CN103777585A - 计算机断层扫描设备的机架控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种计算机断层扫描设备的机架控制系统，包括上位控制中心、驱动器、电机、位置测量仪及CT机架，所述位置测量仪安装在所述CT机架上，其特征在于，所述系统还包括：CANopen编码器、控制器局域网总线，所述上位控制器中心、所述CANopen编码器以及所述驱动器分别为控制器局域网总线上的不同节点，所述CANopen编码器与所述位置测量仪相连，所述驱动器与所述电机相连。本发明提供的计算机断层扫描设备的机架控制系统结构简单，成本低，耦合度强。本发明基于所述系统还提供了一种计算机断层扫描设备的机架控制方法。

Description

计算机断层扫描设备的机架控制系统及方法

技术领域

本发明涉及计算机断层扫描设备的控制领域，特别涉及一种计算机断层扫描设备的机架控制系统及方法。

背景技术

计算机断层扫描设备（简称CT）在进行临床扫描时，需要对机架的速度（环）与位置（环）进行控制。目前，计算机断层扫描设备的设备机架的闭环控制系统，主要是由控制器、驱动器、速度编码器、位置编码器等组成，其中机架的位置信息（一般是在CT机架上刻有码盘或者磁栅）是直接反馈到编码器上，驱动器根据编码器上的位置信号对CT机架进行位置与速度控制。现有的控制系统，对于CT机架的控制不同于一般的运动控制系统，其位置范围在0～2π之间，需要对编码器与控制器都需要做特殊的逻辑控制，所以上述的控制系统对于控制器与编码器的要求比较高，需使用成本相对比较昂贵的器件。

发明内容

基于此，有必要提供一种成本较低的计算机断层扫描设备的机架控制系统及应用于所述系统的控制方法。

一种计算机断层扫描设备的机架控制系统，包括上位控制中心、驱动器、电机、位置测量仪及CT机架，所述位置测量仪安装在所述CT机架上，所述系统还包括：CANopen 编码器、控制器局域网总线，所述上位控制中心、所述CANopen 编码器以及所述驱动器为所述控制器局域网总线上的节点，所述CANopen 编码器与所述位置测量仪相连，所述驱动器与所述电机相连。

可选的，所述驱动器为变频器。

可选的，所述变频器的工作模式为V/F变频控制模式。

可选的，所述电机为交流异步电机。

可选的，所述上位控制中心包括PID调节器，所述PID调节器包括PID位置调节器及PID速度调节器。

可选的，所述位置测测量仪与所述CANopen编码器集成于一体。

可选的，所述上位控制中心、所述CANopen 编码器以及所述驱动器分别为所述控制器局域网总线上的不同节点。

为了解决上述问题，本发明还提供一种计算断层扫描设备的机架控制方法

一种计算机断层扫描设备的机架控制方法，所述方法应用于所述的计算机断层扫描设备的机架控制系统，包括如下步骤：

a1)所述系统上电后，所述位置测量仪产生感应电平信号并发送至所述CANopen 编码器，所述感应电平信号为第一感应电平信号；

b1)所述CANopen 编码器将所述电平信号转换成位置码并发送至所述上位控制中心，所述位置码为第一位置码P1；

c1)判断所述第一位置码P1是否位于目标位置码P0的精度范围之内；若是，d1)在时间间隔T之内，不进任何操作；

若否，e1)在时间间隔t之后，重复所述步骤a1至步骤b1，所述感应电平信号为第二感应电平信号，所述位置码为第二位置码P2；

f1)判断所述第二位置码P2 是否位于目标位置码P0的精度范围之内；若是，执行步骤d1)；

若否，g1)所述上位控制中心计算出输出力矩T，并将所述输出力矩T发送至所述驱动器；

h1）所述驱动器将所述输出力矩T以电流的形式输出至所述电机。

可选的，所述输出力矩T的计算步骤具体为：计算第一位置P1与第二位置码P2的差值，将所述差值与所述时间间隔作t的比值作为所述CT机架当前速度V；利用PID位置调节器，根据所述当前速度V，所述第二位置码P2及所述目标位置码P0，计算出所述输出力矩T。

可选的，所述输出力矩T是以CANopen 报文形式由所述上位控制中心发送至所述驱动器。

可选的，所述目标位置码的精度范围为±5个。

可选的，所述驱动器为变频器。

可选的，所述变频器的工作模式为V/F变频控制模式。

可选的，所述电机为交流异步电机。

可选的，所述输出力矩T的计算步骤具体为：计算第一位置P1与第二位置码P2的差值，将所述差值与所述时间间隔作t的比值作为所述CT机架当前速度V；利用PID速度调节器，根据所述当前速度V，目标速度V0，计算出所述输出力矩T。

