CN111324076A - 用于多自由度放疗模拟治疗床的控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于多自由度放疗模拟治疗床的控制系统，包括电控柜内的控制子系统、电机驱动子系统与电流传感器，集成于治疗床内的五个伺服电机及其配套的编码器、制动器、离合器和安装在治疗床运动导轨上用于极限位置限制的行程开关，放置于控制室内的上位机、操作台。其有益效果是：采用五个交流伺服电机来驱动五个自由度的运动机构，结合MCU内嵌控制程序算法，实现治疗床在升降、回转、横向或纵向移动、倾斜转动过程中的同步独立控制，有效提高治疗床定位的准确性和定位精度，实现病灶部位和治疗辐射野区域的最小误差重合，使治疗所需的射野形状、靶区中心处于最佳，最大限度地减少患者重要器官对辐射剂量的吸收。
Description
技术领域
本发明涉及治癌过程中运用的医疗设备，特别是一种用于多自由度放疗模拟治疗床的控制系统。
背景技术
恶性肿瘤是威胁人类健康的主要疾病之一，癌症仍是导致死亡的第一疾病。放射治疗肿瘤的方法已经成为治疗肿瘤的最重要手段之一。在治疗肿瘤的过程当中，癌症治疗床具有高精度是治愈癌症病人的前提。精确放疗是在治疗机上执行的一种全新的肿瘤放疗技术。随着肿瘤发病率的增加，已经有很多专家学者对有关治疗癌症的课题进行了深入的研究，癌症治疗床就是其中之一。我国每百万人口所拥有的癌症治疗床台数远远小于发达国家，治疗床作为承载病人的机械工具，只有足够高精度的治疗床，才可使治疗达到预期效果，如今已步入“精确放疗的时代”，治疗床的高精度是保证肿瘤治疗效果的关键因素，而精确放疗用治疗床会达到更好的治疗效果。中国每年新发癌症患者超过220万，约占全球癌症发病率的20.3%，有很多癌症患者需要被治疗。
在治癌过程中，治疗床是影响治癌的一个关键环节，它的升降机构包括多种形式，例如剪叉式、顶升式、机械臂式等，其中剪叉式在放疗模拟机治疗床中应用是最多的，而且也是非常常用的一种机械结构形式并应用在多种场合升降装置，因为它在高空作业和承载能力方面具有独特的优势。虽然剪叉式机构有很多优点，但在使用过程中的安全性是最不允许被忽视的，且提高剪叉机构稳定性是保证其安全性的一个前提条件。放疗模拟机中的剪叉式治疗床是承载特殊群体的装置，使得特殊群体可在有效的射野范围内得到治疗，这将使得在模拟放疗过程中对对剪叉式治疗床的控制精度、平稳性和安全性有很高的要求，特别是对射野形状大小、靶区中心的定位精度和重复定位精度要求更为严格。因为在放疗过程中被照射的病灶部位和治疗辐射野的位置和大小误差过大，将会增加重要器官吸收剂量。现有对放疗模拟机治疗床的研究主要集中在对机械结构改进和、升降机构组件控制、运动过程分析等方面，而缺乏对整体控制系统研究。然而在治疗过程中对病灶部位和辐射野区域、位置的精准确定需要治疗床整体运动才能实现最精准的定位，对执行电机和控制MCU的选择都将对治疗床控制稳定性、定位准确性以及后期设备维修提供便利。
针对现有放疗模拟治疗床存在自由度不够，进行结构改造并研发相应的多自由度控制系统来精确控制，对提高放疗效果具有重要意义。
发明内容
为了克服上述技术问题，本发明公开了一种用于多自由度放疗模拟治疗床的控制系统。
本发明的技术方案是：一种用于多自由度放疗模拟治疗床的控制系统，包括电控柜内的控制子系统、电机驱动子系统与电流传感器，集成于治疗床内的五个伺服电机及其配套的编码器、制动器、离合器和安装在治疗床运动导轨上用于极限位置限制的行程开关，放置于控制室内的上位机、操作台，由市电经电控柜内的电机驱动子系统后为五个伺服电机及其配套设备、控制子系统和控制室内设备提供所需电能，控制子系统接收控制室发出的控制指令并结合各运动机构状态检测值进行处理和运算，根据运算结果发送控制信号给电机驱动子系统以对五个伺服电机的驱动、调速、制动进行控制，进而实现治疗床五个自由度的运动控制；其中，治疗床的横向、纵向、升降、回转、倾斜运动机构分别由一个带编码器的伺服电机驱动以实现治疗床的多自由度运动，为避免各运动机构之间的相互关联影响，在横向、纵向驱动伺服电机与运动机构之间设置离合器，横向、纵向、升降、回转运动机构的导轨极限位置均安装有行程开关以保证治疗床在姿态调整过程中的安全，治疗床姿态调整完成后通过五个制动器锁定对应的运动机构以保持治疗床姿态，系统所用制动器、离合器均为电磁式；控制子系统用于接收控制室发出的控制指令，采