CN105288867B - 一种放射治疗模拟机旋转运动机构精确控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种放射治疗模拟机旋转运动机构精确控制系统，其包括：显示控制计算机、伺服控制单元、电机驱动器、伺服电机、位置采集单元和逻辑状态单元。其中，伺服控制单元采用速率型PID算法和比例级差算法相结合的速度控制方式，即保证了旋转运动速度的稳定，有利运动中定位影像的观察，又保证了很高的到位精度，到位精度小于0.03度。启停运动控制采用双阈值算法，防止自动到位时产生振荡，停止判断时所用角度a和角度b的差值为0.03度，为启动判断时所用角度a和角度b的差值0.06度的1/2，形成的一个角度阈值区间。这种处理方式可以防止设定单一角度阈值时出现的在阈值附近出现振荡，机架反复抖动的情况。

Description

一种放射治疗模拟机旋转运动机构精确控制系统

技术领域

本发明属于医疗机构控制技术领域，具体涉及一种放射治疗模拟机旋转运动机构精确控制系统。

背景技术

模拟定位机是使用诊断X射线设备模拟放射治疗辐射束的几何条件，定位放射治疗过程中被照射的病灶部位，从而划定治疗辐射野的位置、尺寸等参数。

模拟定位机通常由机架、界定器、治疗床、X光发生器系统、影像接收系统、控制电路系统组成。在模拟定位机的运动部件中，分为旋转运动和直线运动两种，机架、界定器、治疗床公转、治疗床自转属于旋转运动，井字线、铅叶、治疗床前后左右升降、球管升降、增强器升降属于直线运动。旋转运动的部件都是重量大的部件，如机架、治疗床等，而且由于机架上的球管支臂、增强器支臂可以上下运动，处于非平衡状态，因此很难进行精确的控制。

现有模拟定位机的机架、治疗床、界定器等旋转部件的控制方式一般驱动电机采用交流电机，用继电器开环控制电机的正反转来实现旋转，部分模拟定位机使用交流变频器对电机实现调速功能。这种控制方式存在以下不足：

1)开环控制，不能设置到位位置；

2)停止运动时抖动大，容易对球管、增强器等真空部件造成损坏；

3)只能通过检测开关实现特殊角度如0度的复位功能，精度较差，经常出现0度复位后不水平和不垂直的情况。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种放射治疗模拟机旋转运动机构精确控制系统，实现自动减速，平缓停止，消除对球管、增强器等真空部件震动可能造成的损坏。

本发明的放射治疗模拟机旋转运动机构精确控制系统，其包括：显示控制计算机、伺服控制单元、电机驱动器、伺服电机、位置采集单元和逻辑状态单元；

显示控制计算机，将放射治疗模拟机旋转运动机构的机架设置角度的旋转命令通过网络接口发送给伺服控制单元，并实时显示伺服控制单元返回的放射治疗模拟机旋转运动机构的机架当前角度位置和整机的工作状态；

伺服控制单元，接收显示控制计算机的旋转命令，根据旋转命令中的机架设置角度和从位置采集单元获得的机架当前角度采用速率型PID算法和比例级差算法相结合的方式计算伺服电机的运行速度，并采用双阈值算法控制伺服电机的启停运动，然后将伺服电机的运行速度和启停运动指令发送控制电机驱动器；以及接收逻辑状态单元检测的模拟定位机整机的工作状态和位置采集单元采集的机架当前角度位置，并将其转发至显示控制计算机；

电机驱动器，根据伺服控制单元的伺服电机的运行速度和启停运动指令驱动伺服电机，以控制放射治疗模拟机旋转运动机构的运行速度和启停，其中，电机驱动器初始状态下强电断开、伺服电机刹车锁死；

逻辑状态单元，检测模拟定位机整机的工作状态，并将其送入伺服控制单元；

位置采集单元，利用旋转编码器采集放射治疗模拟机旋转运动机构的机架当前角度位置，并将放射治疗模拟机旋转运动机构的机架当前角度位置实时发送至伺服控制单元，且位置采集单元的接口时序根据伺服控制单元的FPGA器件进行设定；

