CN104767427A - 一种ct机中多电机的同步控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种CT机中多电机的同步控制系统，其包括：安装在扫描床两侧的至少两台直流电机；主控机，其用于发送PWM调制码；同步处理单元，其用于同步控制。本发明还涉及一种CT机中多电机的同步控制方法，其通过使用至少两台直流电机推动扫描床的升降运动，并进行同步控制，可以补偿回因机械安装及各电机运动特性不一致造成的两根推杆伸出长度的不一致；其通过使用至少两台直流电机推动机架的倾斜运动，同时进行同步控制，可以补偿回因机械安装及各电机运动特性不一致造成的两根推杆伸出长度的不一致。本发明的同步控制系统及方法通过控制CT机中扫描床及机架的双电机的同步运动，使扫描床及机架在运动过程中可以精确停位，从而延长产品使用寿命。

Description

一种CT机中多电机的同步控制系统及方法

技术领域

本发明涉及多电机同步控制技术领域，具体涉及应用于CT机中的多电机同步控制系统及方法。

背景技术

在医疗、数控机床等高精度、高安全性、重负载系统中，多电机运动同步控制是一个很重要的核心问题，多电机运动的同步与否直接影响到CT机的可靠性及使用寿命。

随着数控技术的发展，在一个系统中使用多电机来驱动重负载系统进行运动更为频繁。例如，对于CT机中的扫描床而言，传统CT机扫描床使用一个电机及助力弹簧来启动扫描床的上下升降运动，这种使用单个电机和助力弹簧的传统方式对助力弹簧的技术要求及生产工艺要求很高，不能很方便地运用在CT机系统中。又如在CT机的机架部分，通常需要在机架两边各布置一个电机，通过机架两侧的电机升降来达到使机架倾斜的目的。

现有技术中，CT机可以使用双电机推动扫描床来解决相关技术问题，具体而言，就是通过安装在机架两侧的双电机充足的动力来推动扫描床的上下升降运动。但是，如果机架两侧的两个电机的同步运动控制没做好，就会严重影响CT机的工作性能及其使用寿命。此外，还会影响到扫描床在运动过程中停止位置的精确性，从而影响CT图像成像的质量，进而影响诊断结果。

发明内容

鉴于现有技术中的上述不足，本发明的目的在于提供一种CT机中多电机的同步控制系统，其主要通过控制CT机中扫描床及机架的双电机的同步运动，使扫描床及机架在运动过程中可以精确停位，从而延长产品使用寿命。

为了达到以上目的，本发明采用的技术解决方案如下：

一种CT机中多电机的同步控制系统，其包括：安装在扫描床两侧的至少两个直流电机，所述两个直流电机为第一直流电机和第二直流电机；主控机，其用于发送PWM调制码；同步处理单元，其用于同步控制。

所述同步控制单元包括：位置统计模块，其根据两个直流电机各自反馈的A相或B相来统计两个直流电机的位置信息；快慢判断模块，其用于比较并判断第一直流电机和第二直流电机旋转快慢并得到快慢判断标志；PWM占空比调整模块，其通过调节两个直流电机的占空比来调整直流电机的旋转速度；输出PWM模块，其用于将PWM码输出给两个直流电机。

所述位置统计模块的作用是：以两个直流电机各自反馈的A相或B相代表其运动一定距离，以第一直流电机或第二直流电机反馈的各自A相或B相作为统计基准信息；以第一次反馈的A相或B相的时间差作为基准时间t，将之后两个直流电机各自的A相或B相的时间差与基准时间作对比，作为两个直流电机运动快慢的判断标准，将t作为基准时间，之后每反馈回一对A相或B相都统计出t1,t2,…,tn。

所述快慢判断模块的作用是：在得到所述位置统计模块传送的基准时间t后，每反馈回一对A相或一对B相，统计出tx后，将t与tx进行比较，根据A相或B相先来的直流电机来判断是t加tx，还是t减tx，得到时间偏差；根据偏差结果是大于0，还是小于0，得到快慢判断标志。

所述PWM占空比调整模块用于根据快慢标志调整第二直流电机的速度，在两个直流电机中，第一直流电机输出设置为固定占空比，第二直流电机则根据所述快慢判断模块得到快慢标志，并计算出两个直流电机运转快慢的时间偏差，如果第二直流电机运动更快，则降低占空比输出PWM码给第二直流电机，降低该第二直流电机的速度；反之，则增大占空比输出PWM码给第二直流电机，以增大该第二直流电机的速度。

所述输出PWM模块将两个不一样的占空比输出给第一直流电机和第二直流电机，其中，输出给第一直流电机的PWM码是固定占空比，输出给第二个直流电机的PWM码的占空比依据所述PWM占空比调整模块得出。

