CN106861055B - 一种通用机架的控制驱动系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通用机架的控制驱动系统。使用本发明能够实现稳定性、可靠性地进行机架旋转控制，且控制精度高。本发明将光电编码器和电位器分别安装在机架和电机上，通过角度校验模块分别对两个测量角度值进行校验，从而实现自校准功能；在自动控制时，当机架运动至目标角度附近时，根据当前角度和目标角度的差值大小给变频器发送不同的运转频率，使角度差值和运动速度之间的关系可以模拟阻尼运动曲线，使机架运动至目标角度时机架运动速度刚好达到0，从而实现零超调量控制，且旋转精度高；自动防碰控制单元和防碰防放过转控制模块通过实时检测治疗床的位置，自动防止机架和治疗床发生碰撞。

Description

一种通用机架的控制驱动系统

技术领域

本发明涉及医疗和工业辐照应用的电子直线加速器技术领域，具体涉及一种通用机架的控制驱动系统。

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，本发明提供了一种通用机架的控制驱动系统，具有稳定性好、可靠性强、机架旋转控制精度高等优势。

本发明的通用机架的控制驱动系统，包括：主控机、旋转精度控制模块、光电编码器、电位器、变频器、电机、刹车模块和按键模块，被控对象为机架；

其中，主控机接收旋转精度控制模块发送的频率差分信号，解析出机架位置角度信息并进行显示；向旋转精度控制模块发送治疗床的三维位置、机架目标角度和标零指令；

光电编码器和电位器均为机架旋转角度测量仪；

旋转精度控制模块包括从机执行模块、标零保护模块、变频单元、刹车控制单元、光电编码器信息采集解析模块、电位器信息采集解析模块、差分信号输出模块、角度值校验单元、按键检测模块和防碰防过转控制模块；

其中，光电编码器信息采集解析模块和电位器信息采集解析模块分别采集光电编码器信号和电位器信号并将其转化为角度值，并将该2个测量角度值均发送至差分信号输出模块和角度校验单元；差分信号输出模块将机架角度转化为频率差分信号并输出至主控机；角度值校验模块接收2个测量角度值，并将2个测量角度值分别与根据机架的运动方向和速度计算得到的机架计算角度值进行对比，判断2个测量角度值与计算角度值之差是否均在允许的误差范围内，如果均在，则以两个测量角度值的均值作为当前的机架角度值，将当前的机架角度值发送至防碰防过转控制模块和从机执行模块的角度控制单元，否则，向主控机报警；

从机执行模块包括机架标零单元、角度控制单元和自动防碰控制单元；其中，机架标零单元接收到主控机发出的标零指令后，在标零保护模块开启时，将当前角度设置为0°位置；角度控制单元一方面在机架启动前，根据初始机架角度和目标角度之间的差值，计算初始机架角度到目标角度所需的时间，并在机架启动时开始计时，当机架运动时间超过该所需时间时，控制机架停止运转；另一方面接收角度校验单元发送的当前机架角度，利用当前机架角度和目标角度的差值形成机架运动控制指令，并将机架运动控制指令发送至自动防碰控制单元；自动防碰控制单元接收主控机发送的治疗床的三维位置以及角度控制单元发送的机架角度信息、运转速度信息，计算机架可能会和治疗床发生碰撞的位置，如果不存在则将角度控制单元发送的机架运动控制指令转发至变频单元，控制机架运动，否则，发送刹车信号至刹车控制单元，并向主控机报警；

防碰防过转控制模块接收角度值校验单元发送的当前机架角度，并与机架所允许的最大旋转角度进行比较，当两者之差接近0时，向刹车控制单元发送刹车信号；

变频单元接收角度控制单元发送的机架运动控制指令，经变频器实现对机架电机的运动控制；刹车控制单元接收自动防碰控制单元和防碰防过转控制模块发送的刹车信号，经刹车模块实现机架的停止。

