直線加速器治療床電機驅動及控制*

張俊 袁清珂** 杜湛博

（1.廣東工業大學機電學院 2.廣東中能加速器科技有限公司）

直線加速器治療床整體運行性能，首先取決于它的電源系統和驅動系統。治療床的驅動系統一般由控制器、驅動電路及電動機三個主要部分組成。由于治療床承載的是患者，而且床體做垂直運動時負載較大，因此要求驅動系統具有較大連續轉矩、高轉矩重量比、寬調速范圍、高可靠性。本文中的治療床使用的電機為Aerotech公司生產的1000DC系列有刷直流電機，該電機輸出功率能完全滿足治療床正常運行，并且控制簡單，容易提供直流電源。本文主要介紹這種直流電機的驅動及控制。

1 硬件設計

1.1 功能分析

本控制系統的控制對象為醫用加速器治療床，系統使用的控制芯片是Atmega128單片機，驅動床運動的電機是1000DC型直流電機。該運動控制系統的基本要求是：① 使用PC機上的控制程序與Atmega128單片機進行通信，從而控制直流電機轉動，使治療床實現啟動/停止、加速/減速、上升/下降；② 顯示治療床位置。根據功能分析，系統的整體結構如圖1所示。

圖1 系統整體結構設計

1.2 硬件系統設計

(1)基于Atmega128單片機的控制模塊

本設計采用Atmega128單片機作為控制核心，該單片機基于AVR內核，采用RISC結構，增強型低功耗8位控制器。其內部資源豐富，可大量減少外部電子元件數量[1]。

本設計的單片機控制模塊參考了個人電腦 CPU的可插拔方式。將與單片機相關的晶振電路、供電電路、復位電路和USBISP下載接口等與單片機焊接在一塊PCB板上，將單片機上的所有I/O口通過插針引出，需要使用該模塊時只需安插在運動控制板的相應接口上即可，這樣可以減少運動控制板上的電路，方便下載程序，并可以快速更換不同型號的單片機。單片機控制模塊實物圖如圖2 所示。該模塊使用了外部晶振，頻率為11MHz，單片機通電即實現復位。模塊上提供ISP接口，可以直接通過 ISP下載器下載程序到Atmega128單片機中。

(2)H橋驅動模塊

圖2 單片機控制模塊實物圖

H橋驅動電路原理圖如圖3 所示，該模塊由兩片IR2112驅動芯片和四片FGA25N120的IGBT管（Q1、Q2、Q3、Q4）組成。該電路具有響應快、高壓高速、調速頻帶寬的特點[2]。使用100V的直流電源。經測試，電機在轉動時，電流最大可達到20A，FGA25N120型IGBT管最大可承受40A的集電極電流，所以選用該型號IGBT管。單片機的PE3接口發送PWM信號，使用TLP521光耦進行光電隔離，這樣既保證了能夠直接驅動MOSFET，又使驅動電路和PWM控制電路有效隔離。加載到IR2112芯片上后，IR2112上的HIN和LIN兩個引腳輸入的PWM波形需是反向的，所以在電路中加了CD4069UDC反向器。

圖3 H橋驅動電路原理圖

圖3 中Q1和Q4以及Q2和Q3分別組成兩條通路，當PE3發送的PWM波占空比為100%時，IR2112驅動芯片會使Q1和Q4一直導通，Q2和Q3一直截止，電機兩端的壓差達到最大，電機正轉的速度最大；當占空比為50%時，電機兩端壓差為0，電機停止[3]。

2 軟件設計

整個控制程序主要包括主程序、初始化程序和中斷服務程序[4]。系統上電后，單片機所有的I/O口和寄存器完成初始化并自測，然后開啟A/D轉換器和中斷，完成初始化后開始循環執行主程序，主程序流程如圖4（a）所示。主程序循環檢測電腦發送的兩種指令（手動操作控制治療床、治療床精確自動運動），如果指令為1，則進入手動操作控制治療床子程序；如果指令為2則進入治療床精確自動運動子程序；如果是這兩個指令以外的其它指令，則檢測治療床的位置并顯示出來，之后重新檢測指令，一直循環執行[5]。

圖4 程序流程圖

手動操作控制治療床子程序要求能夠控制治療床的運動方向和速度，并且顯示治療床的狀態，其流程圖如圖4（b）所示，這亦是一個循環函數體。首先檢測并顯示治療床的位置，當按下開始運動鍵時，床以最低速度上升；當按下加減速鍵時將修改定時器的初值，改變定時器中斷的頻率，進而改變PWM波的占空比，使電機轉速改變[6]；當檢測到電腦發送的改變控制方式的指令時，跳出循環。

圖4 程序流程圖

治療床精確自動運動子程序主要是根據電腦輸入的具體位置，由單片機檢測治療床的高度，進而精確地控制治療床運行到目標位置。該精確運動的子程序使用了 PID控制，在治療床運行到接近目標位置時，運行速度下降，該控制方法使治療床能夠更平穩精確地運行到目標位置[7]。

3 結束語

本文設計的直線加速器治療床的電機驅動及控制系統具有以下特點：

(1)本系統以Atmel公司生產的Atmega128單片機為控制單元，該單片機技術先進，性能穩定，在控制領域使用較廣，產品較為成熟，質量也相對較好，并且控制電路采用了模塊化設計，方便更換。

(2)采用了H橋驅動模塊，并使用PWM控制方式控制電機，該技術具有較高的調速精度、較短的響應時間和寬調速范圍等特點。

本文的研究已在廣東中能加速器科技有限公司生產的直線加速器治療床中使用，直線加速器治療床實物圖如圖5所示。經過一系列的實驗，取得比較理想的效果，該系統能實現控制治療床升降、調速、停止和精確運動等操作。

圖5 直線加速器治療床實物圖

[1]吳守箴,戚英杰.電氣傳動的脈寬調制控制技術[M].北京:機械工業出版社,2003.

[2]邵貝貝.單片機嵌入式應用的在線開發方法[M].北京:清華大學出版社,2007.

[3]廖冬初,聶漢平.電力電子技術[M].武漢:華中科技大學出版社,2007.

[4]楊靖.用單片機控制的直流電機調速系統[J].計算機PLC應用,2008,35(1):45-47.

[5]耿德根,宋建國,馬潮,等.AVR 高速嵌入式單片機原理與應用(修訂版)[M].北京:清華大學出版社,2005.

[6]常海,李廣東.IR2112在 IGBT交流調壓控制電路中的應用[J].電子元器件的應用,2008,10(02):28-31.

[7]游志宏,杜楊,張洪,等.基于場效應管的直流電機驅動控制電路設計[J].國外電子元器件,2008(2):3-6.