本文介紹了羅升Elmo伺服系統IGRT呼吸仿真系統中應用。該系統相比較之前傳統PLC位置控制構架更加簡單和可靠，伺服驅動器內部程序編寫完成了精準正弦曲線運動和位置跟隨運動。

關鍵詞

•羅升Elmo伺服系統
•RS-232通訊控制
•位置跟隨

Image guided radiation therapy 影像引導放射治療（IGRT）是近年來放射腫瘤學領域最先進治療技術。新型IGRT系統，將影像獲取、治療計劃設計、CT模擬定位及加速器治療完美整合到一套放療系統之中，以精確實施放射治療。目前IGRT設備主要有傳統直線減速器結合影像系統、斷層放射治療機和影像引導立體定向治療機。IGRT呼吸仿真系統主要功能為模擬人體呼吸系統運動，進而達到診斷目，以完成精確實施放射治療。本文主要介紹使用ELMO伺服系統完成呼吸仿真運動過程，借助ELMO伺服強大編程功能和與人機界面通訊功能完成精確位置控制。

系統要求：

該系統主要模仿人體呼吸系統運動，主要分為兩個運動單元，兩個運動軸X、X‘分別做相對正弦曲線運動，X‘軸位于X軸上，保證X‘軸相絕對位置沒有位移，故需要X、X‘兩軸運動保持嚴格同步。同時每個軸都需要回原點功能以及單獨運動功能。正弦運動參數（包括運動周期、幅度等參數）需要可以人機界面上完成設置、顯示和修改。

系統構成和系統框架圖：

該系統構成主要分為機械部分和電氣部分。機械部分整體高度限制以及放射過程中，被放射面不能有金屬存，故傳動上采用了同步齒形帶結構，伺服電機直接驅動；電氣部分采用了臺灣HITECH人機界面作為顯示和控制終端，人機界面同時和兩臺ELMO伺服驅動控制器通訊，ELMO伺服里面編寫好程序，利用人機界面實現回原點、頻率幅值設定、兩軸同動等控制功能。具體電氣系統框架圖如圖1：

圖1

人機界面顯示界面比較簡單，包含了參數設置、回原點、兩軸同動、單軸單獨運動等幾個界面，可以客戶需要完成相關功能增減。

該套系統核心技術采用了智能型具有控制功能伺服驅動器，驅動器編程實現了傳統應用中大型PLC才能實現位置控制功能。針對ELMO智能型伺服驅動器會下面做詳細介紹。

羅升ELMO伺服該應用中特點：

1.全面可編程功能

羅升公司ELMO伺服為以色列ELMO公司研發最新一代數字智能型伺服驅動器，其驅動器自帶了2K編程空間，加強型驅動器更是配備了32K編程空間，完全可以滿足復雜運動控制。

其編程界面友好易用，有高級語言編程經驗客戶可以很短時間內熟悉該產品編程工作。具體編程界面如圖2：

圖2

其編程采用語言是類似于C語言編程環境，可以使用while、if、until、define、for、end等語句；同時融入了ELMO伺服自身內部運動控制參數70余個，例如：MO、PX、VX、AC、BG、ST、UM、RM等；另外，可以對外部I/O以及模擬量進行編程操作，完成I/O事件觸發以及模擬量輸入速度控制等。具體編程片斷如圖3：

圖3

2.正弦曲線功能

該應用中，一個最主要功能是需要伺服模擬人體呼吸運動，做正弦曲線運動。傳統實現該功能方法是需要帶有位置控制功能模塊PLC復雜浮點運算后，給出相應脈沖頻率來完成位置控制。而ELMO伺服驅動器中，自帶了SIN函數，同時還帶有PTP（點到點）和PVT（位置、速度、時間）等曲線運動控制功能，可以很容易完成正弦曲線設定。

針對此應用，ELMO伺服給出具體實現方法是：首先人機界面輸入頻率計算出運動周期，然后周期運算把一個周期時間細分為64段，再輸入幅度值，一個周期內細分出64個位置點，SIN函數運算，就出一個周期內相應64個點位上每個點位置、速度、時間這三個參數，將這些參數確定后，再確定運動起始點和運動模式（一次運行周期運行等）。待以上工作都完成后，驅動器會接到下一個開始運動指令后，輸入64個點，進行PVT曲線運動，將64個點連成平滑曲線后就可以順利實現SIN曲線運動。