集电流传感器、编码器、行程开关的信号，经预处理后由内嵌控制算法程序进行运算得到控制输出并发送给电机驱动子系统；电机驱动子系统通过市电提供系统所需工作电源，根据控制子系统传输的控制信号执行各伺服电机的驱动、调速、停止控制和制动器、离合器的控制；放疗模拟治疗床的五个自由度中，升降运动、回转运动、横向或纵向运动、倾斜运动相互独立，但横向运动与纵向运动相互关联，需通过离合器控制来进行选择性调整；放疗模拟治疗床在姿态调整过程中，首先由上位机根据放疗模拟任务进行规划决策得到控制指令并发送给控制子系统，控制子系统结合各运动机构检测值经内嵌控制算法程序后输出控制信号到电机驱动子系统，然后电机驱动子系统控制制动器松开，接着同步进行治疗床的升降、回转、横向或纵向、倾斜的姿态调整，有效降低各个电机之间存在的耦合性，提高治疗床调节的自由度和定位精度，实现病灶部位和治疗辐射野位置的精确定位，使治疗所需的射野形状、靶区中心处于最佳，减少患者重要器官对辐射剂量的吸收。
在本发明中，所述控制子系统以内部集成有ADC、PWM、正交编码脉冲单元QEP、I/O口、SCI接口的MCU为核心，外围设置有3个光隔输入电路、2个信号调理电路、光隔输入输出电路、通信接口、用于治疗床运行失控或设备故障警示的报警电路，由电机驱动子系统提供DC5V工作电源；控制室内的上位机经通信接口与MCU内的SCI接口连接，控制室内操作台上按键开关通过光隔输入3电路与MCU内的I/O口连接、摇杆装置通过信号调理2电路与MCU内的ADC连接，控制系统具有通过操作台上按键开关切换的自动、手动控制功能，手动控制由操作台上按键开关与摇杆装置配合给控制子系统内MCU发送操作指令来完成，用于治疗床检修调试、掉电后手动归位、粗调的控制，手动控制由上位机根据放疗模拟任务经通信接口向控制子系统内MCU发送操作指令来自动执行；光隔输入1电路向MCU内的I/O口接入治疗床各运动机构上的行程开关信号，用于运动机构到达极限位置时控制交流伺服电机停止运行；光隔输入2电路用于连接各交流伺服电机的编码器输出信号到MCU内的正交编码脉冲单元QEP，以检测各交流伺服电机运行的速度、位置，进而实现交流伺服电机的速度或位置闭环控制；信号调理1电路用于调理电机驱动子系统内电流传感器的输出信号并连接至MCU内的ADC，以检测各交流伺服电机的工作电流，进而实现交流伺服电机的电流闭环控制；光隔输入输出电路用于MCU内的PWM模块和I/O口向电机驱动子系统内的伺服驱动模块、继电控制模块发送控制信号和返回伺服驱动器的工作状态参数到MCU内的I/O口，以实现对交流伺服电机、制动器、离合器的控制；治疗床工作过程中，控制子系统MCU根据上位机或操作台发出的控制指令，结合电流传感器信号、编码器信号、行程开关信号的检测值，由MCU内嵌控制算法程序运算得出控制量并经MCU的PWM模块和I/O口输出到电机驱动子系统以控制治疗床五个自由度运动机构的交流伺服电机、制动器、离合器，实现对治疗床运动距离、角度的精准控制。
在本发明中，所述电机驱动子系统包括电源电路、伺服驱动模块、继电控制模块、用于连接控制子系统以传输控制信号的控制信号接口、用于指示各个电气设备运行状态的指示灯电路；电源电路由空气开关、交流接触器、整流滤波电路、DC/DC变换器组成，市电AC220V电源经空气开关、交流接触器后分别到整流滤波电路以提供伺服驱动模块和系统其它部分的直流电源、到七个继电器以提供制动器和离合器的工作电源、到控制室以提供上位机与操作台的工作电源，控制室内操作台上的紧急按钮与交流接触器连接用于在紧急情况下切断控制系统工作电源，整流滤波后的DC300V经DC/DC变换器后得到控制子系统的工作电源DC5V和伺服驱动模块、继电器驱动电路、行程开关、编码器的工作电源DC24V；伺服驱动器模块包括横向伺服驱动器、纵向伺服驱动器、升降伺服驱动器、回转伺服驱动器、倾斜伺服驱动器，五个伺服驱动器结构和功能相同，用于根据控制子系统发出的控制信号实施对五个交流伺服电机的驱动、调速、停止控制并通过控制信号接口向控制子系统返回伺服驱动器的工作状态参数，由DC24V提供伺服驱动器内部电路工作电源，DC300V经伺服驱动器逆变为U、V、W三相电以驱动交流伺服电机，通过电流传感器向控制子系统反馈五个交流伺服电机的工作电流，通过编码器向控制子系统反馈五个交流伺服电机运行的速度、位置信号；继电控制模块包括继电器驱动电路和七个继电器，继电器驱动电路由DC24V供电，在控制子系统发出控制信号的控制下驱动七个继电器的断开与接通，以实现AC220V到各制动器、离合器电磁线圈回路的通/断控制，从而实现对治疗床五个运动结构调节完成后的锁紧和横向、纵向运动结构调节完成后的离合；在治疗床工作过程中，电机驱动子系统一方面由电源电路通过市电AC220V为系统设备供电，另一方面接收来自控制子系统的控制信号通过伺服驱动器模块对五个交流伺服电机实施控制、通过继电控制模块控制制动器、离合器，向控制子系统反馈伺服电机工作电流、运行速度与位置和通过行程开关反馈运动机构的安全状态，以实现治疗床的整体协调、准确运动和定位。