所述主控机是FPGA；所述同步处理单元是可编程器件CPLD或FPGA或MCU，作为同步控制的同步处理单元，根据直流电机反馈的AB相位置信息，实时判断出该直流电机的快或慢，从而调整相应的输出PWM码的占空比。

一种CT机中多电机的同步控制方法，其步骤包括：

步骤一、主控机FPGA产生初始脉冲并输出给同步处理单元CPLD，所述初始脉冲是指初始PWM码；

步骤二、由同步处理单元CPLD将所述初始PWM码输出给第一直流电机和第二直流电机，并将第一直流电机输出设置为固定占空比；

步骤三、对由所述同步处理单元CPLD输出给第二直流电机的初始PWM码进行动态调整，根据两个直流电机中的一个所反馈的A相或B相位置信息，对输入的PWM调制码进行动态调制，将调制后的PWM码发送给两个直流电机中的另一个，从而动态地调整这两台直流电机的运动速度。

所述步骤三的动态调整过程过程包括：

(a)在T0时刻，计算得到时间t作为基准时间，此时第一直流电机的A相先反馈回来；

(b)在T1时刻，第一直流电机的A相先反馈回来，计算得到时间t1；用t减去t1，得到时间偏差diff_T；如果diff_T是一个负数，说明第一直流电机运动同样的距离使用的时间更少，从而判断出第一直流电机运动更快，第二直流电机运动更慢，因此需要根据diff_T的值大小，增加输出给第二直流电机的占空比，以加快第二直流电机的运动；反之，则减小输出给第二直流电机的占空比，从而减慢第二直流电机的运动速度；

(c)在时刻T2，第一直流电机的A相先反馈回来，计算得到时间t2；用t减去t2，得到时间偏差diff_T；如果diff_T是一个正数，说明第一直流电机运动同样的距离使用的时间更多，从而判断出第一直流电机运动更慢，第二直流电机运动更快，因此需要根据diff_T的值大小，减小输出给第二直流电机的占空比，以减慢第二直流电机的运动速度；反之，则增大输出给第二直流电机的占空比，从而加快第二直流电机的运动速度。

(d)在T3时刻，第二直流电机的A相先反馈回来，计算得到时间t3；用t加上t3，得到时间偏差diff_T；此时，diff_T是一个正数，说明第一直流电机运动同样的距离使用的时间更多，从而判断出第一直流电机运动更慢，第二直流电机运动更快，因此需要根据diff_T的值大小，减小输出给第二直流电机的占空比，以减慢第二直流电机的运动；

(e)反复以上方式调制，在Tn时刻，t与tn基本相等，即第一直流电机与第二直流电机运动相同的距离，使用的时间基本一样，从而达到两个电机运动同步的效果。

进一步地，使用FPGA作为主控机，使用CPLD作为同步处理单元，主控机FPGA输出80％的PWM脉冲给同步处理单元CPLD；该同步处理单元CPLD固定地输出75％的PWM脉冲给第一直流电机，输出75％的初始PWM脉冲给第二直流电机。

本发明的有益效果：

本发明的CT机中多电机的同步控制系统，其使用至少两台直流电机推动扫描床的升降运动；通过同步控制，可以补偿回因机械安装及各电机运动特性不一致造成的两根推杆伸出长度的不一致。还可以同时使用至少两台直流电机推动机架的倾斜运动；通过同步控制，可以补偿回因机械安装及各电机运动特性不一致造成的两根推杆伸出长度的不一致。再通过直流电机各自反馈的位置信息(AB相)，实时检测电机的同步状态，从而实时动态的调整。

这样，本发明的同步处理单元通过控制CT机中扫描床及机架的双电机的同步运动，解决双电机运动过程中因电机运动不同步造成的电机之间互相较劲的问题，同时使扫描床及机架在运动过程中可以精确停位，延长产品使用寿命。

本发明的多电机同步控制成本低，使用一个小型的CPLD可编程器件或者FPGA，MCU等就可以实现同步控制。此外，其控制方式灵活，不用预先测定哪个电机运动快或者慢，设定任何一个电机以基准的占空比PWM码运动，运动过程中实时调整发送给其他电机的PWM码的占空比。如果判断出此电机运动的更快，则减少发送给它的PWM码的占空比；相反则增大发送给它的PWM码的占空比。