与现有技术相比，本发明技术方案提供的基于控制器局域网总线的计算机断层扫描设备的机架控制系统与方法，不需要控制器，由上位控制中心（简称GPC）通过软件来实现控制功能，系统结构简单，成本低，耦合度强；本技术方案通过控制器局域网总线传输编码器的信息，传输距离相对较长；驱动器只做力矩输出，因此可以采用低成本的驱动器，比如变频器，同时只需要一个CANopen 编码器，就可以实现CT机架的位置与速度控制，大大地简约了成本。

附图说明

图1是本发明计算机断层扫描设备的机架控制系统的结构示意图；

图2是本发明计算机断层扫描设备的机架控制方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

正如背景技术中所描述的，现有的对于CT机架的控制需要由驱动器、速度编码器、位置编码器、控制器构成。而本发明技术方案提供了一种计算机断层扫描设备的机架控制系统，包括上位控制中心10、驱动器20、电机30、位置测量仪40及CT机架50，所述位置测量仪40安装在所述CT机架50上，所述系统还包括：CANopen 编码器60、控制器局域网总线70，所述上位控制中心10、所述CANopen 编码器60以及所述驱动器20为所述控制器局域网总线70上的节点，所述CANopen 编码器60与所述位置测量仪40相连，所述驱动器20与所述电机30相连。

下面结合图1对本发明实施方式的基于控制器局域网总线的计算机断层扫描设备的机架控制系统的结构进行详细说明。

控制器局域网总线（简称CAN-bus）, 是应用在现场、在微机化测量设备之间实现双向串行多节点数字通讯系统，是一种开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。 支持CAN-bus的通讯协议建立在ISO/OSI模型之上，其模型结构有三层，协议有CAN2.0A、CAN2.0B、CANopen几种，本技术方案中采用的CANopen通讯协议。

基于此，本技术方案中也采用一个CANopen编码器60，CANopen编码器60用于将位置测量仪40发送过来的位置感应电平信号转换成基于CANopen协议的CANopen报文。

上位控制中心 10，在计算机断层扫描中，上位控制中心用于控制所有部件的运动。本技术方案中，上位控制中心10根据接收到的CANopen 位置信息来做位置（环）和速度（环）的控制。

其中上位控制中心10、驱动器20以及CANopen编码器可以看成是控制器局域网总线上的节点，优选的，在本实施例中，上位控制中心10、驱动器20以及CANopen编码器可以看成是控制器局域网总线上的不同的节点

由于驱动器只需要作力矩驱动，因此可以采用变频器等成本比较低的驱动器，工作过程中，变频器工作在V/F变频控制模式。

本技术方案中，用于驱动机架转动的电机30采用交流异步电机。

上述系统，使用CT中的上位控制中心来实现控制器的全部功能，只需要一个编码器即可实现对CT机架的速度（环）与位置（环）的同时控制，同时也因为只用力矩输出进行控制，可以采用相对成本比较低的驱动器，比如变频器，大大降低了CT的成本。