其中，伺服控制单元采用速率型PID算法和比例级差算法相结合的方式为：当机架设置角度和机架当前角度的差大于或等于6度时，保持伺服电机的驱动速度为放射治疗模拟机专用安全标准规定的最高速度；当机架设置角度和机架当前角度的差大于3度且小于6度时，采用比例级差算法计算伺服电机的驱动速度；当机架设置角度和机架当前角度的差小于或等于3度时，采用速率型PID算法计算伺服电机的驱动速度；且当根据逻辑状态单元发送的整机的工作状态检测到模拟定位机运动部件出现碰撞或限位连锁信号时，直接控制电机驱动器将伺服电机锁死；

伺服控制单元采用双阈值算法控制伺服电机的启停运动的内容为：

若机架设置角度和当前角度的差值大于0.06度，则认为机架未到位，松开伺服电机的刹车，电机驱动器加强电允许，伺服电机准备运转；否则认为机架到位，保持伺服电机的刹车锁死；

当伺服电机开始运转后，伺服控制单元根据机架设置角度和当前角度的差值判断机架是否已经到达设定角度位置，若差值小于或等于0.03度，则认为机架已经到达设定角度位置，伺服控制单元此时输出的伺服电机驱动速度为0，并且锁死伺服电机的刹车，断掉电机驱动器的强电；若差值大于0.03度，则认为机架未运动至设定角度位置，继续保持伺服控制单元的电机驱动速度输出。

进一步的，放射治疗模拟机旋转运动机构包括：机架、界定器、治疗床公转和治疗床自转，均由伺服电机驱动其运动。

本发明具有如下有益效果：

1)本发明的伺服控制单元采集各运动部件的旋转编码器为16位，输出信号为多圈16位数据长度，分辨率高，精度可小于0.006度；其接口时序通过FPGA器件进行设定，可提高数据传输的准确性。

2)本发明的伺服控制单元采用速率型PID算法和比例级差算法相结合的速度控制方式，即保证了旋转运动速度的稳定，有利运动中定位影像的观察，又保证了很高的到位精度，到位精度小于0.03度。

通过适当选择速率型PID算法的P、I、D三个参数，计算出的速度c精度高、系统稳定度好，但单独使用速率型PID算法耗时较多，在角度a和角度b相差较大时会出现计算出的电机速度c过大，加快机械磨损，并且电机速度c在到位停止前始终变化，不利于旋转中定位图像的观察。而在本系统中，当角度a和角度b的差大于6度时，速度c为最高速度，当角度a和角度b的差大于3°并小于6°时，采用比例级差算法计算速度c；当角度a和角度b的差小于或等于3度时，采用速率型PID算法计算速度c，，这样的好处一是加快运算速度，二是设定了最大速度限制，保护了机械机构，三是运转时在各角度分段中速度稳定，有利了定位图像的观察。两种算法相结合的方式在机架在接近设置位置角度时，速度越来越低，因此可以精确到达设定位置，不会出现过冲或提前停止的现象。

3)停止运动控制采用双阈值算法，防止自动到位时产生振荡。停止判断时所用角度a和角度b的差值为0.03度，为启动判断时所用角度a和角度b的差值0.06度的1/2，形成的一个角度阈值区间。这种处理方式可以防止设定单一角度阈值时出现的在阈值附近出现振荡，机架反复抖动的情况。

4)机架、界定器、治疗床公转和治疗床自转等放射治疗模拟机旋转运动机构，均由伺服电机驱动其运动，四种运动部件公用一套放射治疗模拟机旋转运动机构精确控制系统，工作时通过地址片选信号选择不同的通道以实现不同运动部件的控制。各通道的伺服控制单元器件可互换，扩展性强，维修方便。

附图说明

图1为本发明的放射治疗模拟机旋转运动机构精确控制系统示意图；

图2为本发明的放射治疗模拟机旋转运动机构精确控制系统的伺服控制单元流程图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如图1所示，本发明的放射治疗模拟机旋转运动机构精确控制系统包括：显示控制计算机、伺服控制单元、电机驱动器、伺服电机、位置采集单元和逻辑状态单元；

显示控制计算机，将放射治疗模拟机旋转运动机构的设置角度的旋转命令通过网络接口发送给伺服控制单元，并实时显示伺服控制单元返回的运动部件的角度位置信号和整机的工作状态；