由此，根据本发明的同步控制系统低成本、精度高、控制方式灵活方便，通过同步控制，扫描床、机架在运动过程中，停止的位置精确性高。

附图说明

图1示出了根据本发明的扫描床的结构示意图；

图2示出了根据本发明的同步控制系统的一个具体实施方式的同步控制系统示意图；

图3示出了根据本发明的同步处理单元的内部模块设计结构示意图；

图4示出了根据本发明的具体实施例的两个直流电机各自反馈的位置信息A相时间差示意图；

图5示出了根据本发明的具体实施例的同步控制动态调整过程中两个直流电机实时反馈的A相时间差示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明揭示一种CT机中多电机的同步控制系统，其包括：安装在扫描床两侧的至少两个直流电机；主控机，其用于发送PWM调制码；同步处理单元，其用于同步控制。该系统中扫描床的结构如图1所示。

在一个具体实施例中，在扫描床两侧安装两个直流电机，所述两个直流电机包括：第一直流电机和第二直流电机。

具体地，所述同步处理单元可以是如CPLD，FPGA等的可编程器件。

图2示出了根据本发明的同步控制系统的一个具体实施方式的同步控制系统示意图。结合图2来看，本发明的同步控制系统工作时，主控机将PWM调制码发送给同步处理单元，同步处理单元根据两个直流电机中的一个所反馈的位置信息(AB相)，对输入的PWM调制码进行动态调制，将调制后的PWM码发送给两个直流电机中的另一个，从而动态地调整这两台直流电机的运动速度。

本发明中，通过给出不同占空比的PWM调制码来控制输入给两个直流电机不同的电流，从而控制两个直流电机运动的快慢。两个直流电机在运动过程中，会反馈输出运动位置信息(AB相)，同步处理单元会实时监测两个直流电机反馈的位置信息，从而调整输出给直流电机的PWM码的占空比，让快的直流电机变慢，或让慢的直流电机变快，从而达到控制两个直流电机同步的目的。

本发明不需要先测定哪个直流电机运动快或慢，而是给其中一个直流电机以基准的占空比PWM码，根据反馈的位置信息，可以灵活的判断出其他直流电机是比基准直流电机快或慢，从而减少PWM码的占空比或者增大其占空比，从而让各个直流电机的速度基本一致。

本发明中使用CPLD(但不仅限于使用CPLD，还可以使用FPGA，MCU等)作为同步控制的同步处理单元，根据直流电机反馈的AB相位置信息，实时判断出该直流电机的快或慢，从而调整相应的输出PWM码的占空比。

图3示出了根据本发明的同步处理单元的内部模块设计结构示意图，结合图3来看，本发明的同步控制单元内部模块设计结构包括：

位置统计模块：以第一直流电机及第二直流电机各自反馈的一个AB相代表其运动一定距离，以第一直流电机或第二直流电机反馈的各自A相作为统计基准信息。以第一次反馈的A相的时间差作为基准时间t，将之后两个直流电机各自的A相的时间差与基准时间作对比，作为两个直流电机运动快慢的判断标准。将t作为基准时间，之后每反馈回一对A相都统计出t1,t2,…,tn。图4示出了根据本发明的具体实施例的两个直流电机各自反馈的位置信息A相时间差示意图。

快慢判断模块：得到基准时间t后，每反馈回一对A相，统计出tx后，将t与tx进行比较，根据哪个电机的A相先来，判断是t加tx，还是t减tx，得到时间偏差，根据偏差结果是大于0，还是小于0，得到快慢判断标志。

PWM占空比调整模块：两个直流电机中，将第一直流电机输出设置为固定占空比，第二直流电机则根据所述快慢判断模块得到快慢标志，并计算出两个直流电机运转快慢的时间偏差，如果判断出第二直流电机运动更快，则降低占空比输出PWM码给第二直流电机，降低该第二直流电机的速度；反之，则增大占空比输出PWM码给第二直流电机，以增大该第二直流电机的速度。

输出PWM模块：在两个直流电机中，输出给第一直流电机的PWM码是固定占空比，输出给第二个直流电机的PWM码的占空比是依据所述PWM占空比调整模块得出的。将两个不一样的占空比输出给第一直流电机和第二直流电机，达到使第一直流电机和第二直流电机同步的效果。

本发明揭示出一种CT机中多电机的同步控制方法，在一个具体实施例中，结合图1-3来看。控制扫描床两侧的两个直流电机，也即第一直流电机和第二直流电机，使用FPGA作为主控机，使用CPLD作为同步处理单元，本发明进行多电机的同步控制过程步骤如下：

步骤一、主控机FPGA产生初始脉冲并输出给同步处理单元，例如，主控机FPGA输出80％的PWM脉冲给同步处理单元CPLD；

步骤二、由同步处理单元CPLD将脉冲输出给第一直流电机和第二直流电机。同步处理单元CPLD固定地输出75％的PWM脉冲给第一直流电机；开始时也输出75％的PWM脉冲给第二直流电机，以后动态地调整输出给第二直流电机的占空比；

