PIC單片機(jī)在乳腺設(shè)備旋轉(zhuǎn)控制的應(yīng)用

趙曉洲

(沈陽東軟醫(yī)療系統(tǒng)有限公司，遼寧 沈陽 110000）

旋轉(zhuǎn)裝置是數(shù)字乳腺設(shè)備的重要組成部件，負(fù)責(zé)患者擺位的定位，通過電位計(jì)實(shí)現(xiàn)位置信息反饋和位置閉環(huán)控制；電機(jī)拖動(dòng)部分采用高轉(zhuǎn)矩矢量變頻器驅(qū)動(dòng)，利用旋轉(zhuǎn)編碼器進(jìn)行速度閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)精確速度及位置控制，達(dá)到臨床擺位精度要求。

1 乳腺機(jī)結(jié)構(gòu)

乳腺機(jī)主要包括三個(gè)部件，第一個(gè)C型臂，用來支撐球管和平板的結(jié)構(gòu)，圍繞旋轉(zhuǎn)軸可以做180到-135度的旋轉(zhuǎn)；第二個(gè)是立柱，實(shí)現(xiàn)主機(jī)架的固定，通過直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)C型臂的上升和下降，依據(jù)臨床患者身高進(jìn)行上升和下降，找到適合的高度；第三個(gè)是底座，實(shí)現(xiàn)整機(jī)的固定，四角安裝有腳輪，實(shí)現(xiàn)乳腺機(jī)的移動(dòng)。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)的工作原理

基于PIC18F4585MCU及矢量變頻器構(gòu)成的交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)原理框圖

控制系統(tǒng)接收系統(tǒng)工作站的運(yùn)動(dòng)控制命令，實(shí)時(shí)反饋當(dāng)前位置信息到PC機(jī)，同時(shí)反饋速度信息到變頻器。旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)在兩個(gè)極端位置分別設(shè)置有正向限位開關(guān)及反向限位開關(guān)，保護(hù)旋轉(zhuǎn)裝置被損壞。在每個(gè)電氣限位開關(guān)前面1度的地方，控制軟件設(shè)置了軟件保護(hù)限位點(diǎn)，電氣限位是在軟限位出現(xiàn)異常時(shí)才起作用。

旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)向上位機(jī)發(fā)送當(dāng)前位置信息，系統(tǒng)根據(jù)所要到達(dá)的目標(biāo)位置與當(dāng)前位置差值，PIC單片機(jī)根據(jù)C-Arm當(dāng)前位置及目標(biāo)位置，給變頻器發(fā)送方向及速度命令，VVVF變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，PIC單片機(jī)內(nèi)置了加減速曲線，控制C-Arm載體實(shí)現(xiàn)軟起軟停功能，實(shí)現(xiàn)位置的精確控制。

2.2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本文所研究的旋轉(zhuǎn)裝置的控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要包括運(yùn)動(dòng)控制模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、位置與速度檢測(cè)模塊和通信模塊。

2.2.1 運(yùn)動(dòng)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。運(yùn)動(dòng)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊核心芯片是PIC18F4585單片機(jī)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊核心部件是VVVF變頻器。VVVF變頻器的方向、速度信號(hào)端子分別與PIC18F4585單片機(jī)的端口連接。VVVF變頻器根據(jù)單片機(jī)PIC18F4585發(fā)出的方向及速度命令實(shí)時(shí)控制載體的運(yùn)動(dòng)方向和速度，在即將達(dá)到目標(biāo)位置時(shí)提前減速，到達(dá)目標(biāo)位置后變頻器使能直流制動(dòng)功能，使得載體快速停止，保證載體的位置精度。單獨(dú)給VVVF變頻器提供隔離控制電源，使得電機(jī)運(yùn)動(dòng)引起的電源沖擊與控制模塊的電源充分隔離，減少強(qiáng)電干擾。

2.2.2 位置與速度檢測(cè)模塊。位置檢測(cè)模塊主要通過檢測(cè)與旋轉(zhuǎn)裝置軸相連的旋轉(zhuǎn)電位計(jì)阻值的變化，通過將輸入位置電壓變化信號(hào)進(jìn)行濾波、放大后接入AD轉(zhuǎn)換芯片，單片機(jī)通過SPI總線與AD轉(zhuǎn)換芯片通訊，及時(shí)讀走位置信息，反饋到上位機(jī)。速度檢測(cè)模塊主要通過檢測(cè)與旋轉(zhuǎn)裝置軸相連的增量式光電編碼器,從而實(shí)現(xiàn)檢測(cè)并獲取旋轉(zhuǎn)載體電機(jī)軸位置的目的。增量式碼盤反饋的脈沖信號(hào)接入VVVF變頻器，變頻器通過脈沖變化率實(shí)時(shí)檢測(cè)旋轉(zhuǎn)裝置的實(shí)際速度，與系統(tǒng)設(shè)定速度進(jìn)行閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)裝置的速度閉環(huán)控制，保證在不同傳動(dòng)機(jī)構(gòu)或不同位置時(shí)，旋轉(zhuǎn)裝置速度保持一致。

2.2.3 通訊模塊。通訊模塊采用CAN機(jī)制，基于PCA82C250芯片構(gòu)建通訊網(wǎng)絡(luò)，主機(jī)PC與下位機(jī)采用主從結(jié)構(gòu)，PC機(jī)實(shí)時(shí)發(fā)送控制命令，同時(shí)輪詢下位機(jī)是否有信息需要上傳，如果旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)檢測(cè)到需要上傳的信息，通過系統(tǒng)輪詢將信息上傳到PC機(jī)。

2.3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的軟件部分主要包括初始化模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊、位置檢測(cè)模塊和通信模塊。單片機(jī)根據(jù)位置檢測(cè)模塊獲取的信息,確定旋轉(zhuǎn)裝置的速度和位置,根據(jù)位置與速度之間的關(guān)系，單片機(jī)生成速度曲線，進(jìn)行位置控制。

旋轉(zhuǎn)載體速度控制采用緩啟緩?fù)＜夹g(shù)，確保位置精度要求，啟動(dòng)速度采用2段速啟動(dòng)，減速停止采用5段速由高速根據(jù)距離目標(biāo)位置的遠(yuǎn)近逐步降低速度，直到到達(dá)目標(biāo)位置，速度減小到零，并啟動(dòng)制動(dòng)功能。

3 結(jié)語

本文介紹了用于醫(yī)療診斷設(shè)備的旋轉(zhuǎn)裝置控制板的設(shè)計(jì)方法,采用PIC18F4585單片機(jī)與VVVF變頻器構(gòu)成旋轉(zhuǎn)裝置的伺服系統(tǒng),本系統(tǒng)具有硬件電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、成本低廉以及單片機(jī)CPU負(fù)擔(dān)小,控制的實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)。該裝置已經(jīng)在臨床醫(yī)院的設(shè)備上進(jìn)行了長(zhǎng)期運(yùn)行，取得了良好的應(yīng)用效果。

[1] 劉敏,尤波,絮延河.平面關(guān)節(jié)型裝配機(jī)器人控制系統(tǒng)的開發(fā)[J].黑龍江電力,2004,26(3):190～193.

[2] LM628/629 programming guide.National semiconductor application note 693,1999.