本发明的有益效果在于：以治疗床为整体，采用五个交流伺服电机来驱动五个自由度的运动机构，结合MCU内嵌控制程序算法，实现治疗床在升降、回转、横向或纵向移动、倾斜转动过程中的同步独立控制，减少了各个电机之间的耦合性，有效提高治疗床定位的准确性和定位精度，实现病灶部位和治疗辐射野区域的最小误差重合，使治疗所需的射野形状、靶区中心处于最佳，最大限度地减少患者重要器官对辐射剂量的吸收。
附图说明
图1是本发明的控制系统总体框图；
图2是本发明治疗床五自由度运动坐标示意图；
图3是本发明控制子系统的实施例框图；
图4是本发明电机驱动子系统的实施例框图。
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。
参见附图，图1是本发明的控制系统总体框图，图2是本发明治疗床五自由度运动坐标示意图。本发明的控制系统包括电控柜内的控制子系统、电机驱动子系统与电流传感器，集成于治疗床内的五个伺服电机及其配套的编码器、制动器、离合器和安装在治疗床运动导轨上用于极限位置限制的行程开关，放置于控制室内的上位机、操作台，由市电经电控柜内的电机驱动子系统后为五个伺服电机及其配套设备、控制子系统和控制室内设备提供所需电能，控制子系统接收控制室发出的控制指令并结合各运动机构状态检测值进行处理和运算，根据运算结果发送控制信号给电机驱动子系统以对五个伺服电机的驱动、调速、制动进行控制，进而实现治疗床五个自由度的运动控制。治疗床的横向、纵向、升降、回转、倾斜运动机构分别由一个带编码器的伺服电机驱动以实现治疗床的多自由度运动，为避免各运动机构之间的相互关联影响，在横向、纵向驱动伺服电机与运动机构之间设置离合器，横向、纵向、升降、回转运动机构的导轨极限位置均安装有行程开关以保证治疗床在姿态调整过程中的安全，治疗床姿态调整完成后通过五个制动器锁定对应的运动机构以保持治疗床姿态，系统所用制动器、离合器均为电磁式；控制子系统用于接收控制室发出的控制指令，采集电流传感器、编码器、行程开关的信号，经预处理后由内嵌控制算法程序进行运算得到控制输出并发送给电机驱动子系统；电机驱动子系统通过市电提供系统所需工作电源，根据控制子系统传输的控制信号执行各伺服电机的驱动、调速、停止控制和制动器、离合器的控制；放疗模拟治疗床的五个自由度中，升降运动、回转运动、横向或纵向运动、倾斜运动相互独立，但横向运动与纵向运动相互关联，需通过离合器控制来进行选择性调整；放疗模拟治疗床在姿态调整过程中，首先由上位机根据放疗模拟任务进行规划决策得到控制指令并发送给控制子系统，控制子系统结合各运动机构检测值经内嵌控制算法程序后输出控制信号到电机驱动子系统，然后电机驱动子系统控制制动器松开，接着同步进行治疗床的升降、回转、横向或纵向、倾斜的姿态调整，有效降低各个电机之间存在的耦合性，提高治疗床调节的自由度和定位精度，实现病灶部位和治疗辐射野位置的精确定位，使治疗所需的射野形状、靶区中心处于最佳，减少患者重要器官对辐射剂量的吸收。市电供电提供电源给电控柜内的电机驱动子系统所需要的电压用于进行电压转换和采集行程开关的通断信号，经电压转换后的电源电压分别供给控制系统各个芯片和器件用电、电机驱动子系统各个电路模块和用电芯片和器件用电、集成与操作台上的各个用电器件用电；控制子系统接收电机驱动子系统的供电电压一方面与上位机进行实时通信并接受来自上位机发送的数据指令和传输控制子系统采集的治疗床的实时位置、距离信息和交流伺服电机的实时工作状态数据，另一方面接收采集行程开关的通断信号和采集集成与电机驱动子系统上的传感器设备的数据信号和安装于伺服电机上传感设备信号，并且将接收的数据和采集的数据信号进行处理和运算，将所的结果发送给电机驱动子系统使其执行具体控制过程，电机驱动子系统接收到控制指令执行五个交流伺服电机驱动、调速和制动的控制过程以获得最终控制结果并将最终控制结果传输给五个伺服电机，由五个伺服电机具体执行使实现治疗床的多自由度运动。