以下是ELMO驅動器配套軟件中示波器功能到伺服電機做正弦運動時相關曲線圖：

圖4 位置曲線

圖5 速度曲線

圖6 電流曲線

圖7 位置誤差曲線

3.回原點功能

每次上電后，電機位置不定，故需要上電回原點功能。ELMO驅動器自帶HM指令可以輕松完成復雜回原點過程。

接收到人機界面給回原點指令后，伺服驅動器首先事先指定好內部速度向負方向運動，同時檢測原點信號，當檢測到原點信號后立刻停止，并將當前位置設置為0。值一提是，這個過程中，多個參數都可以設定：首先，HM[3>參數，可以設定觸發條件，其中可以設定為編碼器Z項信號觸發、外部I/O輸入1-6管角對應原點開關信號觸發等；其次，可以HM[4>指令設定當到達原點時數字輸出給出一個輸出信號到其他裝置；另外，還可以HM[5>參數，設定到達原點時位置設定值，可以選擇設定到達位置為0，也可以選擇設定到達時位置為預先HM[2>指令中設定值，還可以設定為｛當前位置值PX-HM[2>｝。

基于以上豐富指令形式，再加上輸入點中輸入5和輸入6為高速輸入節點，ELMO驅動器可以完成非常精確回原點過程。

4.位置跟隨功能

此應用中，兩軸同動時需要保持絕對位置不變，故兩個軸之間同步性就需要到保證。針對此點，ELMO產品有著很好應用。

ELMO驅動器中，共有兩路脈沖輸入端口，其中J2對應脈沖端口為主反饋端口，其用來接收伺服電機編碼器信號。同時另外一路脈沖端口我們稱之為輔助反饋端口，輔助反饋端口功能我們可以軟件來定義，可以定義為A、B項差分信號輸入，也可以定義為PULSE+DIRECTION脈沖+方向信號輸入，還可以定義為J2口編碼器信號1：1無延遲硬件輸出。我們位置跟隨功能也就正好利用了這個功能。

跟隨過程中，X軸電機驅動器輔助反饋口YA[4>參數定義為主編碼器信號1：1輸出，硬件連接到X’軸電機驅動器輔助反饋口，同時定義X’軸驅動器輔助反饋口為A、B項脈沖信號輸入，這樣就完成了硬件上連接。此時，再X’軸驅動器參數中設定外部參數有效RM=1，同時設定跟隨比率FR[3>=1，這樣簡單設定，X’軸就會完全跟隨X軸電機運動，做到嚴格比例跟隨，跟隨比例為FR[3>所設定1：1。

以上過程，實際測試過程中，電機從0rpm以20000000counts/s2加速到3000rpm時，兩個電機之間跟隨誤差最大為20counts，折算過來約為0.72度。以3000rpm穩定運行過程中，跟隨誤差可以控制3counts以內，約合0.1度，非常好滿足了該系統要求。

值一提是，ELMO驅動器跟隨比率FR[3>可以運動過程中動態調節改變，跟隨軸也可以跟隨誤差驅動器自身做動態調整，運動效果為跟隨值與調整值疊加效果。另外，ELMO驅動器帶有ECAM電子凸輪功能也可以完成復雜凸輪運動，替代傳統機械凸輪，印刷、包裝、軍工等行業都有很好應用。

5.其他特點

此項目屬于醫療項目，且涉及到圖像處理，故對整體電氣產品電磁兼容性EMC（Electro Magnetic Compatibility）有很嚴格要求。傳統伺服驅動器干擾比較大，運行過程中會對圖像產生很嚴重干擾現象，導致圖像失真無法使用，而ELMO伺服電磁干擾EMI（Electro Magnetic Interference）測試完全符合歐洲醫療行業應用指標，可以非常好應用于全球醫療行業。目前GE、PHILIPS、SIEMENS都是其代表性行業應用客戶。

此設備為醫療用輔助設備，需要經常性搬運與安裝，故此設備體積就成為客戶比較關心問題之一。其上使用ELMO驅動器體積僅為82mm x 25.4mm x 75mm，重量僅為150g，此種驅動器為同類產品中最小，非常適合于此種情況下應用。

結語：

這個項目中，巧妙使用羅升ELMO驅動器自身能夠提供SIN函數和PVT曲線功能，實現了客戶復雜運動曲線要求。節省了使用PLC等產品帶來成本增加，同時使用電氣產品減少，大大增強了自身產品整合度，提高了可靠性，也使類似小型設備看上去體積小巧，科技含量很高。