对于上述的计算机断层扫描设备的机架的控制系统，本发明的实施方式还提供了计算机断层扫描设备的机架控制方法，如图2所示，包括：

步骤a1：所述控制系统上电后，所述位置测量仪40产生感应电平信号并发送至所述CANopen 编码器60，所述感应电平信号为第一感应电平信号；

步骤b1：所述CANopen 编码器60将所述电平信号转换成位置码并发送至所述上位控制中心10，所述位置码为第一位置码P1；

步骤c1：判断所述第一位置码P1是否位于目标位置码P0的精度范围之内；若是，步骤d1：在时间间隔T之内，不进任何操作；

若否，步骤e1：在时间间隔t之后，重复所述步骤a1至步骤b1，所述感应电平信号为第二感应电平信号，所述位置码为第二位置码P2；

步骤f1：判断所述第二位置码P2 是否位于目标位置码P0的精度范围之内；若是，执行步骤d1；

若否，步骤g1：所述上位控制中心10计算出输出力矩T，并将所述输出力矩T发送至所述驱动器；

步骤h1：所述驱动器将所述输出力矩T以电流的形式输出至所述电机。

为更好地对本发明的实施方式进行理解，下面结合本发明提供的计算机断层扫描设备的机架控制系统对控制方法作详细的描述。

首先，执行步骤a1，所述控制系统上电后，所述位置测量仪40产生感应电平信号并发送至所述CANopen 编码器60，所述感应电平信号为第一感应电平信号P1。

位置测量仪40是安装在CT机架70上的，可以读出CT机架70码盘上指向的码值，将其转换成感应电平信号ABZ，并将其输出至CANopen 编码器60，感应电平信号ABZ是位置测量仪输出的三根电平信号，其中Z信号为高电平，表示机架当前位置处于零点，机架已经转完一整圈回到初始位置；A信号为高电平，表示机架处于一个新的位置，B信号为高电平，落后于A信号1/4周期，通过A信号与B信号，就可以分辨当前机架的旋转方向。

执行步骤b1，所述CANopen 编码器60将所述电平信号转换成位置码并发送至所述上位控制中心10，所述位置码为第一位置码P1。

位置码为整型数，CT机架70码盘上的位置码越多，表示的位置精度越高，比如位置码有57600个。CANopen 编码器将电平信号转换成位置码，是指编码器对感应电平信号进行解析，具体地是对A信号或B信号进行累加计算，同时碰到Z信号即清零。

执行步骤c1：判断所述第一位置码P1是否位于目标位置码P0的精度范围之内；若是，执行步骤d1：在时间间隔t之内，不进任何操作；若否，执行步骤e1：在时间间隔t之后，重复所述步骤a1至步骤b1，所述感应电平信号为第二感应电平信号，所述位置码为第二位置码P2。

目标位置码P0即想要定位的位置，比如100个，如果精度范围为±5个，则第一位置码P1位于95-105之间，就算是第一位置码P1是否位于目标位置码P0的精度范围之内。

这里需要说明的是，在进行计算机断层扫描的过程中，需要对CT机架不断地进行位置与速度的修正，以保证更好的扫描效果。在实际中CT扫描时，等时间间隔t，比如10ms，位置测量仪发送一次感应电平信号，因此不管步骤c1判断是与否之后，10ms之后，CANopen编码器60将接受到位置测量仪40发送过来的新的电平信号ABZ，根据这两个电平信号，就可以进行一次位置控制。本技术方案描述的只是从刚开始阶段两个时间间隔内，对于CT机架做的一次位置（环）与速度（环）控制的过程，但是实际中，整个过程是循环进行的，比如在第三个10ms内，就会使用到第一位置码P1以及第二位置码P2来进行位置（环）与速度（环）的控制。

执行步骤f1：判断所述第二位置码P2 是否位于目标位置码P0的精度范围之内；若是，执行步骤d1；若否，执行步骤g1：所述上位控制中心10计算出输出力矩T，并将所述输出力矩T发送至所述驱动器20。

步骤g1中，上位控制中心10计算出输出力矩T的具体步骤为：计算第一位置P1与第二位置码P2的差值，将所述差值与所述时间间隔作t的比值作为所述CT机架当前速度V；利用PID位置调节器，根据所述当前速度V，所述第二位置码P2及所述目标位置码P0，计算出所述输出力矩T。具体过程为：

PID位置调节器的参数分别为Pp、Pi及Pd，其中Pp位置比例系数，Pi为位置积分系数，Pd为位置微分系数，最近n个周期（周期对应上述中的时间间隔t）及机架的累积位置码和为P0+P1+P2+…+ Pn = Psum，则输出力矩为：T= Pp *（Pn-P0） + Pi* P sum + Pd*V。

上述过程是对CT机架的进行位置控制时的计算上位控制中心的计算方法，对CT机架要进行速度控制，则具体的计算步骤为：计算第一位置P1与第二位置码P2的差值，将所述差值与所述时间间隔作t的比值作为所述CT机架当前速度V；利用PID速度控制器，根据所述当前速度V，目标速度V0，计算出所述输出力矩T。具体过程为：PID速度调节器的参数分别为：Vp、Vi 及 Vd，其中Vp速度比例系数，Vi为速度积分系数，Vd为速度微分系数，最近n个周期机架走过的距离为：P0- Pn， 当前的加速度为a， 那么 输出力矩T = Vp*(V0-V) + Vi*(P0-Pn) + Vd*a

