新型加速器治療床電控設(shè)計(jì)

［摘 要］加速器治療床廣泛應(yīng)用于腫瘤放射治療。目前我國(guó)加速器治療床的控制方法不夠完善，控制精度較低。文章介紹了一種新型加速器治療床電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，采用高精度采集位置信息、閉環(huán)控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的方法，具有運(yùn)行平穩(wěn)、操作方便、位置可視及控制精度高等優(yōu)點(diǎn)。

［關(guān)鍵詞］加速器治療床；閉環(huán)；高精度

［中圖分類號(hào)］TG527 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號(hào)］2095–6487（2024）04–0058–03

自動(dòng)弧度治療功能是加速器治療床的重要功能之一。為了保證自動(dòng)弧度治療功能的實(shí)現(xiàn)，需要對(duì)加速器治療床實(shí)現(xiàn)精確的位置控制，保證加速器治療床運(yùn)動(dòng)到位。

目前的加速器治療床的到位精度較差，速度調(diào)節(jié)不靈活，容易受到干擾，異常狀態(tài)下保護(hù)措施有待提高，無(wú)法高質(zhì)量完成自動(dòng)弧度治療的任務(wù)。

文章介紹了一種高精度加速器治療床的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)時(shí)采集加速器治療床的位置信息，采用閉環(huán)控制方法，其中3 個(gè)方向通過(guò)直流無(wú)刷電機(jī)，1 個(gè)方向通過(guò)伺服電機(jī)，以此帶動(dòng)加速器治療床的運(yùn)動(dòng)，具有控制精度高、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

1 控制方案

新型加速器治療床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1 所示。新型加速器治療床的控制系統(tǒng)主要是對(duì)床面進(jìn)行左右方向、前后方向、垂直方向及公轉(zhuǎn)方向的控制。每個(gè)方向安裝有電機(jī)、位置傳感器、剎車器等。

新型加速器治療床控制系統(tǒng)主要包括主控板、電機(jī)控制模塊、剎車控制模塊、位置傳感器采集模塊、旁控盒模塊、安全防控模塊和通訊模塊。如圖2 所示。

主控板是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，主要負(fù)責(zé)接收位置信息采集模塊反饋的位置信息，并接收上位機(jī)和旁控盒控制板的運(yùn)動(dòng)指令，然后發(fā)送指令給電機(jī)控制模塊和剎車控制模塊，從而控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)及剎車模塊的通斷。

旁控盒是位于加速器治療床兩側(cè)的操作盒，為了方便醫(yī)生操作，左右兩側(cè)分別有1 個(gè)旁控盒，2 個(gè)旁控盒設(shè)置有優(yōu)先級(jí)，可以實(shí)現(xiàn)在單側(cè)或者兩側(cè)同時(shí)對(duì)床的擺位。每個(gè)旁控盒都有按鍵和顯示功能，通過(guò)和主控板之間的通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)加速器治療床的運(yùn)動(dòng)控制，并且顯示加速器治療床的實(shí)時(shí)位置。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路采用模塊化設(shè)計(jì)，盡量采用較成熟的模塊電路，增加系統(tǒng)的可靠性。

2.1 旁控盒電路設(shè)計(jì)

旁控盒的主要功能是采集操作信息及顯示位置信息，包括運(yùn)動(dòng)使能按鍵、鎖定按鍵、床面電動(dòng)手動(dòng)切換按鍵、公轉(zhuǎn)電動(dòng)手動(dòng)切換按鍵、遙控本控切換按鍵，以及橫向、縱向、垂直方向和公轉(zhuǎn)方向的控制推桿。

控制推桿輸出0～5 V 電壓，旁控盒采集板通過(guò)AD（模– 數(shù)轉(zhuǎn)換電路）采集電路將推桿的操作信息采集到旁控盒的單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)采集到的電壓判斷運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)速度。

其他按鍵通過(guò)單片機(jī)采集高低電平控制各個(gè)開關(guān)量的狀態(tài)。

旁控盒通過(guò)4 個(gè)四位數(shù)碼管，分別顯示4 個(gè)方向的位置信息。

旁控盒和主控板之間采用RS485通信，將采集到的按鍵狀態(tài)發(fā)送至主控板。

考慮到結(jié)構(gòu)的安裝方便性，每個(gè)旁控盒分為采集板和顯示板，靠接插件連接。采集板采集按鍵信息并與上位機(jī)通信，顯示板包含4 個(gè)四位數(shù)碼管和數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)芯片。

2.2 主控板電路設(shè)計(jì)

主控板通過(guò)兩路RS485 分別與2 個(gè)旁控盒和上位機(jī)通信、接收運(yùn)動(dòng)指令、采集限位信息和編碼器反饋的位置信息，并對(duì)當(dāng)前的狀態(tài)及指令進(jìn)行判斷，然后控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)停止，以及剎車、吸盤和離合器的通斷。以下僅對(duì)部分功能模塊作單獨(dú)介紹。

編碼器通過(guò)CAN 通信向主控板反饋位置信息，由于CAN 通信方便組網(wǎng)，4 個(gè)編碼器可以共用1 個(gè)單片機(jī)的CAN 通信口。