控制子系统用于控制控制子系统内部的信号采集模块采集各个传感器设备的信号并传回控制子系统进行数据预处理并根据嵌入控制子系统内部的控制算法程序进行运算得出输出控制指令发送给电机驱动子系统；电机驱动子系统用于进行电压变换并为其它模块和自身提供各个设备所需要电源电压，同时实时从控制子系统接收控制指令，使其执行对横向运动伺服电机或纵向运动伺服电机、升降运动伺服电机、回转运动伺服电机、倾斜运动伺服电机五个电机中的三个或四个的整体驱动、调速、制动控制过程，并得出最终控制结果，然后将最终控制结果传送给横向运动伺服电机或纵向运动伺服电机、升降运动伺服电机、回转运动伺服电机、倾斜运动伺服电机五个伺服电机使其具体执行对治疗床的运动控制，使治疗床协调的、稳定的、精准的到达预先设定的定位位置，以实现准确的、高效的、安全的模拟放疗。五个伺服电机均采用交流伺服电机，结构和功能均相同，其配套设备包括五个编码器、五个电磁制动器、两个离合器，其中两个离合器分别安装于横向运动交流伺服电机和纵向运动交流伺服电机处，根据电机驱动子系统的最终控制结果完成内嵌于控制子系统内部的控制算法运算的结果，实现治疗床多自由度运动的速度、运动距离、运动位置控制，使治疗床在治疗床在升降运动交流伺服电机、回转运动交流伺服电机、横向运动交流伺服电机和纵向运动交流伺服电机、倾斜运动交流伺服电机控制下可同时进行升降运动（z轴上）、回转运动、横向（x轴上）或纵向运动（y轴上）、倾斜运动，放置于治疗床运行轨道上的行程开关1、2、3、4和放置于双剪式升降装置运动轨道上的行程开关5、6用于限制治疗床在x、y、z三个方向的运动距离，放置于回转转盘上的行程开关7、8用于限制转盘的旋转角度。操作台用于自动和手动控制切换以及手动调整治疗床运动使达到预定位置，上位机一方面用于显示模拟治疗过程中的各项数据信息，另一方面用于实现自动控制指令发送和定位位置信息设置，市电供电用于提供系统运行所需要的交流电源；放疗模拟机治疗床在工作过程中，在满足供电状态下，控制子系统采集行程开关、操作台、伺服电机及其配套设备信号以及接受来自上位机发送的控制指令，经过处理后，发送给内嵌于控制子系统内部的控制算法进行运算并将结果发送给电机驱动子系统，电机驱动子系统根据接受的控制指令分别控制驱动模块、调速模块、制动模块、离合模块执行控制过程并得出最终控制结果，然后将最终控制结果传输给五个交流伺服电机及其配套设备，五个伺服电机根据控制输出结果依次完成治疗床的升降运动及其调速和制动，完成治疗床的横向运动及其调速、制动、离合，完成治疗床的纵向运动及其调速、制动、离合，完成治疗床对回转运动及其调速和制动，控制治疗床完成五种运动及其调速和制动的方式以及控制动五种运动及其调速和制动的方式的执行机构的结构和功能均相同，但是五种运动过程相互独立，且五种运动方向均已治疗床中心点为原点，在z轴上执行升降运动以控制治疗床的高低，在x轴上执行横向运动用于调整治疗床的长度和实现病灶部位和治疗辐射野位置在横向上的精确定位，在y轴上执行纵向运动用于在实施治疗过程实现对病灶部位和治疗辐射野位置在纵向上的精确定位，以转盘圆心为中心分别可进行顺时针旋转360°~260°和逆时针旋转0°~100°，以x轴为中轴可沿顺时针方向和逆时针方向各旋转45°，以实现机架、准直器和治疗床处于最佳配合位置，提高治疗床移动的自由度和定位精度，使治疗所需的射野形状、靶区中心处于最佳，可减少重要器官对剂量的吸收。
图3是本发明控制子系统的实施例框图。控制子系统以内部集成有ADC、PWM、正交编码脉冲单元QEP、I/O口、SCI接口的MCU为核心，外围设置有3个光隔输入电路、2个信号调理电路、光隔输入输出电路、通信接口、用于治疗床运行失控或设备故障警示的报警电路，由电机驱动子系统提供DC5V工作电源；控制室内的上位机经通信接口与MCU内的SCI接口连接，控制室内操作台上按键开关通过光隔输入3电路与MCU内的I/O口连接、摇杆装置通过信号调理2电路与MCU内的ADC连接，控制系统具有通过操作台上按键开关切换的自动、手动控制功能，手动控制由操作台上按键开关与摇杆装置配合给控制子系统内MCU发送操作指令来完成，用于治疗床检修调试、掉电后手动归位、粗调的控制，手动控制由上位机根据放疗模拟任务经通信接口向控制子系统内MCU发送操作指令来自动执行；光隔输入1电路向MCU内的I/O口接入治疗床各运动机构上的行程开关信号，用于运动机构到达极限位置时控制交流伺服电机停止运行；光隔输入2电路用于连接各交流伺服电机的编码器输出信号到MCU内的正交编码脉冲单元QEP，以检测各交流伺服电机运行的速度、位置，进而实现交流伺服电机的速度或位置闭环控制；信号调理1电路用于调理电机驱动子系统内电流传感器的输出信号并连接至MCU内的ADC，以检测各交流伺服电机的工作电流，进而实现交流伺服电机的电流闭环控制；光隔输入输出电路用于MCU内的PWM模块和I/O口向电机驱动子系统内的伺服驱动模块、继电控制模块发送控制信号和返回伺服驱动器的工作状态参数到MCU内的I/O口，以实现对交流伺服电机、制动器、离合器的控制；治疗床工作过程中，控制子系统MCU根据上位机或操作台发出的控制指令，结合电流传感器信号、编码器信号、行程开关信号的检测值，由MCU内嵌控制算法程序运算得出控制量并经MCU的PWM模块和I/O口输出到电机驱动子系统以控制治疗床五个自由度运动机构的交流伺服电机、制动器、离合器，实现对治疗床运动距离、角度的精准控制。为了隔离冷地和热地，以及隔离噪声，本发明控制子系统的3个光隔输入电路、光隔输入输出电路需要采用光耦隔离电路；由于其PWM载波频率达到20kHz，普通光耦达不到输入输出特性匹配要求，需采用如：6N137类型高速光耦，采用高速光耦的另一个好处是能使光耦能快速从饱和状态退出，以达到减少死区时间的设定。本发明控制子系统的MCU采用内部集成有ADC、PWM、I/O口、正交编码脉冲电路、CAN接口的单片机或DSP芯片。当采用单片机时，意法半导体公司生产的基于ARM Cortex-M4的STM32F4系列单片机、基于ARM Cortex-M7的STM32H7系列单片机。STMF4系列单片机采用了意法半导体的NVM工艺和ART加速器™，在180 MHz的工作频率下通过闪存执行指令时可实现225 DMIPS/608 CoreMark的性能，是迄今所有基于Cortex-M内核的微控制器产品所达到的最高性能；由于采用了动态功耗调整功能，通过闪存执行指令时的电流消耗范围为从STM32F410的89µA/MHz到STM32F439的260 µA/MHz；STM32F4系列包括11条兼容的数字信号控制器（DSC）产品线，是MCU实时控制功能与DSP信号处理功能的完美结合体；该系列常用型号有：STM32F407/417 、STM32F469/479等，如STM32F407内置1Mb的FLASH，192Kb的SRAM(包括64Kb的CCM data RAM)，具备内存保护单元，安全性高，运算速度快，可到168 MHz，运算精度高，具备6路UART、24 通道12位2.4MSPS 3 ADCs、3路可到42 Mbits/s 的SPI 接口，具备12路16位和2 路32位定时器，可配置成3相PWM输出通道和正交编码单元。STM32H7系列单片机采用了ST的非易失性存储器（NVM）技术，从片内闪存执行代码时，其处理器性能为1327 DMIPS/3224 CoreMark，是业界所有基于Cortex-M内核的微控制器产品所达到的最高基准；STM32H7产品线包括三个系列：（1）单核系列：基于Cortex®-M7的产品，或者运行于480 MHz频率下实现最佳性能，或在280 MHz频率的停止模式下、以34µA典型的功耗实现性能和节电的独特结合，常用型号有：STM32H743/753、STM32H742、STM32H7A3/7B3；（2）双核系列：基于Arm® Cortex®-M7和Cortex®-M4的双核产品，运行频率分别可达480 MHz和240 MHz，支持更多的处理和应用程序分区，STM32H7双核产品系列可与内置的SMPS一起使用，以提高动态电源效率，常用型号有：STM32H747/H757、STM32H745/H755；（3）超值系列：STM32H750/B0MCU内置128 KB闪存，属经济划算的STM32H7器件，常用型号有：STM32H750、STM32H7B0。内嵌加密/哈希处理器的STM32H7器件支持安全服务，例如安全固件安装、安全启动以及安全固件升级；STM32H7单核和超值系列的封装引脚可以与STM32F7系列超高性能MCU和STM32F4高性能系列MCU的大多数常用封装做到兼容。