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。