CN105302162A - 一种医用加速器机架的控制驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种医用加速器机架的控制驱动方法，其包括：步骤1，V/F输出：实时采样机架角度信息，解析后将其发送给V/F输出单元和判断单元；V/F输出单元将机架角度信息转换为频率值后实时输出给主控机；步骤2，主控机判断机架标零单元是否完成机架标零操作，若已完成则执行步骤4；若未完成则执行步骤3；步骤3，执行机架标零操作后执行步骤4；步骤4，主控机发送旋转指令给主机命令响应单元，主机命令响应单元响应该旋转指令并将其发送至变频单元，变频单元根据该旋转指令进行机架的三级变速控制。本发明采用医用加速器机架的控制驱动系统实现医用加速器机架的控制驱动，具有可靠性好、机架旋转控制精度高等优势。

Description

一种医用加速器机架的控制驱动方法

技术领域

本发明属于医疗和工业辐照应用的电子直线加速器技术领域，具体涉及一种医用加速器机架的控制驱动方法。

背景技术

在中高能医用电子直线加速器应用中，自动弧度治疗功能是系统的重要和特色功能之一。

为了保证自动弧度治疗功能的实现，需要对机架旋转实现精确的控制，保证机架旋转的到位精度高，达到系统指标。在治疗的过程中可随时调整机架的运行速度，机架的旋转速度应能在规定的速度范围内可控。机架旋转要求有刹车的功能，能够在紧急的情况下在极短的时间内停止机架的运动。

目前医用加速器机架控制驱动系统结构比较复杂，机架的到位精度较差，容易受到干扰，工作不稳定，异常状态下保护措施不完善，无法高质量地完成自动弧度治疗任务。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种医用加速器机架的控制驱动方法，具有可靠性好、机架旋转控制精度高等优势。

本发明的医用加速器机架的控制驱动方法，其采用医用加速器机架的控制驱动系统实现医用加速器机架的控制驱动：

其中，所述医用加速器机架的控制驱动系统包括：主控机、RS485串口通讯模块、变频器、电机、光电编码器、光电编码器解析模块、电机刹车模块和机架旋转精确控制模块；所述RS485串口通讯模块，其包括：第一RS485标准串口和第二RS485标准串口；所述机架旋转精确控制模块，包括判断单元、机架标零单元、变频单元、刹车单元、主机命令响应单元和V/F输出单元；

步骤1，V/F输出：利用光电编码器实时采样机架角度信息，并将该机架角度信息编码后发送至光电编码器解析模块；利用光电编码器解析模块进行光电编码器的机架角度信息的解析，并将其发送给V/F输出单元和判断单元；V/F输出单元将光电编码器解析模块获得的机架角度信息转换为频率值后通过第一RS485标准串口实时输出给主控机；

步骤2，主控机根据机架运动换算公式计算出机架的当前角度，再判断机架标零单元是否完成机架标零操作，若已完成机架标零操作则执行步骤4；若未完成机架标零操作，则执行步骤3；

步骤3，主控机通过第一RS485标准串口发送标零指令给主机命令响应单元，主机命令响应单元响应该标零指令并将其发送至机架标零单元，机架标零单元根据所述标零指令将机架当前角度作为初始角度位置以实现机架标零操作，即实现机架0°的设置工作；然后执行步骤4；

步骤4，主控机发送旋转指令给主机命令响应单元，主机命令响应单元响应该旋转指令并将其发送至变频单元，变频单元根据该旋转指令进行机架的三级变速控制：

步骤41，读取光电编码器解析模块中机架角度信息的绝对编码值，将绝对编码值换算成机架当前角度值，然后判断机架当前角度值是否大于或等于主控机设定角度，若大于或等于则进入步骤42的机架正转分支流程，小于则进入步骤43的机架反转分支流程；

步骤42，在正转分支流程中，此时机架当前角度值逐渐减小逼近主控机设定角度，当机架当前角度值减去主控机设定角度之差大于10度时，通过第二RS485串口给变频器发送频率为30Hz的正转指令从而控制电机以高速为30Hz正转；当机架当前角度值减去主控机设定角度之差小于或等于10度但大于5度时，通过第二RS485串口给变频器发送频率为15Hz的正转指令从而控制机架电机以中速为15Hz正转；当机架当前角度值减去主控机设定角度之差小于或等于5度但大于0.1度时，通过第二RS485串口给变频器发送频率为5Hz的正转指令从而控制机架电机以低速为5Hz正转；当机架当前角度值减去主控机设定角度之差达到第一门限阈值T₁＝0.1°时，执行步骤44；