进一步地，所述标零保护模块采用检测按键状态的方式，手动长按标零按键时，标零保护模块开启。

进一步地，机架标零单元进行标零后，采用软件保护措施将零点位置进行保护，即：将零点位置写入EEPROM，并在写入过程中加入校验函数，系统开机读取存储在EEPROM上的零点位置时，先进行校验，校验成功后读取零点位置。

进一步地，所述角度控制单元采用如下方式控制机架的运转速度：

机架的运转速度与当前机架角度和目标角度差值大小成正比，所述差值越大，机架的运转速度越大；当机架运动至目标角度附近时，根据当前机架角度和目标角度的差值大小向变频器发送不同的运转频率，使角度差值和运动速度之间的关系呈现阻尼运动曲线，使机架运动至目标角度时机架运动速度刚好达到0。

进一步地，所述差分信号输出模块将机架角度-180°～180°转化为70kHz～430kHz的差分信号。

进一步地，在机架的最大旋转角度处设置限位按钮，所述限位按钮和防碰防过转控制模块相接，当机架运动至最大角度位置时会触碰限位按钮，限位按钮发送限位信号至防碰防过转控制模块，防碰防过转控制模块控制机架停止运转。

有益效果：

(1)本发明控制驱动系统可同时采用光电编码器和电位器两种角度信息采集方法，不同于常规的将两个编码器或电位器都直接采集机架的旋转角度，并通过简单的对比两个角度信息判断是否有其中一个编码器或电位器出现故障，本发明在机架和电机位置分别安装编码器或电位器，通过角度校验模块对比两个角度值，可以判断机架齿轮和编码器齿轮之间是否在运动过程中出现齿轮错位引起的角度值采集不准确，如果出现上述情况，则根据两个齿轮的差值重新计算当前角度位置，以及零点位置对应的编码器的值，从而实现自校准功能，这是常规的直接对比两个角度信息所不能达到的效果。

(2)本发明控制驱动系统具有一定的角度容错功能，可以实时根据机架的运动方向和速度来计算机架所在的角度值，通过和编码器或电位器采集的角度进行对比，判断编码器/电位器是否出现出现故障，并且判断该故障是否需要立即停止运转，比如编码器实时采集角度，偶尔一个角度出错时，因为不影响后续的控制，不立即停止机架运转，而是对该角度值进行自校准，并对该错误进行记录，另外在有益效果1中提到的齿轮错位自校准中，也会记录齿轮错位自校准的次数，并且根据记录的情况系统自动提醒使用人该系统的故障频率，使用人可以根据情况选择更换编码器、检查齿轮是否出现问题等。但是如果发现编码器/电位器本身出现真正的不可自校准的故障，则机架停止运转，然后需人工对编码器进行检查、维修或更换等，并对机架进行重新标零。

(3)本发明控制驱动系统具有对不同机架的自适应功能，由于不同的机架的重量不同，会导致运动的惯性不同，甚至由于配重问题可能会导致发送停止指令甚至断电之后机架往回运转的情况，该控制系统可以通过几次运转之后自动对机架的减速时间和发送指令的时间进行调整，从而可以避免由于机架重量或配重问题引起的降低精度的问题。

(4)在自动控制时，当机架运动至目标角度附近时，根据当前角度和目标角度的差值大小给变频器发送不同的运转频率，不同于普通的PID控制方式，该发明使角度差值和运动速度之间的关系可以模拟阻尼运动曲线，使机架运动至目标角度时机架运动速度刚好达到0，从而实现零超调量控制；

(5)在手动控制或自动控制的非到位停止的情况下，采取先给变频器发送停止指令，然后锁紧刹车的方式，可以避免由于过大的惯性对电机、刹车和机架造成的损害，但是在自动控制到位停止时，由于电机运转速度已经等于或接近零，所以采取先刹车后发送停止指令的方式，这样可以避免由于常规方式刹车不及时影响控制精度的情况。其中角度值校验模块可以通过实时检测角度反馈情况判断编码器和电位器是否正常工作，从而可以避免由于角度采集错误使系统出现失控。

