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口论文
直线加速器治疗床电机驱动及控制
张俊袁清珂”杜湛博2
(1.广东工业大学机电学院2.广东中能加速器科技有限公司)
摘要:直线加速器治疗床主要用于肿瘤治疗时将病员的病灶置于辐射野内。为提高其运动精度和可靠性
本文以 Atmegal28单片机作为控制单元,运用PWM控制方式,采用驱动芯片IR2112、FGA25N120构成H桥驱
动单元,设计了一种高性能的电机驱动控制系统。经过实际测试使用,该系统能提供足够大的驱动功率,使治疗
床平稳和精确地运动。
关键词:AVR单片机:PWM;直线加速器:H桥
直线加速器治疗床整体运行性能,首先取决于它1.2硬件系统设计
的电源系统和驱动系统。治疗床的驱动系统一般由控
(1)基于A如 megal28单片机的控制模块
制器、驱动电路及电动机三个主要部分组成。由于治
本设计采用 Atmega128单片机作为挖制核心,该
疗床承载的是患者,而且床体做垂直运动时负载较单片机基于AVR内核,米用RISC结构,增强型低
大,因此要求驱动系统具有较大连续转矩、高转矩重功耗8位控制器。其内部资源丰富,可大量减少外部
量比、宽调速范围、高可靠性。本文中的治疗床使用电子元件数量。
的电机为 Aerotech公司生产的1000DC系列有刷直流
本设计的单片机控制模块参考了个人电脑CPU
电机,该电机输出功率能完全满足治疗床正常运行,的可插拔方式。将与单片机相关的晶振电路、供电电
并且控制简单,容易提供直流电源。本文主要介绍这路、复位电路和 USBISP下载接口等与单片机焊接在
种直流电机的驱动及控制。
一块PCB板上,将单片机上的所有IO口通过插针引
1硬件设计
出,需要使用该模块时只需安插在运动控制板的相应
接口上即可,这样可以减少运动控制板上的电路,方
1功能分析
便下载程序,并可以快速更换不同型号的单片机。单
本控制系统的控制对象为医用加速器治疗床,系
片机控制模块实物图如图2所示。该模块使用了外部
统使用的控制芯片是 Atmegal28单片机,驱动床运动
晶振,频率为1IMHz,
的电机是1000DC型直流电机。该运动控制系统的基
单片机通电即实现复
本要求是:①使用PC机上的控制程序与 Atmegal28
位。模块上提供ISP接
单片机进行通信,从而控制直流电机转动,使治疗床口,可以直接通过ISP
实现启动停止、加速减速、上升/下降;②显示治疗
下载器下载程序到
床位置。根据功能分析,系统的整体结构如图1所示。
Atmegal28单片机中。
图2单片机控制模块实物图
数码管
显示模
(2)H桥驱动模块
Atmega
块
H桥驱动电路原理图如图3所示,该模块由两片
机控
制模块
桥驱
直流
位置
IR2112驱动芯片和四片PGA25N120的IGBT管(Q1、
动模块
电机
采集
Q2、Q3、Q4)组成。该电路具有响应快、高压高速、
调速频带宽的特点。使用100V的直流电源。经测
图1系统整体结构设计
试,电机在转动时,电流最大可达到20A,FGA25N120
来基金项目:广东省教育部产学研结合项目(2011B090400119,
2012年第2期自动化与信息工程5
2009B090300340);广州市科技支撑计划项目(2008Z1-D371)
佛山市粤港招标项目(2008244)。**通讯作者
型IGBT管最大可承受40A的集电极电流,所以选用有效隔离。加载到R2112芯片上后,IR2112上的HIN
该型号IGBT管。单片机的PE3接口发送PWM信号,和LN两个引脚输入的PWM波形需是反向的,所以
使用TLPS21光耦进行光电隔离,这样既保证了能够在电路中加了CD4069UDC反向器。
直接驱动 MOSFET,又使驱动电路和PWM控制电路
V MOTOR SIRVO
14
D3U02
D
MGT
FGA25N120
GA25N120
TR2112
VDD
V
4]4B
FGA25~1204
FGA25N120
350
DND WA
图3H桥驱动电路原理图
图3中Q1和Q4以及Q2和Q3分别组成两条通制治疗床子程序;如果指令为2则进入治疗床精确自
路,当PE3发送的PWM波占空比为100%时,R2112动运动子程序;如果是这两个指令以外的其它指令,
驱动芯片会使Q1和Q4一直导通,Q2和Q3一直截则检测治疗床的位置并显示出来,之后重新检测指
止,电机两端的压差达到最大,电机正转的速度最大;令,一直循环执行阿。
开始
当占空比为50%时,电机两端压差为0,电机停止的
手动操作控制治
2软件设计
疗床子程序要求能够
检测并显示
疗床位置
控制治疗床的运动方
整个控制程序主要包括主程序、初始化程序和中
向和速度,并且显示治
开始键是否按
N
断服务程序。系统上电后,单片机所有的IO口和疗床的状态,其流程图
寄存器完成初始化并
停止键是否按
开始
如图4(b)所示,这亦
自测,然后开启AD转
N
是一个循环函数体。首
换器和中断,完成初始
初始化O口寄存器
是否切换控
先检测并显示治疗床
方式
化后开始循环执行主
N
开启动AD转换器和中断
的位置,当按下开始运「「ik、爱
程序,主程序流程如图
否按下
动键时,床以最低速度
4(a)所示。主程序循指令为」的测电x收
上升;当按下加减速键
反向键是否按しY、修改运动方
环检测电脑发送的两
其它
时将修改定时器的初
手动操作控「检测并显示1治疗床精确
种指令(手动操作控制
疗床「治疗味位置
自动运动
值,改变定时器中断的
结束
治疗床、治疗床精确自
频率,进而改变PWM
动运动),如果指令为
(a)主程序流程图
波的占空比,使电机转(?手动操作控制治疗床流程图
1,则进入手动操作控
图4程序流程图
速改变?,当检测到电
图4程序流程图