步骤43，在反转分支流程中，此时机架当前角度值逐渐增大逼近主控机设定角度，当主控机设定角度减去机架当前角度值之差大于10度时，通过第二RS485串口给变频器发送频率为30Hz的反转指令从而控制机架电机以高速为30Hz反转；当主控机设定角度减去机架当前角度值之差小于或等于10度但大于5度时，通过第二RS485串口给变频器发送频率为15Hz的反转指令从而控制机架电机以中速为15Hz反转；当主控机设定角度减去机架当前角度值之差小于或等于5度但大于0.1度时，通过第二RS485串口给变频器发送频率为5Hz的反转指令从而控制机架电机以低速为5Hz反转；当主控机设定角度减去机架当前角度值之差达到第一门限阈值T₁＝0.1°时，执行步骤44；

步骤44，判断单元根据主控机发送的旋转设定角度和机架当前角度位置自动判断机架到位时产生第一刹车指令给刹车单元，所述刹车单元根据第一刹车指令启动电机刹车模块实现电机的抱闸，待电机停止后，机架运动到位。

进一步的，步骤44中，在机架根据第一刹车指令开始执行抱闸后的减速过程中，当机架当前角度值减去主控机设定角度之差达到第二门限阈值T₂＝0.04°时，判断单元自动产生第二刹车指令给刹车单元，所述刹车单元根据第二刹车指令信号再次启动电机刹车模块实现电机的抱闸，待电机停止后，机架运动到位。

进一步的，第一RS485标准串口的通信波特率为9600bit/s，第二RS485标准串口的通信波特率为19200bit/s。

本发明具有如下有益效果：

1、该控制驱动系统采用光电编码器，保证了编码采样的精度，比A/D芯片的数字量化精度高得多，不受噪声的影响，实现了机架位置信息的准确反馈。

2、控制精度高。首先光电编码器实现机架位置信息的准确反馈，机架旋转精确控制模块中的三级变速控制实现了自动调整机架的运行速度，在很小的误差范围内进行自动刹车，使得机架的到位精度达到0.06°左右，方差为0.01°。

3、设计双门限刹车，是由于机架旋转运动的惯性原因，做了刹车双重保护。当越过第一门限阈值T₁＝0.1°时，产生第一级刹车，但由于运动惯性机架继续旋转微小角度，此时机架的旋转到位精度为0.06°左右，方差为0.01°。若第一级刹车失效(基本不会)，当越过第二门限阈值T₂＝0.04°时，产生第二级刹车，同理由于运动惯性，机架的旋转到位精度为0°左右，方差为0.01°。所以实际上机架的旋转到位精度为0.06°左右，方差为0.01°。

附图说明

图1为本发明的医用加速器机架的控制驱动方法的系统示意图；

图2为本发明的医用加速器机架的控制驱动方法流程图。

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。

本发明的医用加速器机架的控制驱动方法，其采用医用加速器机架的控制驱动系统实现医用加速器机架的控制驱动。如图1所示，所述的医用加速器机架的控制驱动系统，其包括：主控机、RS485串口通讯模块、变频器、电机、光电编码器、光电编码器解析模块、电机刹车模块和机架旋转精确控制模块，被控对象为机架；

所述RS485串口通讯模块，其包括：第一RS485标准串口和第二RS485标准串口。

所述主控机，通过第一RS485标准串口与机架旋转精确控制模块进行通讯，发送机架的旋转控制指令，接收并实时显示机架的角度信息；

所述机架旋转精确控制模块，包括判断单元、机架标零单元、变频单元、刹车单元、主机命令响应单元和V/F输出单元，其中，主机命令响应单元通过第一RS485标准串口接收主控机的旋转控制指令，并根据该旋转控制指令产生实现机架旋转所需的机架标零指令、旋转指令和刹车指令，分别将其发送给相应的机架标零单元、变频单元和刹车单元；机架标零单元根据所述机架标零指令将机架当前角度作为初始角度位置以实现机架标零操作，即实现机架0°的设置工作；变频单元根据所述旋转指令通过第二RS485标准串口实现变频器对电机的驱动，从而实现机架旋转的高中低速三级变速控制；判断单元根据主控机发送的旋转设定角度和机架当前角度位置自动判断机架到位时产生刹车指令；刹车单元根据从主机命令响应单元或判断单元接收的刹车指令启动电机刹车模块实现电机的抱闸，从而实现机架的停止；V/F输出单元将光电编码器解析模块获得的机架角度信息转换为频率值后通过第一RS485标准串口实时输出给主控机；