步骤三、对由同步处理单元CPLD输出给第二直流电机的脉冲进行动态调整。动态调整过程中，结合图5第一直流电机和第二直流电机反馈的A相时间差说明动态调整的具体方案如下：

(a)在T0时刻，计算得到时间t作为基准时间，此时第一直流电机的A相先反馈回来；

(b)在T1时刻，此时第一直流电机的A相先反馈回来，计算得到时间t1；用t减去t1，得到时间偏差diff_T,如果diff_T是一个负数，说明第一直流电机运动同样的距离使用的时间更少，从而判断出第一直流电机运动更快，第二直流电机运动更慢，因此需要根据diff_T的值大小，增加输出给第二直流电机的占空比，以加快第二直流电机的运动；反之，则减小输出给第二直流电机的占空比，从而减慢第二直流电机的运动速度。

(c)在时刻T2，此时第一直流电机的A相先反馈回来，计算得到时间t2；用t减去t2，得到时间偏差diff_T,如果diff_T是一个正数，说明第一直流电机运动同样的距离使用的时间更多，从而判断出第一直流电机运动更慢，第二直流电机运动更快，因此需要根据diff_T的值大小，减小输出给第二直流电机的占空比，以减慢第二直流电机的运动速度；反之，则增大输出给第二直流电机的占空比，从而加快第二直流电机的运动速度。

(d)在T3时刻，此时第二直流电机的A相先反馈回来，计算得到时间t3；用t加上t3，得到时间偏差diff_T。此时，diff_T是一个正数，说明第一直流电机运动同样的距离使用的时间更多，从而判断出第一直流电机运动更慢，第二直流电机运动更快，因此需要根据diff_T的值大小，减小输出给第二直流电机的占空比，以减慢第二直流电机的运动。

(e)反复以上方式调制，在Tn时刻，t与tn基本相等，即第一直流电机与第二直流电机运动相同的距离，使用的时间基本一样，从而达到两个电机运动同步的效果。

在上述调整过程中，t1,t2,…,tn会与t相差越来越小，从而达到第一直流电机和第二直流电机运动一定距离，使各自用的时间基本一致，从而达到两个直流电机同步的效果。图5示出了该同步效果。

这样，通过使用至少两台直流电机推动扫描床的升降运动，并进行同步控制，可以补偿回因机械安装及各电机运动特性不一致造成的两根推杆伸出长度的不一致。

以上是对扫描床两侧的第一直流电机和第二直流电机的同步过程系统及方法的实施例的具体阐述，本发明的同步控制系统及方法同样适用于安装在机架两侧的至少两台直流电机。通过使用至少两台直流电机推动机架的倾斜运动，同时进行同步控制，可以补偿回因机械安装及各电机运动特性不一致造成的两根推杆伸出长度的不一致。

本发明中使用CPLD可编程器件作为同步控制的同步处理单元，但不限于使用CPLD可编程器件，还可以使用FPGA，MCU等可编程器件作为同步处理单元。根据本发明的同步控制系统低成本、精度高、灵活方便。

以上是对本发明的描述，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和替换，均应落入本发明的权利要求确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种CT机中多电机的同步控制系统，其特征在于，包括：安装在扫描床两侧的至少两个直流电机，所述两个直流电机为第一直流电机和第二直流电机；主控机，其用于发送PWM调制码；同步处理单元，其用于同步控制。

2.根据权利要求1所述的一种CT机中多电机的同步控制系统，其特征在于，所述同步控制单元包括：位置统计模块，其根据两个直流电机各自反馈的A相或B相来统计两个直流电机的位置信息；快慢判断模块，其用于比较并判断第一直流电机和第二直流电机旋转快慢并得到快慢判断标志；PWM占空比调整模块，其通过调节两个直流电机的占空比来调整直流电机的旋转速度；输出PWM模块，其用于将PWM码输出给两个直流电机。

3.根据权利要求2所述的一种CT机中多电机的同步控制系统，其特征在于，所述位置统计模块的作用是：以两个直流电机各自反馈的A相或B相代表其运动一定距离，以第一直流电机或第二直流电机反馈的各自A相或B相作为统计基准信息；以第一次反馈的A相或B相的时间差作为基准时间t，将之后两个直流电机各自的A相或B相的时间差与基准时间作对比，作为两个直流电机运动快慢的判断标准，将t作为基准时间，之后每反馈回一对A相或B相都统计出t1,t2,…,tn。