(6)自动控制部分的自动防碰控制单元和手动控制部分的防碰、防过转控制模块，不同于现在国内医疗机架控制只是通过人的观察来判断是不是发生碰撞，会发生碰撞时采用手动停止机架的运转的控制方式，本发明可以通过实时检测治疗床的位置，自动防止机架和治疗床发生碰撞。

(7)旋转精度高。由于有益效果1保证了角度信息的高精度采集，角度控制模块又可以通过模拟阻尼运动曲线实现在接近目标角度时合理的减速直至达到零超调量，所以大大提高了控制精度。将由于惯性引起的超调量降到精度范围之内。

(8)本发明控制方法可以利用标零保护模块通过对标零操作进行保护以及写入EEPROM和读出EEPORM的值时加入校验函数的方式，可以有效防止由于误操作或其他干扰引起的角度信息错误，进一步增加了系统的可靠性。

(9)设计了时间保护系统，可以在自动控制中，电机启动运转时，通过计算当前角度到目标角度运动所需的时间，当电机运动时间大于该时间时停止运转电机，可以防止由于其他模块不能正常运行时(基本不会)引起的机架到位没有及时停止的情况。

附图说明

图1为本发明的通用机架的控制驱动方法的系统示意图；

图2为本发明的通用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。

本发明提供了一种通用机架的控制驱动系统，采用如图1所示的控制驱动系统实现通用机架的控制驱动。其中，所述通用机架的控制驱动系统包括：主控机、RS485标准串口A、旋转精度控制模块、RS485标准串口B、光电编码器、电位器、变频器、电机、刹车模块、按键模块，被控对象为机架；

所述主控机，通过RS485标准串口A与旋转精度控制模块进行通信，实现对旋转精度控制模块发送标零指令、停止指令、当前治疗床位置和目标角度指令等；接受旋转精度控制模块发送的机床位置角度信息并进行显示。

