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羅升ELMO伺服系統(tǒng)在IGRT呼吸仿真系統(tǒng)中的應(yīng)用

時間:2007-12-12 11:21:00來源:ronggang

導語:?羅升ELMO伺服系統(tǒng)在IGRT呼吸仿真系統(tǒng)中的應(yīng)用
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)架更加簡單和可靠,通過伺服驅(qū)動器內(nèi)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(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 影像引導放射治療(IGRT)是近年來放射腫瘤學領(lǐng)域最先進的治療技術(shù)。通過新型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地整合到一套放療系統(tǒng)之中,以精確實施放射治療。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)、斷層放射治療機和影像引導的立體定向治療機。IGRT呼吸仿真系統(tǒng)主要功能為模擬人體呼吸系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)要求: 該系統(tǒng)主要模仿人體的呼吸系統(tǒng)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(shù)(包括運動周期、幅度等參數(shù))需要可以在人機界面上完成設(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(jié)構(gòu),通過伺服電機直接驅(qū)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(qū)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(xiàn)回原點、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: [align=center] 圖1[/align] 人機界面的顯示界面比較簡單,包含了參數(shù)設(shè)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(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)動器,通過驅(qū)動器的編程實現(xiàn)了傳統(tǒng)應(yīng)用中大型PLC才能實現(xiàn)的位置控制功能。針對ELMO智能型伺服驅(qū)動器會在下面做詳細的介紹。 羅升ELMO伺服在該應(yīng)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(fā)的最新一代的數(shù)字智能型伺服驅(qū)動器,其驅(qū)動器自帶了2K的編程空間,加強型驅(qū)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(jīng)驗的客戶可以在很短的時間內(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] 其編程采用的語言是類似于C語言的編程環(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)部的運動控制參數(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(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(tǒng)的實現(xiàn)該功能的方法是需要帶有位置控制功能模塊的PLC通過復雜的浮點運算后,給出相應(yīng)的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(shè)定。 針對此應(yīng)用,ELMO伺服給出的具體實現(xiàn)方法是:首先根據(jù)人機界面輸入的頻率計算出運動的周期,然后根據(jù)周期通過運算把一個周期時間細分為64段,再根據(jù)輸入的幅度值,在一個周期內(nèi)細分出64個位置點,通過SIN函數(shù)的運算,就得出一個周期內(nèi)相應(yīng)的64個點位上每個點的位置、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(qū)動器會在接到下一個開始運動的指令后,根據(jù)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(xiàn)SIN曲線運動。 以下是通過ELMO驅(qū)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(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(qū)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(qū)動器首先根據(jù)事先指定好的內(nèi)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(shè)置為0。值得一提的是,在這個過程中,多個參數(shù)都可以設(shè)定:首先,通過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項信號觸發(fā)、外部I/O輸入1-6管角對應(yīng)的原點開關(guān)信號觸發(fā)等;其次,可以通過HM[4]指令設(shè)定當?shù)竭_原點時通過數(shù)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(shù),設(shè)定到達原點時的位置設(shè)定值,可以選擇設(shè)定到達位置為0,也可以選擇設(shè)定到達時位置為預先在HM[2]指令中設(shè)定的值,還可以設(shè)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(jié)點,ELMO驅(qū)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(yīng)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(chǎn)品有著很好的應(yīng)用。 在ELMO驅(qū)動器中,共有兩路脈沖輸入端口,其中J2對應(yīng)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(qū)動器輔助反饋口通過YA[4]參數(shù)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(qū)動器的輔助反饋口,同時定義X’軸驅(qū)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(qū)動器的參數(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,通過這樣的簡單設(shè)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(shè)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(wěn)定運行的過程中,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)動器的跟隨比率FR[3]可以在運動過程中動態(tài)調(diào)節(jié)改變,而且跟隨軸也可以根據(jù)跟隨誤差通過驅(qū)動器自身做動態(tài)調(diào)整,運動效果為跟隨值與調(diào)整值的疊加效果。另外,ELMO驅(qū)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(tǒng)的機械凸輪,在印刷、包裝、軍工等行業(yè)都有很好的應(yīng)用。 5.其他特點 由于此項目屬于醫(yī)療項目,且涉及到圖像的處理,故對整體電氣產(chǎn)品的電磁兼容性EMC(Electro Magnetic Compatibility)有很嚴格的要求。傳統(tǒng)伺服驅(qū)動器的干擾比較大,運行過程中會對圖像產(chǎn)生很嚴重的干擾現(xiàn)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(jīng)過測試完全符合歐洲的醫(yī)療行業(yè)應(yīng)用指標,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)常性的搬運與安裝,故此設(shè)備的體積就成為客戶比較關(guān)心的問題之一。其上使用的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的應(yīng)用。 結(jié)語: 在這個項目中,通過巧妙的使用羅升ELMO驅(qū)動器自身能夠提供的SIN函數(shù)和PVT曲線的功能,實現(xiàn)了客戶復雜的運動曲線要求。節(jié)省了使用PLC等產(chǎn)品帶來的成本增加,同時由于使用的電氣產(chǎn)品的減少,大大增強了自身產(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: [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 作者簡介: 李建輝(1982-)男 畢業(yè)于北京郵電大學自動化系 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 對羅升Elmo運動控制系統(tǒng)以及伺服控制類應(yīng)用有比較深入的研究,熟悉自動化系統(tǒng)的構(gòu)成與具體應(yīng)用。

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