伺服控制单元，接收显示控制计算机的旋转命令，根据旋转命令中的机架设置角度和从位置采集单元获得的机架当前角度采用速率型PID算法和比例级差算法相结合的方式计算伺服电机的运行速度，并采用双阈值算法控制伺服电机的启停运动，然后将伺服电机的运行速度和启停运动指令发送控制电机驱动器；以及接收逻辑状态单元检测的模拟定位机整机的工作状态和位置采集单元采集的机架当前角度位置，并将其转发至显示控制计算机；

电机驱动器，根据伺服控制单元的伺服电机的运行速度和启停运动指令驱动伺服电机，以控制放射治疗模拟机旋转运动机构的运行速度和启停，其中，电机驱动器初始状态下强电断开、伺服电机刹车锁死；

逻辑状态单元，检测模拟定位机整机的工作状态，并将其送入伺服控制单元；

位置采集单元，利用旋转编码器采集放射治疗模拟机旋转运动机构的机架当前角度位置，并将放射治疗模拟机旋转运动机构的机架当前角度位置实时发送至伺服控制单元，且位置采集单元的接口时序根据伺服控制单元的FPGA器件进行设定；

其中，伺服控制单元采用速率型PID算法和比例级差算法相结合的方式为：当机架设置角度和当前角度的差大于或等于6度时，保持伺服电机的驱动速度为放射治疗模拟机专用安全标准规定的最高速度；当机架设置角度和机架当前角度的差大于3度且小于6度时，采用比例级差算法计算伺服电机的驱动速度；当机架设置角度和机架当前角度的差小于或等于3度时，采用速率型PID算法计算伺服电机的驱动速度；且当根据逻辑状态单元发送的整机的工作状态检测到放射治疗模拟机旋转运动机构出现碰撞或限位连锁信号时，直接控制电机驱动器将伺服电机锁死；

伺服控制单元采用双阈值算法控制伺服电机的启停运动的内容为：若机架设置角度和当前角度的差值大于0.06度，则认为机架未到位，松开伺服电机的刹车，电机驱动器加强电允许，伺服电机准备运转；否则认为机架到位，保持伺服电机的刹车锁死；当伺服电机开始运转后，伺服控制单元根据机架设置角度和当前角度的差值判断机架是否已经到达设定角度位置，若差值小于或等于0.03度，则认为机架已经到达设定角度位置，伺服控制单元此时输出的伺服电机驱动速度为0，并且锁死伺服电机的刹车，断掉电机驱动器的强电；若差值大于0.03度，则认为机架未运动至设定角度位置，继续保持伺服控制单元的电机驱动速度输出。

进一步的，放射治疗模拟机旋转运动机构包括：机架、界定器、治疗床公转和治疗床自转，均由伺服电机驱动其运动。四种放射治疗模拟机旋转运动机构共用上述放射治疗模拟机旋转运动机构精确控制系统，显示控制计算机通过四个通道分别与伺服控制单元相接，工作时通过地址片选信号选择不同的通道以实现不同放射治疗模拟机旋转运动机构的控制。机架、界定器、治疗床公转和治疗床自转对应的四种通道分别为：机架控制通道、界定器控制通道、治疗床公转控制通道、疗床自转控制通道。

上述显示控制计算机采用PC机，运动Windows环境下，安装在控制室内，接收操作人员的指令。伺服控制单元中采用基于PC104总线的嵌入式计算机作为主控单元，外围电路功能采用FPGA实现，安装在模拟定位机的电气柜内的电路母板上；嵌入式计算机的操作系统采用实时操作系统Vxworks，系统时间片为0.5ms，主伺服控制时间片为10ms，即主伺服控制程序每秒循环运行100次，保证伺服控制的高实时性。连锁信号包括：正反转限位、碰撞联锁、SAD设置、机架135度联锁等信号。伺服电机和电机驱动器是旋转运动的执行机构。旋转编码器的输出信号为多圈16位数据长度，分辨率高，精度可小于0.006度；其接口时序通过伺服控制板FPGA器件进行设定，可提高数据传输的准确性。

本发明的伺服控制单元的工作流程如图2所示。

系统加电后，首先进行系统初始化，设置网络端口、网络地址、采样间隔、各线程优先级别等参数，伺服电机刹车锁死、驱动器强电断开。

然后整个系统状态检测，检查模拟定位机的工作状态，如果出现故障，则进行故障处理，将故障码回送显示控制计算机。如果未检测到故障，则接收显示控制计算机发送的指令。

由于各运动通道的工作原理一致，下面以自动设置机架角度来说明控制过程。步骤1，伺服控制单元收到显示控制计算机的设置机架自动到位角度a的旋转指令，向机架通道发出选通信号，控制相应通道的伺服控制器工作。