所述旋转精度控制模块包括从机执行模块、标零保护模块、变频单元、刹车控制单元、光电编码器信息采集解析模块、电位器信息采集解析模块、差分信号输出模块、角度值校验单元、按键检测模块、防碰防过转控制模块；其中，从机执行模块包括机架标零单元、角度控制单元和自动防碰控制单元：机架标零单元可以接收到标零指令后在标零保护模块开启时在将当前角度设置为0°位置，角度控制单元主要从两个方面实现对机架运动的控制，一方面，根据当前角度和目标角度的差值来控制机架的运转速度:当前角度和目标角度差值较大时，机架以较高速度朝目标角度运转，当机架运动至目标角度附近时，则根据当前角度和目标角度的差值大小给变频器发送不同的运转频率，使角度差值和运动速度之间的关系可以模拟阻尼运动曲线，使机架运动至目标角度时机架运动速度刚好达到0，从而实现零超调量控制；另一方面则通过计算当前角度的位置和目标角度位置的差值，来实现对机架运动速度和运动方向的实时控制可以在自动状态下接收到目标角度时计算当前角度到目标角度所需的时间，并在机架启动时开始计时，当机架运动时间超过到达该目标角度所需的最大时间时，则控制机架停止运转，自动防碰控制单元，通过上位机发送的治疗床的三维位置以及各个方向的旋转角度，计算机架可能会和治疗床发生碰撞的位置；标零保护模块是通过硬件和软件相结合的方式实现标零保护，硬件保护采用检测按键状态的方式，只有手动长按标零按键时方可进行标零操作，此时，根据主控机发出的标零指令进行标零；标零后，采用软件保护措施将零点位置进行保护，即：收到标零指令后，将零点位置写入EEPROM，并在写入过程中加入校验函数，下次系统开机读取存储在EEPROM上的零点位置时，也需要进行校验成功后才可以读取，所以可以防止读出错误造成的零点位置错误的情况，可以防止误发标零指令引起的角度显示错误。变频单元可以直接和变频器通过RS485标准串口B进行通信，实现对变频器的控制；刹车控制单元控制刹车模块的通电状态；光电编码器信息采集解析模块将编码器信息转化为角度信息。电位器信息采集解析模块将电位器信息转化为角度信息；差分信号输出模块将机架角度-180°～180°转化为70KHz～430KHz的差分信号并输出给主控机；角度值校验模块：由于整个控制系统可以得到三种不同的角度值：机架直接带动编码器/电位器得到的角度值、电机直接带动编码器/电位器的角度值和实时根据机架的运动方向和速度来计算机架所在的角度值，通过对比前两个角度值，可以判断机架齿轮和编码器齿轮之间是否在运动过程中出现齿轮错位引起的角度值采集不准确，如果出现上述情况，则根据两个齿轮的差值重新计算当前角度位置，以及零点位置对应的编码器的值，从而实现自校准功能。第三种角度值作为一种补充，通过和第一种和第二种角度值之间进行对比，判断编码器/电位器是否出现出现故障，如果发现编码器/电位器本身出现故障，则机架停止运转，然后需人工对编码器进行检查、维修或更换等，并对机架进行重新标零。可以通过当前机架的运动状态判断采集到的角度值是否正确，从而判断编码器和电位器是否正常工作。按键检测模块实现对按键闭合和松开状态的检测；防碰防过转控制模块应用在手动控制程序中，是在自动防碰控制单元的基础上增加防过转的功能，根据机架所允许的最大旋转角度，以及机架当前的位置，在即将旋转至最大角度时通过软件控制机架停止运转，并且在最大旋转角度处增加限位按钮，当机架运动至最大角度位置时会触碰限位按钮，从而实现机架停止运转，实现软件控制之外的第二重防过转保护，其中限位按钮并不是急停按钮，机架不能朝原最大角度方向运转，但是往反方向还可以正常受控运转。可以通过判断当前机架的角度、按键的状态以及治疗床的位置来决定是否允许机架进行运转；

所述光电编码器，采用绝对值式的光电编码器，可直接给编码器安装从动齿轮，并和机架的齿轮配合，当机架运动时带动光电编码器的齿轮运转，从而在不同位置得到不同的机架旋转角度信息；也可以直接将编码器安装在电机的旋转轴上，采集电机的旋转角度。采用绝对值光电码盘实时采样机架角度信息，并将该信息发送给光电编码器信息采集解析模块。

所述电位器，采用多圈电位器，可以实现出编码器外的另一种角度采集方式。

所述变频器，首先接收旋转精度控制模块通过RS485标准串口B发送的频率值，再控制电机按照该频率进行运转。

所述电机，是变频电机，可以通过变频器控制该电机的运转速度，最终带动机架运转。

所述刹车模块，可以在电机停止后辅助机架的停止，防止机架由于惯性影响机架控制精度。

所述按键模块包括总体使能按键、手控盒使能按键、机架运动使能按键、机架自动使能按键、正限位按键、反限位按键、正转按键、反转按键、高/低速运动按键。其中，总体使能按键是优先级最高的按键，只有当总体使能按键闭合时才可以控制机架的运转。手控盒使能按键是开启手动控制的按键，手控盒使能按键闭合时不可进行自动控制。机架运动使能按键是只有在手控盒使能按键闭合时才有效的按键，手控盒使能按键闭合且机架运动使能按键闭合时方可进行正反转和高低速的控制。机架自动使能按键是开启和关闭自动控制的按键，只有在手控盒使能按键松开时方才有效。正/反限位按键是防止机架运动超过正/反转最大值的按键。正/反转按键是控制电机正/反转启动的按键，在其他按键满足条件时，正/反转按键按下则可以进行正/反转。高/低速运动按键是控制机架运转速度的按键，控制电机以50Hz或20Hz运转。