4.根据权利要求2所述的一种CT机中多电机的同步控制系统，其特征在于，所述快慢判断模块的作用是：在得到所述位置统计模块传送的基准时间t后，每反馈回一对A相或一对B相，统计出tx后，将t与tx进行比较，根据A相或B相先来的直流电机来判断是t加tx，还是t减tx，得到时间偏差；根据偏差结果是大于0，还是小于0，得到快慢判断标志。

5.根据权利要求2所述的一种CT机中多电机的同步控制系统，其特征在于，所述PWM占空比调整模块用于根据快慢标志调整第二直流电机的速度，在两个直流电机中，第一直流电机输出设置为固定占空比，第二直流电机则根据所述快慢判断模块得到快慢标志，并计算出两个直流电机运转快慢的时间偏差，如果第二直流电机运动更快，则降低占空比输出PWM码给第二直流电机，降低该第二直流电机的速度；反之，则增大占空比输出PWM码给第二直流电机，以增大该第二直流电机的速度。

6.根据权利要求2所述的一种CT机中多电机的同步控制系统，其特征在于，所述输出PWM模块将两个不一样的占空比输出给第一直流电机和第二直流电机，其中，输出给第一直流电机的PWM码是固定占空比，输出给第二个直流电机的PWM码的占空比依据所述PWM占空比调整模块得出。

7.根据权利要求1所述的一种CT机中多电机的同步控制系统，其特征在于，所述主控机是FPGA；所述同步处理单元是可编程器件CPLD或FPGA或MCU，作为同步控制的同步处理单元，根据直流电机反馈的AB相位置信息，实时判断出该直流电机的快或慢，从而调整相应的输出PWM码的占空比。

8.一种CT机中多电机的同步控制方法，其特征在于，所述方法步骤如下：

步骤一、主控机FPGA产生初始脉冲并输出给同步处理单元CPLD，所述初始脉冲是指初始PWM码；

步骤二、由同步处理单元CPLD将所述初始PWM码输出给第一直流电机和第二直流电机，并将第一直流电机输出设置为固定占空比；

步骤三、对由所述同步处理单元CPLD输出给第二直流电机的初始PWM码进行动态调整，根据两个直流电机中的一个所反馈的A相或B相位置信息，对输入的PWM调制码进行动态调制，将调制后的PWM码发送给两个直流电机中的另一个，从而动态地调整这两台直流电机的运动速度。

9.根据权利要求8所述的一种CT机中多电机的同步控制方法，其特征在于，所述步骤三的动态调整过程过程包括：

(a)在T0时刻，计算得到时间t作为基准时间，此时第一直流电机的A相先反馈回来；

(b)在T1时刻，第一直流电机的A相先反馈回来，计算得到时间t1；用t减去t1，得到时间偏差diff_T；如果diff_T是一个负数，说明第一直流电机运动同样的距离使用的时间更少，从而判断出第一直流电机运动更快，第二直流电机运动更慢，因此需要根据diff_T的值大小，增加输出给第二直流电机的占空比，以加快第二直流电机的运动；反之，则减小输出给第二直流电机的占空比，从而减慢第二直流电机的运动速度；

(c)在时刻T2，第一直流电机的A相先反馈回来，计算得到时间t2；用t减去t2，得到时间偏差diff_T；如果diff_T是一个正数，说明第一直流电机运动同样的距离使用的时间更多，从而判断出第一直流电机运动更慢，第二直流电机运动更快，因此需要根据diff_T的值大小，减小输出给第二直流电机的占空比，以减慢第二直流电机的运动速度；反之，则增大输出给第二直流电机的占空比，从而加快第二直流电机的运动速度；

(d)在T3时刻，第二直流电机的A相先反馈回来，计算得到时间t3；用t加上t3，得到时间偏差diff_T；此时，diff_T是一个正数，说明第一直流电机运动同样的距离使用的时间更多，从而判断出第一直流电机运动更慢，第二直流电机运动更快，因此需要根据diff_T的值大小，减小输出给第二直流电机的占空比，以减慢第二直流电机的运动；

(e)反复以上方式调制，在Tn时刻，t与tn基本相等，即第一直流电机与第二直流电机运动相同的距离，使用的时间基本一样，从而达到两个电机运动同步的效果。

10.根据权利要求8或9所述的一种CT机中多电机的同步控制方法，其特征在于，使用FPGA作为主控机，使用CPLD作为同步处理单元，主控机FPGA输出80％的PWM脉冲给同步处理单元CPLD；该同步处理单元CPLD固定地输出75％的PWM脉冲给第一直流电机，输出75％的初始PWM脉冲给第二直流电机。