上述过程中的输出力矩T是以CANopen 报文形式由上位控制中心10发送至驱动器20。

执行步骤h1：所述驱动器将所述输出力矩T以电流的形式输出至所述电机。

在本技术方案中，驱动器20采用变频器，其工作模式为V/F变频控制模式，电机30采用为交流异步电机。

综上，上述技术方案提供的计算机断层扫描设备的机架控制系统与系统，不需要控制器，由上位控制中心通过软件来实现控制功能，系统结构简单，成本低，耦合度强；控制器局域网总线传输编码器的信息，传输距离相对较长；整个控制过程中，系统只作力矩输出，因此驱动器可以采用成本较低的变频器，同时只需要一个CANopen 编码器，就可以实现CT机架的位置与速度控制，大大地简约了成本。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (15)

1.一种计算机断层扫描设备的机架控制系统，包括上位控制中心、驱动器、电机、位置测量仪及CT机架，所述位置测量仪安装在所述CT机架上，其特征在于，所述系统还包括：CANopen 编码器、控制器局域网总线，所述上位控制中心、所述CANopen 编码器以及所述驱动器为所述控制器局域网总线上的节点，所述CANopen 编码器与所述位置测量仪相连，所述驱动器与所述电机相连。

2.如权利要求1所述的计算机断层扫描设备的机架控制系统，其特征在于，所述驱动器为变频器。

3.如权利要求2所述的计算机断层扫描设备的机架控制系统，其特征在于，所述变频器的工作模式为V/F变频控制模式。

4.如权利要求2所述的计算机断层扫描设备的机架控制系统，其特征在于，所述电机为交流异步电机。

5.如权利要求1所述的计算机断层扫描设备的机架控制系统，其特征在于，所述上位控制中心包括PID调节器，所述PID调节器包括PID位置调节器及PID速度调节器。

6.如权利要求1所述的计算机断层扫描设备的机架控制系统，其特征在于，所述位置测测量仪与所述CANopen编码器集成于一体。

7.如权利要求1所述的计算机断层扫描设备的机架控制系统，其特征在于，所述上位控制中心、所述CANopen 编码器以及所述驱动器分别为所述控制器局域网总线上的不同节点。

8.一种计算机断层扫描设备的机架控制方法，所述方法应用于权利要求1所述的计算机断层扫描设备的机架控制系统，其特征在于：

a1)所述系统上电后，所述位置测量仪产生感应电平信号并发送至所述CANopen 编码器；

b1)所述CANopen 编码器将所述电平信号转换成位置码并发送至所述上位控制中心，所述位置码为第一位置码P1；

c1)判断所述第一位置码P1是否位于目标位置码P0的精度范围之内；若是，d1)在时间间隔t之内，不进任何操作；

若否，e1)在时间间隔t之后，重复所述步骤a1至步骤b1，所述位置码为第二位置码P2；

f1)判断所述第二位置码P2 是否位于目标位置码P0的精度范围之内；若是，执行步骤d1；

若否，g1)所述上位控制中心计算出输出力矩T，并将所述输出力矩T发送至所述驱动器；

h1）所述驱动器将所述输出力矩T以电流的形式输出至所述电机。

9.如权利要求8所述的计算机断层扫描设备的机架控制方法，其特征在于，所述输出力矩T的计算步骤具体为：

计算第一位置P1与第二位置码P2的差值，将所述差值与所述时间间隔作t的比值作为所述CT机架当前速度V；

利用PID位置调节器，根据所述当前速度V，所述第二位置码P2及所述目标位置码P0，计算出所述输出力矩T。

10.如权利要求9所述的计算机断层扫描设备的机架控制方法，其特征在于，所述输出力矩T是以CANopen 报文形式由所述上位控制中心发送至所述驱动器。

11.如权利要求10所述的计算机断层扫描设备的机架控制方法，其特征在于，所述目标位置码的精度范围为±5个。

12.如权利要求8所述的计算机断层扫描设备的机架控制方法，其特征在于，所述驱动器为变频器。

13.如权利要求12所述的计算机断层扫描设备的机架控制方法，其特征在于，所述变频器的工作模式为V/F变频控制模式。

14.如权利要求8所述的计算机断层扫描设备的机架控制方法，其特征在于，所述电机为交流异步电机。

15.如权利要求8所述的计算机断层扫描设备的机架控制方法，其特在在于，所述输出力矩T的计算步骤具体为：

计算第一位置P1与第二位置码P2的差值，将所述差值与所述时间间隔作t的比值作为所述CT机架当前速度V；

利用PID速度调节器，根据所述当前速度V，目标速度V0，计算出所述输出力矩T。

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