当采用DSP时，可选择德州仪器生产的C2000系列DSP芯片，C2000 实时控制 MCU 采用专有的 32 位内核 (C28x CPU)，可提供单周期操作和高达 300MIPS 的速度，外加经高度优化的外设和中断管理总线；这些实时单芯片控制解决方案具有强大的集成外设，专为各种控制应用而设计。该系列DSP芯片中应用较多的有TMS320F2812、TMS320F28335、TMS320F28378、TMS320F28388等，以TMS320F2812为例，TMS320F2812是32 位定点 DSP 芯片，具有强大的运算能力；主频高达 150MHZ；功能完善的电机控制模块：两个事件管理器（EVA、EVB）及 QEP 模块；外设中断丰富；总线接口齐全：I2C、SPI、CAN、SCI 等；具有 16 个 12 位 A/D 转换通道。由于该芯片完善的电机控制功能，许多电机控制功能集成到该芯片上，通过软件或片上硬件实现，使得外围电路得以大大简化，降低开发成本。TMS320F2812具有以下功能特点：（1）高性能静态CMOS技术：6.67ns指令周期，也即机器周期(主频 150MHz)，一个机器周期执行一条指令，当主频135MHz时，内核1.8V供电；当主频150MHz时，内核.9V供电，3.3V I/O 口供电；（2）支持JTAG边界扫描；（3）高性能32位CPU：1个周期完成32×32位乘法累加运算或两个16×16位乘法累加运算，快速中断响应和处理，统一存储器编程模式，4M 线性空间程序、数据地址访问，代码高效，兼容TMS320F24x/LF240x处理器源代码；（4）3个外部中断，外设中断扩展模块（PIE），支持45个外设中断；（5）18K单口RAM(16位)，128K片上3.3V Flash(16 位)，片上Flash/SARAM/OTP/ROM代码安全保护，启动引导 ROM，1K一次性编程ROM，外部存储扩展接口；（6）电机控制模块事件管理器A和B，每个事件管理器具有：两个通用定时器、8 路比较PWM、三个捕获单元（CAP）和一个正交编码脉冲单元（QEP）；（7）看门狗定时器，防止程序跑飞；（8）16 通道 12 位 ADC转换电路；（9）3个32位CPU定时器：T0、T1和 T2；（10） 外设串行口通讯口：外设串行接口（SPI）、串行通讯接口 A（SCIA）和 B（SCIB）、支持增强模式（e CAN）的控制器局域网（CAN）、多通道缓冲串行口（Mc BSP）；（11）56 数字输入/输出引脚。
图4是本发明电机驱动子系统的实施例框图。电机驱动子系统包括电源电路、伺服驱动模块、继电控制模块、用于连接控制子系统以传输控制信号的控制信号接口、用于指示各个电气设备运行状态的指示灯电路；电源电路由空气开关、交流接触器、整流滤波电路、DC/DC变换器组成，市电AC220V电源经空气开关、交流接触器后分别到整流滤波电路以提供伺服驱动模块和系统其它部分的直流电源、到七个继电器以提供制动器和离合器的工作电源、到控制室以提供上位机与操作台的工作电源，控制室内操作台上的紧急按钮与交流接触器连接用于在紧急情况下切断控制系统工作电源，整流滤波后的DC300V经DC/DC变换器后得到控制子系统的工作电源DC5V和伺服驱动模块、继电器驱动电路、行程开关、编码器的工作电源DC24V；伺服驱动器模块包括横向伺服驱动器、纵向伺服驱动器、升降伺服驱动器、回转伺服驱动器、倾斜伺服驱动器，五个伺服驱动器结构和功能相同，用于根据控制子系统发出的控制信号实施对五个交流伺服电机的驱动、调速、停止控制并通过控制信号接口向控制子系统返回伺服驱动器的工作状态参数，由DC24V提供伺服驱动器内部电路工作电源，DC300V经伺服驱动器逆变为U、V、W三相电以驱动交流伺服电机，通过电流传感器向控制子系统反馈五个交流伺服电机的工作电流，通过编码器向控制子系统反馈五个交流伺服电机运行的速度、位置信号；继电控制模块包括继电器驱动电路和七个继电器，继电器驱动电路由DC24V供电，在控制子系统发出控制信号的控制下驱动七个继电器的断开与接通，以实现AC220V到各制动器、离合器电磁线圈回路的通/断控制，从而实现对治疗床五个运动结构调节完成后的锁紧和横向、纵向运动结构调节完成后的离合；在治疗床工作过程中，电机驱动子系统一方面由电源电路通过市电AC220V为系统设备供电，另一方面接收来自控制子系统的控制信号通过伺服驱动器模块对五个交流伺服电机实施控制、通过继电控制模块控制制动器、离合器，向控制子系统反馈伺服电机工作电流、运行速度与位置和通过行程开关反馈运动机构的安全状态，以实现治疗床的整体协调、准确运动和定位。