羅升ELMO伺服系統在IGRT呼吸仿真系統中的應用

本文介紹了羅升Elmo伺服系統在IGRT呼吸仿真系統中的應用。該系統相比較之前傳統的PLC位置控制構架更加簡單和可靠，通過伺服驅動器內部程序的編寫完成了精準的正弦曲線運動和位置跟隨運動。

關鍵詞

•羅升Elmo伺服系統
•RS-232通訊控制
•位置跟隨

Image guided radiation therapy 影像引導放射治療（IGRT）是近年來放射腫瘤學領域最先進的治療技術。通過新型IGRT系統，將影像獲取、治療計劃設計、CT模擬定位及加速器治療完美地整合到一套放療系統之中，以精確實施放射治療。目前IGRT設備主要有傳統直線減速器結合影像系統、斷層放射治療機和影像引導的立體定向治療機。IGRT呼吸仿真系統主要功能為模擬人體呼吸系統的運動，進而達到診斷的目的，以完成精確實施放射治療。本文主要介紹通過使用ELMO伺服系統完成呼吸仿真運動的過程，借助ELMO伺服強大的編程功能和與人機界面的通訊功能完成精確的位置控制。

系統要求：

該系統主要模仿人體的呼吸系統運動，主要分為兩個運動單元，兩個運動軸X、X‘分別做相對的正弦曲線運動，X‘軸位于X軸上，并且保證X‘軸相對于絕對位置沒有位移，故需要X、X‘兩軸的運動保持嚴格的同步。同時每個軸都需要回原點功能以及單獨運動的功能。正弦運動的參數（包括運動周期、幅度等參數）需要可以在人機界面上完成設置、顯示和修改。

系統構成和系統框架圖：

該系統的構成主要分為機械部分和電氣部分。機械部分由于整體高度的限制以及放射過程中，被放射面不能有金屬存在，故在傳動上采用了同步齒形帶的結構，通過伺服電機直接驅動；電氣部分采用了臺灣HITECH人機界面作為顯示和控制的終端，人機界面同時和兩臺ELMO伺服驅動控制器通訊，通過ELMO伺服里面編寫好的程序，利用人機界面實現回原點、頻率幅值設定、兩軸同動等控制功能。具體電氣系統框架圖如圖1：

人機界面的顯示界面比較簡單，包含了參數設置、回原點、兩軸同動、單軸單獨運動等幾個界面，并且可以根據客戶的需要完成相關功能的增減。

該套系統的核心技術在于采用了智能型的具有控制功能的伺服驅動器，通過驅動器的編程實現了傳統應用中大型PLC才能實現的位置控制功能。針對ELMO智能型伺服驅動器會在下面做詳細的介紹。

羅升ELMO伺服在該應用中的特點：

1.全面可編程功能

羅升公司的ELMO伺服為以色列ELMO公司研發的最新一代的數字智能型伺服驅動器，其驅動器自帶了2K的編程空間，加強型驅動器更是配備了32K的編程空間，完全可以滿足復雜的運動控制。

其編程界面友好易用，有高級語言編程經驗的客戶可以在很短的時間內熟悉該產品的編程工作。具體編程界面如圖2：

其編程采用的語言是類似于C語言的編程環境，可以使用while、if、until、define、for、end等語句；同時融入了ELMO伺服自身內部的運動控制參數70余個，例如：MO、PX、VX、AC、BG、ST、UM、RM等；另外，可以對外部的I/O以及模擬量進行編程操作，用以完成I/O的事件觸發以及模擬量輸入的速度控制等。具體編程片斷如圖3：

2.正弦曲線功能

該應用中，一個最主要的功能是需要伺服模擬人體呼吸運動，做正弦曲線運動。傳統的實現該功能的方法是需要帶有位置控制功能模塊的PLC通過復雜的浮點運算后，給出相應的脈沖頻率來完成位置控制。而ELMO伺服驅動器中，自帶了SIN函數，同時還帶有PTP（點到點）和PVT（位置、速度、時間）等曲線運動控制功能，可以很容易的完成正弦曲線的設定。

針對此應用，ELMO伺服給出的具體實現方法是：首先根據人機界面輸入的頻率計算出運動的周期，然后根據周期通過運算把一個周期時間細分為64段，再根據輸入的幅度值，在一個周期內細分出64個位置點，通過SIN函數的運算，就得出一個周期內相應的64個點位上每個點的位置、速度、時間這三個參數，將這些參數確定后，再確定運動的起始點和運動模式（一次運行或者周期運行等）。待以上工作都完成后，驅動器會在接到下一個開始運動的指令后，根據輸入的64個點，進行PVT曲線運動，將64個點連成平滑的曲線后就可以順利地實現SIN曲線運動。