步骤2，伺服控制单元采集位置采集单元即旋转编码器的信号，得到机架当前实际角度b。

步骤3，伺服控制单元判断机架设置角度和当前角度，若两者的差大于0.06度，则认为机架未到位，松开伺服电机的刹车，电机驱动器加强电允许，电机准备运转。

步骤4，根据机架自动到位设置角度a和机架当前实际角度b，计算出机架驱动电机的速度c，然后向电机驱动器发送速度控制信号，启动电机运转。

计算时，采用速率型PID算法和比例级差算法相结合。通过适当选择速率型PID算法的P、I、D三个参数，计算出的速度c精度高、系统稳定度好，但单独使用速率型PID算法耗时较多，在角度a和角度b相差较大时会出现计算出的电机速度c过大，加快机械磨损，并且电机速度c在到位停止前始终变化，不利于旋转中定位图像的观察。所以，在本系统中，当角度a和角度b的差大于6度时，速度c为最高速度，当角度a和角度b的差大于3°并小于6°时，采用比例级差算法计算速度c；当角度a和角度b的差小于或等于3度时，采用速率型PID算法计算速度c，这样的好处一是加快运算速度，二是设定了最大速度限制，保护了机械机构，三是运转时在各角度分段中速度稳定，有利了定位图像的观察。

步骤5，当电机启动开始运动后，伺服控制单元根据角度a和角度b的差值判断机架是否已经到达设定角度位置。角度a和角度b的差值小于0.03度时，则认为机架已经到达设定角度位置，伺服控制计算机此时输出的速度c为0，并且锁死电机刹车，断掉电机驱动器的强电。到位的最大误差即0.03度。

停止判断时所用角度a和角度b的差值为0.03度，为启动判断时所用角度a和角度b的差值0.06度的1/2，形成的一个角度阈值区间。这种处理方式可以防止设定单一角度阈值时出现的在阈值附近出现振荡，机架反复抖动的情况。电机运转过程中，逻辑状态单元若检测到正反最大角度限位、发生碰撞等连锁信号，伺服控制计算机则控制电机停止运动，知道连锁解除，才能继续运行，以保证设备和患者的安全。

实施例

根据放射治疗模拟机专用安全标准的要求，设定旋转最高速度为6°/S。当角度a和角度b的差大于6°时，速度c为最高速度为6°/S；当角度a和角度b的差大于3°且小于6°时，采用比例级差算法计算速度c；当角度a和角度b的差小于或等于3°时，采用速率型PID算法计算速度c。这样的好处一是加快运算速度，二是设定了最大速度限制，保护了机械机构，三是旋转时速度稳定，有利了定位图像的观察。

当3°<|a-b|<6°时，比例级差算法如下：

C＝int(|a-b|)-1

即在此区间，旋转速度由最高速度6°/S分段减速至2°/S，不会出现突然减速的顿挫。

当|a-b|≤3°度时，速率型PID算法如下：

Δu(t)＝q₀e(t)+q₁e(t-1)+q₂e(t-2)

当|e(t)|≤β时

q₀＝K_p(1+T/T_i+T_d/T)

q₁＝-K_p(1+2T_d/T)

q₂＝K_pT_d/T

当|e(t)|＞β时

q₀＝K_p(1+T_d/T)

q₁＝-K_p(1+2T_d/T)

q₂＝K_p T_d/T

u(t)＝u(t-1)+Δu(t)(要对u(t)做一个限定值)

注：各符号含义如下

u(t)伺服电机速度c。

e(t)当前角度位置与设定角度位置间的误差。

K_p比例系数。

T_i积分时间常数。

T_d微分时间常数。

T调节周期。

β积分分离阈值

通过以上计算可以看出，在机架在接近设置位置角度时，速度越来越低，因此可以精确到达设定位置，不会出现过冲或提前停止的现象。停止判断时所用角度a和角度b的差值为0.03°，为启动判断时角度差值0.06°的1/2，形成的一个角度阈值区间。这种处理方式可以防止采用单一停止角度判断值时，如果机架正好停在与设定角度a±0.03°附近时，由于角度采样误差的原因，控制算法会在停止角度判断值附近出现振荡而导致机架反复抖动的情况。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种放射治疗模拟机旋转运动机构精确控制系统，其特征在于，包括：显示控制计算机、伺服控制单元、电机驱动器、伺服电机、位置采集单元和逻辑状态单元；