在本发明中，为提高电路的可靠性、简化电路设计，缩短了项目开发周期，选择智能功率模块（IPM）作为伺服电机的伺服驱动模块。IPM不仅把功率开关器件和驱动电路集成在一起，而且还内置了欠电压、过流和过热等故障检测电路，并可将故障检测信号输出到控制单元，功能非常完善。常用的IPM 模块有：PM20CSJ060、PM50CL1B060、PM50CL1B120，应根据所用伺服电机的额定工作电压、电流来选择。以PM50CL1B060为例，它具有以下功能特点：采用第五代全栅型 CSTBTTM硅片技术；通过检测 CSTBTTM硅片表面温度来进行过热保护；从IPM 每一个上下桥臂的保护电路输出故障信号；兼容 L 系列封装。在PM50CL1B060内部集成了6只IGBT，每只IGBT并接有续流二极管，防止IGBT关断期间遭到损坏；逆变部分IGBT集电极-发射极之间最高电压600V，最大电流50A，P-N间供电电压要求不要超过400V。控制逻辑电路供电要求VUP1~VUPC、VVP1~VVPC、VWP1~VWPC以及VN1~VNC四组独立，分开供电，推荐值15±1.5V。控制逻辑为：输入端（UP~VUPC、VP~VVPC、WP~VWPC以及 UNVNWN与 VNC之间）低电平（≤0.8V）IGBT 导通，输入高电平（≥9V）截止。
本发明的有益效果在于：以治疗床为整体，采用五个交流伺服电机来驱动五个自由度的运动机构，结合MCU内嵌控制程序算法，实现治疗床在升降、回转、横向或纵向移动、倾斜转动过程中的同步独立控制，减少了各个电机之间的耦合性，有效提高治疗床定位的准确性和定位精度，实现病灶部位和治疗辐射野区域的最小误差重合，使治疗所需的射野形状、靶区中心处于最佳，最大限度地减少患者重要器官对辐射剂量的吸收。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而己，并不用以限制本发明，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)
1.一种用于多自由度放疗模拟治疗床的控制系统，包括电控柜内的控制子系统、电机驱动子系统与电流传感器，集成于治疗床内的五个伺服电机及其配套的编码器、制动器、离合器和安装在治疗床运动导轨上用于极限位置限制的行程开关，放置于控制室内的上位机、操作台，由市电经电控柜内的电机驱动子系统后为五个伺服电机及其配套设备、控制子系统和控制室内设备提供所需电能，控制子系统接收控制室发出的控制指令并结合各运动机构状态检测值进行处理和运算，根据运算结果发送控制信号给电机驱动子系统以对五个伺服电机的驱动、调速、制动进行控制，进而实现治疗床五个自由度的运动控制；其特征在于：治疗床的横向、纵向、升降、回转、倾斜运动机构分别由一个带编码器的伺服电机驱动以实现治疗床的多自由度运动，为避免各运动机构之间的相互关联影响，在横向、纵向驱动伺服电机与运动机构之间设置离合器，横向、纵向、升降、回转运动机构的导轨极限位置均安装有行程开关以保证治疗床在姿态调整过程中的安全，治疗床姿态调整完成后通过五个制动器锁定对应的运动机构以保持治疗床姿态，系统所用制动器、离合器均为电磁式；控制子系统用于接收控制室发出的控制指令，采集电流传感器、编码器、行程开关的信号，经预处理后由内嵌控制算法程序进行运算得到控制输出并发送给电机驱动子系统；电机驱动子系统通过市电提供系统所需工作电源，根据控制子系统传输的控制信号执行各伺服电机的驱动、调速、停止控制和制动器、离合器的控制；放疗模拟治疗床的五个自由度中，升降运动、回转运动、横向或纵向运动、倾斜运动相互独立，但横向运动与纵向运动相互关联，需通过离合器控制来进行选择性调整；放疗模拟治疗床在姿态调整过程中，首先由上位机根据放疗模拟任务进行规划决策得到控制指令并发送给控制子系统，控制子系统结合各运动机构检测值经内嵌控制算法程序后输出控制信号到电机驱动子系统，然后电机驱动子系统控制制动器松开，接着同步进行治疗床的升降、回转、横向或纵向、倾斜的姿态调整，有效降低各个电机之间存在的耦合性，提高治疗床调节的自由度和定位精度，实现病灶部位和治疗辐射野位置的精确定位，使治疗所需的射野形状、靶区中心处于最佳，减少患者重要器官对辐射剂量的吸收。