所述光电编码器，采用绝对值光电码盘实时采样机架角度信息，并将该机架角度信息编码后发送至光电编码器解析模块；

所述光电编码器解析模块，用于解析光电编码器的机架角度信息，完成机架角度信息对应25bit绝对编码数字量的映射，获得机架角度信息并将其发送给V/F输出单元和判断单元。

所述电机刹车模块收到第一刹车指令信号、第二刹车指令信号或第一刹车指令信号和第二刹车指令信号时，均产生电机的刹车信号，使电机抱闸。

所述判断单元产生的刹车指令包括第一刹车指令和第二刹车指令：

所述判断单元内设第一门限阈值和第二门限阈值，且第一门限阈值大于第二门限阈值，并与实时接收的机架角度进行比较：若主控机设定角度位置与机架当前角度位置之差的绝对值小于或等于第一门限阈值时，产生第一刹车指令信号给刹车单元；若是主控机设定角度位置与机架当前角度位置之差的绝对值小于或等于第二门限阈值时，产生第二刹车指令信号给刹车单元；

所述电机刹车模块收到第一刹车指令和第二刹车指令中的任意一个时，均产生电机的刹车信号。

第一RS485标准串口的通信波特率为9600bit/s，第二RS485标准串口的通信波特率为19200bit/s。第一门限阈值T₁＝0.1°，第二门限阈值T₂＝0.04°。

光电编码器输出的差分时钟clock±和差分串行数据线data±输入到光电编码器解析模块，光电编码器解析模块根据时序要求完成编码采样数据的串并转换，提取出25bit绝对编码数字量信息(其中高13bit为圈数，低12bit为每圈分辨率，即1-4096)，完成机架位置信息对应编码数字量的映射。

因为机架旋转角度值与机架位置信息的绝对编码值是成线性关系，称之为机架运动换算公式，用下面式子(1)来描述。

y＝k·x+b(1)

上面式子中，y为机架旋转角度值，单位是度(°)；x为机架位置信息的绝对编码值；k为常数，是斜率；b为常数，是截距。

首先，在对机架旋转进行控制之前，要通过测试多组采样点值(x_i,y_i)计算出机架运动换算公式中的斜率值k。按以下公式(2)计算斜率值k：

$\begin{array}{ccc}{k}_m=(y_i-y_j)/(x_i-x_j),& i\≠j,& i,j=1,2,...,n,(n\≥2)\\ k=(k_1+k_2+...+k_m)/m,& m=C_n^2& \end{array}---\left(2\right)$

上面式子中，y_i，y_j为机架旋转角度值，单位是度(°)；x_i，x_j为机架位置信息的绝对编码值；k_m为常数，是斜率，是得到的第m个斜率值。是n个测试采样点中取2个的组合数。k是上述斜率值k_m的均值。另外，在没有对机架进行标零前，设置截距b＝0，机架旋转一圈范围内的对应的绝对编码值最大值x_max＝0x1FFFFFF和最小值x_min＝0，绝对编码值最大值和最小值为16进制光电编码值。

然后，进入机架旋转精确控制模块的控制流程。

如图2所示，该图说明了本发明的医用加速器机架的控制驱动方法的详细流程。

步骤1，V/F输出：利用光电编码器实时采样机架角度信息，并将该机架角度信息编码后发送至光电编码器解析模块；利用光电编码器解析模块进行光电编码器的机架角度信息的解析，完成机架位置信息对应25bit绝对编码数字量的映射，获得机架角度信息后将其发送给V/F输出单元和判断单元；V/F输出单元将光电编码器解析模块获得的机架角度信息转换为频率值后通过第一RS485标准串口实时输出给主控机；

步骤2，主控机根据机架运动换算公式计算出机架的当前角度，再判断机架标零单元是否完成机架标零操作，若已完成机架标零操作则执行步骤4；若未完成机架标零操作，则执行步骤3；

先读取光电编码器解析模块中机架位置信息的绝对编码值，根据机架运动换算公式(即公式(1))计算出机架的角度；根据V/F换算公式，把机架角度换算成频率信息后(此时为250KHz)，通过RS485串口1送给主控机；V/F换算公式如公式(3)所示。