显示控制计算机，将放射治疗模拟机旋转运动机构的机架设置角度的旋转命令通过网络接口发送给伺服控制单元，并实时显示伺服控制单元返回的放射治疗模拟机旋转运动机构的机架当前角度位置和整机的工作状态；

伺服控制单元，接收显示控制计算机的旋转命令，根据旋转命令中的机架设置角度和从位置采集单元获得的机架当前角度采用速率型PID算法和比例级差算法相结合的方式计算伺服电机的运行速度，并采用双阈值算法控制伺服电机的启停运动，然后将伺服电机的运行速度和启停运动指令发送控制电机驱动器；以及接收逻辑状态单元检测的模拟定位机整机的工作状态和位置采集单元采集的机架当前角度位置，并将其转发至显示控制计算机；

电机驱动器，根据伺服控制单元的伺服电机的运行速度和启停运动指令驱动伺服电机，以控制放射治疗模拟机旋转运动机构的运行速度和启停，其中，电机驱动器初始状态下强电断开、伺服电机刹车锁死；

逻辑状态单元，检测模拟定位机整机的工作状态，并将其送入伺服控制单元；

位置采集单元，利用旋转编码器采集放射治疗模拟机旋转运动机构的机架当前角度位置，并将放射治疗模拟机旋转运动机构的机架当前角度位置实时发送至伺服控制单元，且位置采集单元的接口时序根据伺服控制单元的FPGA器件进行设定；

其中，伺服控制单元采用速率型PID算法和比例级差算法相结合的方式为：当机架设置角度和机架当前角度的差大于或等于6度时，保持伺服电机的驱动速度为6°/S；当机架设置角度和机架当前角度的差大于3度且小于6度时，采用比例级差算法计算伺服电机的驱动速度；当机架设置角度和机架当前角度的差小于或等于3度时，采用速率型PID算法计算伺服电机的驱动速度；且当根据逻辑状态单元发送的整机的工作状态检测到模拟定位机运动部件出现碰撞或限位连锁信号时，直接控制电机驱动器将伺服电机锁死；

伺服控制单元采用双阈值算法控制伺服电机的启停运动的内容为：

若机架设置角度和当前角度的差值大于0.06度，则认为机架未到位，松开伺服电机的刹车，电机驱动器加强电允许，伺服电机准备运转；否则认为机架到位，保持伺服电机的刹车锁死；

当伺服电机开始运转后，伺服控制单元根据机架设置角度和当前角度的差值判断机架是否已经到达设定角度位置，若差值小于或等于0.03度，则认为机架已经到达设定角度位置，伺服控制单元此时输出的伺服电机驱动速度为0，并且锁死伺服电机的刹车，断掉电机驱动器的强电；若差值大于0.03度，则认为机架未运动至设定角度位置，继续保持伺服控制单元的电机驱动速度输出；

其中，当3°<|a-b|<6°时，比例级差算法如下：

c＝int(|a-b|)-1；

当|a-b|≤3°度时，速率型PID算法如下：

Δu(t)＝q₀e(t)+q₁e(t-1)+q₂e(t-2)；

当|e(t)|≤β时，

q₀＝K_p(1+T/T_i+T_d/T)；

q₁＝-K_p(1+2T_d/T)；

q₂＝K_pT_d/T；

当|e(t)|＞β时，

q₀＝K_p(1+T_d/T)；

q₁＝-K_p(1+2T_d/T)；

q₂＝K_p T_d/T；

u(t)＝u(t-1)+Δu(t)；

其中，a为机架自动到位设置角度，b为机架当前实际角度，u(t)、c为伺服电机速度，e(t)为当前角度位置与设定角度位置间的误差，K_p为比例系数，T_i为积分时间常数，T_d为微分时间常数，T为调节周期，β为积分分离阈值。

2.如权利要求1所述的放射治疗模拟机旋转运动机构精确控制系统，其特征在于，放射治疗模拟机旋转运动机构包括：机架、界定器、治疗床公转和治疗床自转，均由伺服电机驱动其运动。