2.根据权利要求1所述的用于多自由度放疗模拟治疗床的控制系统，其特征在于：所述控制子系统以内部集成有ADC、PWM、正交编码脉冲单元QEP、I/O口、SCI接口的MCU为核心，外围设置有3个光隔输入电路、2个信号调理电路、光隔输入输出电路、通信接口、用于治疗床运行失控或设备故障警示的报警电路，由电机驱动子系统提供DC5V工作电源；控制室内的上位机经通信接口与MCU内的SCI接口连接，控制室内操作台上按键开关通过光隔输入3电路与MCU内的I/O口连接、摇杆装置通过信号调理2电路与MCU内的ADC连接，控制系统具有通过操作台上按键开关切换的自动、手动控制功能，手动控制由操作台上按键开关与摇杆装置配合给控制子系统内MCU发送操作指令来完成，用于治疗床检修调试、掉电后手动归位、粗调的控制，手动控制由上位机根据放疗模拟任务经通信接口向控制子系统内MCU发送操作指令来自动执行；光隔输入1电路向MCU内的I/O口接入治疗床各运动机构上的行程开关信号，用于运动机构到达极限位置时控制交流伺服电机停止运行；光隔输入2电路用于连接各交流伺服电机的编码器输出信号到MCU内的正交编码脉冲单元QEP，以检测各交流伺服电机运行的速度、位置，进而实现交流伺服电机的速度或位置闭环控制；信号调理1电路用于调理电机驱动子系统内电流传感器的输出信号并连接至MCU内的ADC，以检测各交流伺服电机的工作电流，进而实现交流伺服电机的电流闭环控制；光隔输入输出电路用于MCU内的PWM模块和I/O口向电机驱动子系统内的伺服驱动模块、继电控制模块发送控制信号和返回伺服驱动器的工作状态参数到MCU内的I/O口，以实现对交流伺服电机、制动器、离合器的控制；治疗床工作过程中，控制子系统MCU根据上位机或操作台发出的控制指令，结合电流传感器信号、编码器信号、行程开关信号的检测值，由MCU内嵌控制算法程序运算得出控制量并经MCU的PWM模块和I/O口输出到电机驱动子系统以控制治疗床五个自由度运动机构的交流伺服电机、制动器、离合器，实现对治疗床运动距离、角度的精准控制。
3.根据权利要求1所述的用于多自由度放疗模拟治疗床的控制系统，其特征在于：所述电机驱动子系统包括电源电路、伺服驱动模块、继电控制模块、用于连接控制子系统以传输控制信号的控制信号接口、用于指示各个电气设备运行状态的指示灯电路；电源电路由空气开关、交流接触器、整流滤波电路、DC/DC变换器组成，市电AC220V电源经空气开关、交流接触器后分别到整流滤波电路以提供伺服驱动模块和系统其它部分的直流电源、到七个继电器以提供制动器和离合器的工作电源、到控制室以提供上位机与操作台的工作电源，控制室内操作台上的紧急按钮与交流接触器连接用于在紧急情况下切断控制系统工作电源，整流滤波后的DC300V经DC/DC变换器后得到控制子系统的工作电源DC5V和伺服驱动模块、继电器驱动电路、行程开关、编码器的工作电源DC24V；伺服驱动器模块包括横向伺服驱动器、纵向伺服驱动器、升降伺服驱动器、回转伺服驱动器、倾斜伺服驱动器，五个伺服驱动器结构和功能相同，用于根据控制子系统发出的控制信号实施对五个交流伺服电机的驱动、调速、停止控制并通过控制信号接口向控制子系统返回伺服驱动器的工作状态参数，由DC24V提供伺服驱动器内部电路工作电源，DC300V经伺服驱动器逆变为U、V、W三相电以驱动交流伺服电机，通过电流传感器向控制子系统反馈五个交流伺服电机的工作电流，通过编码器向控制子系统反馈五个交流伺服电机运行的速度、位置信号；继电控制模块包括继电器驱动电路和七个继电器，继电器驱动电路由DC24V供电，在控制子系统发出控制信号的控制下驱动七个继电器的断开与接通，以实现AC220V到各制动器、离合器电磁线圈回路的通/断控制，从而实现对治疗床五个运动结构调节完成后的锁紧和横向、纵向运动结构调节完成后的离合；在治疗床工作过程中，电机驱动子系统一方面由电源电路通过市电AC220V为系统设备供电，另一方面接收来自控制子系统的控制信号通过伺服驱动器模块对五个交流伺服电机实施控制、通过继电控制模块控制制动器、离合器，向控制子系统反馈伺服电机工作电流、运行速度与位置和通过行程开关反馈运动机构的安全状态，以实现治疗床的整体协调、准确运动和定位。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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