V_F＝a+250(3)上面式子中，V_F为机架角度对应的频率值，单位为KHz；a为机架角度，单位是度(°)。

步骤3，主控机通过第一RS485标准串口发送标零指令给主机命令响应单元，主机命令响应单元响应该标零指令并将其发送至机架标零单元，机架标零单元根据所述标零指令将机架当前角度作为初始角度位置以实现机架标零操作，即实现机架0°的设置工作；然后执行步骤4。

主控机命令响应，整个系统的软件流程循环不停的从RS485串口1中接收主控机命令。若接收到机架旋转命令，则进行机架三级变速控制中的发变频器指令、刹车指令等操作。若接收到机架标零命令，则进行机架三级变速控制中的机架标零操作。若接收到机架停止命令，则进行机架三级变速控制中的机架停止操作。

步骤4，主控机发送旋转指令给主机命令响应单元，主机命令响应单元响应该旋转指令将其发送至变频单元，变频单元根据该旋转指令进行机架的三级变速控制：

步骤41，读取光电编码器解析模块中机架角度信息的绝对编码值，将绝对编码值换算成机架当前角度值，然后判断机架当前角度值是否大于或等于主控机设定角度，若大于或等于则进入步骤42的机架正转分支流程，小于则进入步骤43的机架反转分支流程；

根据机架运动换算公式(公式(1))的变换形式(b＝y-k·x)，通过已知的斜率k和机架位置信息的绝对编码值x计算出截距值b；因为此时y＝0，所以b＝-k·x；相继得出机架旋转一圈范围内的对应的绝对编码值最大值x_max(即x_max＝(180-b)/k)和最小值x_min(即x_min＝(-180-b)/k),同时把得到的b、x_max、x_min值写入非易失性存储器中保存(如FLASH)，以便下次上电重新使用，关机后重启系统不用重新标零。

步骤42，在正转分支流程中，此时机架当前角度值逐渐减小逼近参考角度。当机架当前角度值减去参考角度之差大于10度时，控制机架电机以高速为30Hz正转(此时给变频器发送频率为30Hz指令、正转指令，通过第二RS485串口送给变频器)，小于或等于10度但大于5度时，控制机架电机以中速为15Hz正转(此时给变频器发送频率为15Hz指令、正转指令，通过第二RS485串口送给变频器)，小于或等于5度但大于0.1度时(即未到门限阈值T₁＝0.1°)，控制机架电机以低速为5Hz正转(此时给变频器发送频率为5Hz指令、正转指令，通过第二RS485串口送给变频器)，这就是所谓的三级变速控制。当机架当前角度值减去参考角度达到门限阈值T₁＝0.1°时，执行步骤44。

步骤43，在反转分支流程中，此时机架当前角度值逐渐增大逼近参考角度。当参考角度减去机架当前角度值之差大于10度时，控制机架电机以高速为30Hz反转(此时给变频器发送频率为30Hz指令、反转指令，通过第二RS485串口送给变频器)，小于或等于10度但大于5度时，控制机架电机以中速为15Hz反转(此时给变频器发送频率为15Hz指令、反转指令，通过第二RS485串口送给变频器)，小于或等于5度但大于0.1度时(即未到门限阈值T₁＝0.1°)，控制机架电机以低速为5Hz反转(此时给变频器发送频率为5Hz指令、反转指令，通过第二RS485串口送给变频器)。当参考角度减去机架当前角度值达到门限阈值T₁＝0.1°时，执行步骤44。

步骤44，判断单元根据主控机发送的旋转设定角度和机架当前角度位置自动判断机架到位时产生第一刹车指令给刹车单元，所述刹车单元根据第一刹车指令启动电机刹车模块实现电机的抱闸，待电机停止后，机架运动到位。

其中，当机架旋转运行时，可随时让其停止运动。此时控制机架电机停止，给变频器发送停止指令，通过RS485串口2送给变频器，并发送刹车指令1给电机刹车模块。

进一步的，步骤44中，在机架根据第一刹车指令开始执行抱闸后的减速过程中，当机架当前角度值减去主控机设定角度之差达到第二门限阈值T₂＝0.04°时，判断单元自动产生第二刹车指令给刹车单元，所述刹车单元根据第二刹车指令信号再次启动电机刹车模块实现电机的抱闸，待电机停止后，机架运动到位。

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 (3)