以下是通過ELMO驅動器配套軟件中的示波器功能得到的伺服電機做正弦運動時的相關曲線圖：

3.回原點功能

由于每次上電后，電機的位置不定，故需要上電回原點的功能。ELMO驅動器自帶的HM指令可以輕松的完成復雜的回原點過程。

在接收到人機界面給的回原點指令后，伺服驅動器首先根據事先指定好的內部速度向負方向運動，同時檢測原點信號，當檢測到原點信號后立刻停止，并將當前位置設置為0。值得一提的是，在這個過程中，多個參數都可以設定：首先，通過HM[3>參數，可以設定觸發條件，其中可以設定為編碼器Z項信號觸發、外部I/O輸入1-6管角對應的原點開關信號觸發等；其次，可以通過HM[4>指令設定當到達原點時通過數字輸出給出一個輸出信號到其他裝置；另外，還可以通過HM[5>參數，設定到達原點時的位置設定值，可以選擇設定到達位置為0，也可以選擇設定到達時位置為預先在HM[2>指令中設定的值，還可以設定為｛當前位置值PX-HM[2>｝。

基于以上豐富的指令形式，再加上輸入點中的輸入5和輸入6為高速輸入節點，ELMO驅動器可以完成非常精確的回原點過程。

4.位置跟隨功能

在此應用中，由于兩軸同動時需要保持絕對位置不變，故兩個軸之間的同步性就需要得到保證。針對此點，ELMO產品有著很好的應用。

在ELMO驅動器中，共有兩路脈沖輸入端口，其中J2對應的脈沖端口為主反饋端口，其用來接收伺服電機的編碼器信號。同時另外一路脈沖端口我們稱之為輔助反饋端口，輔助反饋端口的功能我們可以通過軟件來定義，可以定義為A、B項差分信號輸入，也可以定義為PULSE+DIRECTION的脈沖+方向信號的輸入，還可以定義為J2口編碼器信號1：1無延遲的硬件輸出。我們的位置跟隨功能也就正好利用了這個功能。

在跟隨過程中，X軸電機驅動器輔助反饋口通過YA[4>參數定義為主編碼器信號的1：1輸出，通過硬件連接到X’軸電機驅動器的輔助反饋口，同時定義X’軸驅動器的輔助反饋口為A、B項脈沖信號輸入，這樣就完成了硬件上的連接。此時，再在X’軸驅動器的參數中設定外部參數有效RM=1，同時設定跟隨比率FR[3>=1，通過這樣的簡單設定，X’軸就會完全跟隨X軸電機的運動，做到嚴格的比例跟隨，跟隨比例為FR[3>所設定的1：1。

以上過程，在實際測試過程中，在電機從0rpm以20000000counts/s2加速到3000rpm時，兩個電機之間的跟隨誤差最大為20counts，折算過來約為0.72度。在以3000rpm穩定運行的過程中，跟隨誤差可以控制在3counts以內，約合0.1度，非常好的滿足了該系統的要求。

值得一提的是，ELMO驅動器的跟隨比率FR[3>可以在運動過程中動態調節改變，而且跟隨軸也可以根據跟隨誤差通過驅動器自身做動態調整，運動效果為跟隨值與調整值的疊加效果。另外，ELMO驅動器帶有的ECAM電子凸輪功能也可以完成復雜的凸輪運動，替代傳統的機械凸輪，在印刷、包裝、軍工等行業都有很好的應用。

5.其他特點

由于此項目屬于醫療項目，且涉及到圖像的處理，故對整體電氣產品的電磁兼容性EMC（Electro Magnetic Compatibility）有很嚴格的要求。傳統伺服驅動器的干擾比較大，運行過程中會對圖像產生很嚴重的干擾現象，導致圖像失真無法使用，而ELMO伺服的電磁干擾EMI（Electro Magnetic Interference）經過測試完全符合歐洲的醫療行業應用指標，可以非常好的應用于全球的醫療行業。目前GE、PHILIPS、SIEMENS都是其代表性的行業應用客戶。

由于此設備為醫療用輔助設備，需要經常性的搬運與安裝，故此設備的體積就成為客戶比較關心的問題之一。其上使用的ELMO驅動器體積僅為82mm x 25.4mm x 75mm，重量僅為150g，此種驅動器為同類產品中最小，非常適合于此種情況下的應用。

結語：

在這個項目中，通過巧妙的使用羅升ELMO驅動器自身能夠提供的SIN函數和PVT曲線的功能，實現了客戶復雜的運動曲線要求。節省了使用PLC等產品帶來的成本增加，同時由于使用的電氣產品的減少，大大增強了自身產品的整合度，提高了可靠性，也使類似的小型設備看上去體積小巧，科技含量很高。