通用机架的控制驱动系统的控制流程如图2所示，该图说明了本发明的通用机架的控制驱动方法的详细流程。

(1)自动控制：自动控制是通过主控机发送指令进行控制。当总体使能按键闭合、手控盒使能松开并且机架自动使能按键闭合时进行自动控制。

步骤1，当前角度计算并显示：通过编码器信息采集模块实时采集编码器的信息或通过电位器信息采集模块实施采集电位器信息，并将该信息转化为角度值，并在主界面显示当前的角度值。

步骤2，主控机根据当前角度信息判断是否需要进行机架标零，若需要进行机架标零，则执行步骤3，若不需要进行机架标零，则执行步骤4。

步骤3，首先开启机架标零保护模块，然后主控机通过RS485标准串口A将标零指令传送给机架标零单元，最后机架标零单元将当前位置设置为0°位置。设置成功后关闭机架标零保护模块。

步骤4，目标角度设置：主控机通过RS485标准串口A将目标角度发送给从机执行模块，角度控制单元计算当前角度运动至目标角度所需的最大时间。

步骤5，判断当机架此次运动时间是否小于步骤4中算得的最大时间，是则执行步骤6，否则执行步骤8

步骤6，判断机架是否到位：目标角度和当前角度值的差值是否达到所要求的精度，若没有达到精度则执行步骤7，否则说明机架到位，执行步骤9。

步骤7，计算出变频器的旋转频率和运动方向，并通过自动防碰控制单元判断按照该方向旋转是否会和治疗床发生碰撞，如果会发生碰撞，则执行步骤8，否则通过RS485标准串口B和变频器通信，从而带动电机运转并连续进行旋转时间计时，然后执行步骤5。

步骤8，首先给变频器发送停止运转指令，1S后锁紧刹车，然后给电机和刹车模块断电，最后将目标角度信息清空。

步骤9，首先锁紧刹车，然后给变频器发送停止运转的指令，最后给电机和刹车模块断电，目标角度信息清空。

其中，所有利用到的当前角度都是经过角度值校验模块校验通过的，在控制时电机运转过程中可以随时根据需要停止运动。

(2)手动控制：手动控制是通过手控盒进行按键控制。当总体使能按键闭合、手控盒使能闭合并且机架运动使能按键闭合时进行手动控制。

步骤1，当前角度计算并显示：通过编码器信息采集模块实时采集编码器的信息或通过电位器信息采集模块实施采集电位器信息，并将该信息转化为角度值，并在主界面显示当前的角度值。

步骤2，主控机根据当前角度信息判断是否需要进行机架标零，若需要进行机架标零，则执行步骤3，若不需要进行机架标零，则执行步骤4。

步骤3，首先开启机架标零保护模块，然后主控机通过RS485标准串口A将标零指令传送给机架标零单元，最后机架标零单元将当前位置设置为0°位置。设置成功后关闭机架标零保护模块。

步骤4，按键检测模块判断是否有正反转指令，如果没有正反转指令，执行步骤6，如果有正反转指令，判断该运动方向运动是否会和治疗床发生碰撞以及是否会超过机架的最大旋转角度。如果会发生碰撞或超过机架的最大旋转角度，执行步骤6，否则执行步骤5；

步骤5，按键检测模块判断高低速状态，并通过变频单元和RS485标准串口和变频器通信，使电机以高速(50Hz)或低速(20Hz)朝相应的方向运转。

步骤6，首先给变频器发送停止运转指令，1S后锁紧刹车，然后给电机和刹车模块断电。

其中，所有利用到的当前角度都是经过角度值校验模块校验通过的，在控制时电机运转过程中可以随时根据需要停止运动。

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 (5)