伺服電機(jī)控制器由單片機(jī)的脈沖輸出，并用ADUM1410 進(jìn)行隔離，然后輸出給伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器?？紤]到單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力，增加了MOS 驅(qū)動(dòng)芯片TC4424 作為備用。對(duì)于伺服電機(jī)控制器的開啟、關(guān)閉接口，選用繼電器干接點(diǎn)輸出控制。

3 個(gè)直流無(wú)刷電機(jī)控制器通過(guò)PWM 控制。

剎車、離合及吸盤均由繼電器控制，通過(guò)繼電器的通斷使得用電模塊得電、失電，從而直接控制剎車、離合及吸盤。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件流程設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方案，具有良好的模塊性、可修改性及可移植性。根據(jù)功能將軟件分成若干個(gè)功能相對(duì)獨(dú)立的模塊，包括通信模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、邏輯判斷處理模塊、電機(jī)控制模塊等。

編碼器實(shí)時(shí)采集位置信息，反饋給主控板，用于電機(jī)控制和位置顯示。

防誤碰按鍵可增加治療床的安全性，當(dāng)防誤碰按鍵開啟時(shí)，旁控盒上的其他所有按鍵保持現(xiàn)有的狀態(tài)，4 個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)推桿輸出信號(hào)為中位信號(hào)。

床面手動(dòng)電動(dòng)按鍵及公轉(zhuǎn)手動(dòng)電動(dòng)按鍵，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)治療床相應(yīng)方向的手動(dòng)和電動(dòng)之間的切換。垂直方向受重力影響，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)只能由電機(jī)帶動(dòng)，所以垂直方向只有電動(dòng)控制，沒有手動(dòng)控制。軟件控制流程如圖3 所示。

通過(guò)遙控本控切換按鍵切換遙控、本控狀態(tài)。

處于本控狀態(tài)時(shí)，通過(guò)旁控盒的推桿和使能按鍵控制床面的運(yùn)動(dòng)和停止，通過(guò)旁控盒推桿的推動(dòng)力度調(diào)節(jié)本控狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)速度。

處于遙控狀態(tài)時(shí)，通過(guò)上位機(jī)給主控板發(fā)送目標(biāo)位置，每個(gè)方向的目標(biāo)位置和運(yùn)動(dòng)相互獨(dú)立，根據(jù)目標(biāo)位置、當(dāng)前位置及當(dāng)前速度，通過(guò)PID 計(jì)算出治療床所需的運(yùn)動(dòng)方向和速度，從而實(shí)現(xiàn)治療床的高精度運(yùn)動(dòng)控制。

3.2 軟件模塊設(shè)計(jì)

精度控制主要包括顯示精度和控制精度。顯示精度取決于編碼器采集信息的準(zhǔn)確性，而控制精度則要求較高，當(dāng)主控板發(fā)送停止指令后，治療床由于運(yùn)動(dòng)慣性，并不會(huì)停止在發(fā)送指令的位置。

處于本控狀態(tài)時(shí)，當(dāng)松開調(diào)速推桿或者松開使能按鍵時(shí)，不同的運(yùn)動(dòng)速度因?yàn)閼T性向前運(yùn)動(dòng)的距離不同，如果僅考慮盡可能接近停止操作時(shí)的位置，則可以收到指令后立即發(fā)送停止指令，這樣能盡可能地減小緩沖位移，但是實(shí)際工程中，立即停止勢(shì)必會(huì)讓病人有較強(qiáng)烈的沖擊感，所以根據(jù)實(shí)際調(diào)試情況，在滿足1.1 運(yùn)動(dòng)要求的條件時(shí)，盡可能緩慢停止，增加病人的舒適度。

處于遙控狀態(tài)時(shí)，上位機(jī)發(fā)送目標(biāo)角度，實(shí)際停止位置和目標(biāo)角度的差值應(yīng)滿足精度要求，所以在接近目標(biāo)角度時(shí)，運(yùn)動(dòng)速度要盡可能低，但是速度太低會(huì)影響治療床的使用便利性，因此根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)治療床進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)，判斷各個(gè)角度下到目標(biāo)角度所需的速度，當(dāng)離目標(biāo)角度較遠(yuǎn)時(shí)，采用高速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)接近目標(biāo)角度時(shí)，逐步降低速度，使治療床既準(zhǔn)確又平穩(wěn)地運(yùn)動(dòng)。經(jīng)過(guò)實(shí)際調(diào)試，各直線運(yùn)動(dòng)精度小于1 mm，旋轉(zhuǎn)精度小于0.5°。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)編碼器、電機(jī)等參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)行模塊化的電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，通過(guò)實(shí)時(shí)采集位置信息，對(duì)治療床進(jìn)行閉環(huán)控制。通過(guò)理論計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行驗(yàn)證，最終實(shí)現(xiàn)了治療床的穩(wěn)定、精確、可靠的運(yùn)動(dòng)控制。文中設(shè)計(jì)的電控系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求，并且完成了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，后期可批量應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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