器的干擾比較大，運(yùn)行過(guò)程中會(huì)對(duì)圖像產(chǎn)生很嚴(yán)重的干擾現(xiàn)象，導(dǎo)致圖像失真無(wú)法使用，而ELMO伺服的電磁干擾EMI（Electro Magnetic Interference）經(jīng)過(guò)測(cè)試完全符合歐洲的醫(yī)療行業(yè)應(yīng)用指標(biāo)，可以非常好的應(yīng)用于全球的醫(yī)療行業(yè)。目前GE、PHILIPS、SIEMENS都是其代表性的行業(yè)應(yīng)用客戶。 由于此設(shè)備為醫(yī)療用輔助設(shè)備，需要經(jīng)常性的搬運(yùn)與安裝，故此設(shè)備的體積就成為客戶比較關(guān)心的問(wèn)題之一。其上使用的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的應(yīng)用。 結(jié)語(yǔ)： 在這個(gè)項(xiàng)目中，通過(guò)巧妙的使用羅升ELMO驅(qū)動(dòng)器自身能夠提供的SIN函數(shù)和PVT曲線的功能，實(shí)現(xiàn)了客戶復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)曲線要求。節(jié)省了使用PLC等產(chǎn)品帶來(lái)的成本增加，同時(shí)由于使用的電氣產(chǎn)品的減少，大大增強(qiáng)了自身產(chǎn)品的整合度，提高了可靠性，也使類似的小型設(shè)備看上去體積小巧，科技含量很高。 參考文獻(xiàn)： [1].Elmo Digital and Analog Servo Drives Catalog, Elmo Motion Control , 2007.1 [2]. SimplIQ Command Reference, Elmo Motion Control, 2007.1 [3]. SimplIQ Software Manual, Elmo Motion Control, 2007.1 作者簡(jiǎn)介： 李建輝（1982-）男 畢業(yè)于北京郵電大學(xué)自動(dòng)化系 現(xiàn)任天津羅升企業(yè)有限公司北京辦事處應(yīng)用工程師 對(duì)羅升Elmo運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)以及伺服控制類應(yīng)用有比較深入的研究，熟悉自動(dòng)化系統(tǒng)的構(gòu)成與具體應(yīng)用。