1.一种通用机架的控制驱动系统，其特征在于，包括：主控机、旋转精度控制模块、光电编码器、电位器、变频器、电机、刹车模块和按键模块，被控对象为机架；

其中，主控机接收旋转精度控制模块发送的频率差分信号，解析出机架位置角度信息并进行显示；向旋转精度控制模块发送治疗床的三维位置、机架目标角度和标零指令；

光电编码器和电位器均为机架旋转角度测量仪；其中，光电编码器和电位器分别安装在机架和电机上；

旋转精度控制模块包括从机执行模块、标零保护模块、变频单元、刹车控制单元、光电编码器信息采集解析模块、电位器信息采集解析模块、差分信号输出模块、角度值校验单元、按键检测模块和防碰防过转控制模块；

其中，光电编码器信息采集解析模块和电位器信息采集解析模块分别采集光电编码器信号和电位器信号并将其转化为角度值，并将该2个测量角度值均发送至差分信号输出模块和角度校验单元；角度值校验模块接收2个测量角度值，并将2个测量角度值分别与根据机架的运动方向和速度计算得到的机架计算角度值进行对比，判断2个测量角度值与计算角度值之差是否均在允许的误差范围内，如果均在，则以两个测量角度值的均值作为当前的机架角度值，将当前的机架角度值发送至防碰防过转控制模块和从机执行模块的角度控制单元，否则，向主控机报警；

从机执行模块包括机架标零单元、角度控制单元和自动防碰控制单元；其中，机架标零单元接收到主控机发出的标零指令后，在标零保护模块开启时，将当前角度设置为0°位置；角度控制单元一方面在机架启动前，根据初始机架角度和目标角度之间的差值，计算初始机架角度到目标角度所需的时间，并在机架启动时开始计时，当机架运动时间超过该所需时间时，控制机架停止运转；另一方面接收角度校验单元发送的当前机架角度，利用当前机架角度和目标角度的差值形成机架运动控制指令，并将机架运动控制指令发送至自动防碰控制单元；自动防碰控制单元接收主控机发送的治疗床的三维位置以及角度控制单元发送的机架角度信息、运转速度信息，计算机架可能会和治疗床发生碰撞的位置，如果不存在则将角度控制单元发送的机架运动控制指令转发至变频单元，控制机架运动，否则，发送刹车信号至刹车控制单元，并向主控机报警；

防碰防过转控制模块接收角度值校验单元发送的当前机架角度，并与机架所允许的最大旋转角度进行比较，当两者之差接近0时，向刹车控制单元发送刹车信号；

变频单元接收角度控制单元发送的机架运动控制指令，经变频器实现对机架电机的运动控制；刹车控制单元接收自动防碰控制单元和防碰防过转控制模块发送的刹车信号，经刹车模块实现机架的停止。

2.如权利要求1所述的通用机架的控制驱动系统，其特征在于，所述标零保护模块采用检测按键状态的方式，手动长按标零按键时，标零保护模块开启。

3.如权利要求1或2所述的通用机架的控制驱动系统，其特征在于，机架标零单元进行标零后，采用软件保护措施将零点位置进行保护，即：将零点位置写入EEPROM，并在写入过程中加入校验函数，系统开机读取存储在EEPROM上的零点位置时，先进行校验，校验成功后读取零点位置。

4.如权利要求1所述的通用机架的控制驱动系统，其特征在于，所述角度控制单元采用如下方式控制机架的运转速度：

机架的运转速度与当前机架角度和目标角度差值大小成正比，所述差值越大，机架的运转速度越大；当机架运动至目标角度附近时，根据当前机架角度和目标角度的差值大小向变频器发送不同的运转频率，使角度差值和运动速度之间的关系呈现阻尼运动曲线，使机架运动至目标角度时机架运动速度刚好达到0。

5.如权利要求1所述的通用机架的控制驱动系统，其特征在于，在机架的最大旋转角度处设置限位按钮，所述限位按钮和防碰防过转控制模块相接，当机架运动至最大角度位置时会触碰限位按钮，限位按钮发送限位信号至防碰防过转控制模块，防碰防过转控制模块控制机架停止运转。