1.一种医用加速器机架的控制驱动方法，其特征在于，其采用医用加速器机架的控制驱动系统实现医用加速器机架的控制驱动：

其中，所述医用加速器机架的控制驱动系统包括：主控机、RS485串口通讯模块、变频器、电机、光电编码器、光电编码器解析模块、电机刹车模块和机架旋转精确控制模块；所述RS485串口通讯模块，其包括：第一RS485标准串口和第二RS485标准串口；所述机架旋转精确控制模块，包括判断单元、机架标零单元、变频单元、刹车单元、主机命令响应单元和V/F输出单元；

步骤1，V/F输出：利用光电编码器实时采样机架角度信息，并将该机架角度信息编码后发送至光电编码器解析模块；利用光电编码器解析模块进行光电编码器的机架角度信息的解析，并将其发送给V/F输出单元和判断单元；V/F输出单元将光电编码器解析模块获得的机架角度信息转换为频率值后通过第一RS485标准串口实时输出给主控机；

步骤2，主控机根据机架运动换算公式计算出机架的当前角度，再判断机架标零单元是否完成机架标零操作，若已完成机架标零操作则执行步骤4；若未完成机架标零操作，则执行步骤3；

步骤3，主控机通过第一RS485标准串口发送标零指令给主机命令响应单元，主机命令响应单元响应该标零指令并将其发送至机架标零单元，机架标零单元根据所述标零指令将机架当前角度作为初始角度位置以实现机架标零操作，即实现机架0°的设置工作；然后执行步骤4；

步骤4，主控机发送旋转指令给主机命令响应单元，主机命令响应单元响应该旋转指令并将其发送至变频单元，变频单元根据该旋转指令进行机架的三级变速控制：

步骤41，读取光电编码器解析模块中机架角度信息的绝对编码值，将绝对编码值换算成机架当前角度值，然后判断机架当前角度值是否大于或等于主控机设定角度，若大于或等于则进入步骤42的机架正转分支流程，小于则进入步骤43的机架反转分支流程；

步骤42，在正转分支流程中，此时机架当前角度值逐渐减小逼近主控机设定角度，当机架当前角度值减去主控机设定角度之差大于10度时，通过第二RS485串口给变频器发送频率为30Hz的正转指令从而控制电机以高速为30Hz正转；当机架当前角度值减去主控机设定角度之差小于或等于10度但大于5度时，通过第二RS485串口给变频器发送频率为15Hz的正转指令从而控制机架电机以中速为15Hz正转；当机架当前角度值减去主控机设定角度之差小于或等于5度但大于0.1度时，通过第二RS485串口给变频器发送频率为5Hz的正转指令从而控制机架电机以低速为5Hz正转；当机架当前角度值减去主控机设定角度之差达到第一门限阈值T₁＝0.1°时，执行步骤44；

步骤43，在反转分支流程中，此时机架当前角度值逐渐增大逼近主控机设定角度，当主控机设定角度减去机架当前角度值之差大于10度时，通过第二RS485串口给变频器发送频率为30Hz的反转指令从而控制机架电机以高速为30Hz反转；当主控机设定角度减去机架当前角度值之差小于或等于10度但大于5度时，通过第二RS485串口给变频器发送频率为15Hz的反转指令从而控制机架电机以中速为15Hz反转；当主控机设定角度减去机架当前角度值之差小于或等于5度但大于0.1度时，通过第二RS485串口给变频器发送频率为5Hz的反转指令从而控制机架电机以低速为5Hz反转；当主控机设定角度减去机架当前角度值之差达到第一门限阈值T₁＝0.1°时，执行步骤44；

步骤44，判断单元根据主控机发送的旋转设定角度和机架当前角度位置自动判断机架到位时产生第一刹车指令给刹车单元，所述刹车单元根据第一刹车指令启动电机刹车模块实现电机的抱闸，待电机停止后，机架运动到位。

2.如权利要求1所述的医用加速器机架精确控制驱动方法，其特征在于，

步骤44中，在机架根据第一刹车指令开始执行抱闸后的减速过程中，当机架当前角度值减去主控机设定角度之差达到第二门限阈值T₂＝0.04°时，判断单元自动产生第二刹车指令给刹车单元，所述刹车单元根据第二刹车指令信号再次启动电机刹车模块实现电机的抱闸，待电机停止后，机架运动到位。

3.如权利要求1所述的医用加速器机架精确控制驱动方法，其特征在于，

第一RS485标准串口的通信波特率为9600bit/s，第二RS485标准串口的通信波特率为19200bit/s。