PIC單片機在乳腺設備旋轉控制的應用

趙曉洲

(沈陽東軟醫療系統有限公司，遼寧 沈陽 110000）

旋轉裝置是數字乳腺設備的重要組成部件，負責患者擺位的定位，通過電位計實現位置信息反饋和位置閉環控制；電機拖動部分采用高轉矩矢量變頻器驅動，利用旋轉編碼器進行速度閉環控制，實現精確速度及位置控制，達到臨床擺位精度要求。

1 乳腺機結構

乳腺機主要包括三個部件，第一個C型臂，用來支撐球管和平板的結構，圍繞旋轉軸可以做180到-135度的旋轉；第二個是立柱，實現主機架的固定，通過直流電機驅動可以實現C型臂的上升和下降，依據臨床患者身高進行上升和下降，找到適合的高度；第三個是底座，實現整機的固定，四角安裝有腳輪，實現乳腺機的移動。

2 控制系統設計

2.1 控制系統的工作原理

基于PIC18F4585MCU及矢量變頻器構成的交流電機驅動系統如圖1所示。

圖1 控制系統原理框圖

控制系統接收系統工作站的運動控制命令，實時反饋當前位置信息到PC機，同時反饋速度信息到變頻器。旋轉系統在兩個極端位置分別設置有正向限位開關及反向限位開關，保護旋轉裝置被損壞。在每個電氣限位開關前面1度的地方，控制軟件設置了軟件保護限位點，電氣限位是在軟限位出現異常時才起作用。

旋轉控制系統實時向上位機發送當前位置信息，系統根據所要到達的目標位置與當前位置差值，PIC單片機根據C-Arm當前位置及目標位置，給變頻器發送方向及速度命令，VVVF變頻器驅動電機旋轉，PIC單片機內置了加減速曲線，控制C-Arm載體實現軟起軟停功能，實現位置的精確控制。

2.2 控制系統的硬件設計

本文所研究的旋轉裝置的控制系統硬件結構主要包括運動控制模塊、電機驅動模塊、位置與速度檢測模塊和通信模塊。

2.2.1 運動與電機驅動模塊。運動與電機驅動模塊核心芯片是PIC18F4585單片機，電機驅動模塊核心部件是VVVF變頻器。VVVF變頻器的方向、速度信號端子分別與PIC18F4585單片機的端口連接。VVVF變頻器根據單片機PIC18F4585發出的方向及速度命令實時控制載體的運動方向和速度，在即將達到目標位置時提前減速，到達目標位置后變頻器使能直流制動功能，使得載體快速停止，保證載體的位置精度。單獨給VVVF變頻器提供隔離控制電源，使得電機運動引起的電源沖擊與控制模塊的電源充分隔離，減少強電干擾。

2.2.2 位置與速度檢測模塊。位置檢測模塊主要通過檢測與旋轉裝置軸相連的旋轉電位計阻值的變化，通過將輸入位置電壓變化信號進行濾波、放大后接入AD轉換芯片，單片機通過SPI總線與AD轉換芯片通訊，及時讀走位置信息，反饋到上位機。速度檢測模塊主要通過檢測與旋轉裝置軸相連的增量式光電編碼器,從而實現檢測并獲取旋轉載體電機軸位置的目的。增量式碼盤反饋的脈沖信號接入VVVF變頻器，變頻器通過脈沖變化率實時檢測旋轉裝置的實際速度，與系統設定速度進行閉環控制，實現旋轉裝置的速度閉環控制，保證在不同傳動機構或不同位置時，旋轉裝置速度保持一致。

2.2.3 通訊模塊。通訊模塊采用CAN機制，基于PCA82C250芯片構建通訊網絡，主機PC與下位機采用主從結構，PC機實時發送控制命令，同時輪詢下位機是否有信息需要上傳，如果旋轉系統檢測到需要上傳的信息，通過系統輪詢將信息上傳到PC機。

2.3 控制系統的軟件設計

控制系統的軟件部分主要包括初始化模塊、運動控制模塊、位置檢測模塊和通信模塊。單片機根據位置檢測模塊獲取的信息,確定旋轉裝置的速度和位置,根據位置與速度之間的關系，單片機生成速度曲線，進行位置控制。

旋轉載體速度控制采用緩啟緩停技術，確保位置精度要求，啟動速度采用2段速啟動，減速停止采用5段速由高速根據距離目標位置的遠近逐步降低速度，直到到達目標位置，速度減小到零，并啟動制動功能。

3 結語

本文介紹了用于醫療診斷設備的旋轉裝置控制板的設計方法,采用PIC18F4585單片機與VVVF變頻器構成旋轉裝置的伺服系統,本系統具有硬件電路結構簡單、可靠性高、成本低廉以及單片機CPU負擔小,控制的實時性好等優點。該裝置已經在臨床醫院的設備上進行了長期運行，取得了良好的應用效果。

[1] 劉敏,尤波,絮延河.平面關節型裝配機器人控制系統的開發[J].黑龍江電力,2004,26(3):190～193.

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