直线加速器治疗床电机驱动及控制*

张俊 袁清珂** 杜湛博

（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）

直线加速器治疗床整体运行性能，首先取决于它的电源系统和驱动系统。治疗床的驱动系统一般由控制器、驱动电路及电动机三个主要部分组成。由于治疗床承载的是患者，而且床体做垂直运动时负载较大，因此要求驱动系统具有较大连续转矩、高转矩重量比、宽调速范围、高可靠性。本文中的治疗床使用的电机为Aerotech公司生产的1000DC系列有刷直流电机，该电机输出功率能完全满足治疗床正常运行，并且控制简单，容易提供直流电源。本文主要介绍这种直流电机的驱动及控制。

1 硬件设计

1.1 功能分析

本控制系统的控制对象为医用加速器治疗床，系统使用的控制芯片是Atmega128单片机，驱动床运动的电机是1000DC型直流电机。该运动控制系统的基本要求是：① 使用PC机上的控制程序与Atmega128单片机进行通信，从而控制直流电机转动，使治疗床实现启动/停止、加速/减速、上升/下降；② 显示治疗床位置。根据功能分析，系统的整体结构如图1所示。

图1 系统整体结构设计

1.2 硬件系统设计

(1)基于Atmega128单片机的控制模块

本设计采用Atmega128单片机作为控制核心，该单片机基于AVR内核，采用RISC结构，增强型低功耗8位控制器。其内部资源丰富，可大量减少外部电子元件数量[1]。

本设计的单片机控制模块参考了个人电脑 CPU的可插拔方式。将与单片机相关的晶振电路、供电电路、复位电路和USBISP下载接口等与单片机焊接在一块PCB板上，将单片机上的所有I/O口通过插针引出，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，方便下载程序，并可以快速更换不同型号的单片机。单片机控制模块实物图如图2 所示。该模块使用了外部晶振，频率为11MHz，单片机通电即实现复位。模块上提供ISP接口，可以直接通过 ISP下载器下载程序到Atmega128单片机中。

(2)H桥驱动模块

图2 单片机控制模块实物图

H桥驱动电路原理图如图3 所示，该模块由两片IR2112驱动芯片和四片FGA25N120的IGBT管（Q1、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[2]。使用100V的直流电源。经测试，电机在转动时，电流最大可达到20A，FGA25N120型IGBT管最大可承受40A的集电极电流，所以选用该型号IGBT管。单片机的PE3接口发送PWM信号，使用TLP521光耦进行光电隔离，这样既保证了能够直接驱动MOSFET，又使驱动电路和PWM控制电路有效隔离。加载到IR2112芯片上后，IR2112上的HIN和LIN两个引脚输入的PWM波形需是反向的，所以在电路中加了CD4069UDC反向器。

图3 H桥驱动电路原理图

图3 中Q1和Q4以及Q2和Q3分别组成两条通路，当PE3发送的PWM波占空比为100%时，IR2112驱动芯片会使Q1和Q4一直导通，Q2和Q3一直截止，电机两端的压差达到最大，电机正转的速度最大；当占空比为50%时，电机两端压差为0，电机停止[3]。

2 软件设计

整个控制程序主要包括主程序、初始化程序和中断服务程序[4]。系统上电后，单片机所有的I/O口和寄存器完成初始化并自测，然后开启A/D转换器和中断，完成初始化后开始循环执行主程序，主程序流程如图4（a）所示。主程序循环检测电脑发送的两种指令（手动操作控制治疗床、治疗床精确自动运动），如果指令为1，则进入手动操作控制治疗床子程序；如果指令为2则进入治疗床精确自动运动子程序；如果是这两个指令以外的其它指令，则检测治疗床的位置并显示出来，之后重新检测指令，一直循环执行[5]。

图4 程序流程图

手动操作控制治疗床子程序要求能够控制治疗床的运动方向和速度，并且显示治疗床的状态，其流程图如图4（b）所示，这亦是一个循环函数体。首先检测并显示治疗床的位置，当按下开始运动键时，床以最低速度上升；当按下加减速键时将修改定时器的初值，改变定时器中断的频率，进而改变PWM波的占空比，使电机转速改变[6]；当检测到电脑发送的改变控制方式的指令时，跳出循环。

图4 程序流程图

治疗床精确自动运动子程序主要是根据电脑输入的具体位置，由单片机检测治疗床的高度，进而精确地控制治疗床运行到目标位置。该精确运动的子程序使用了 PID控制，在治疗床运行到接近目标位置时，运行速度下降，该控制方法使治疗床能够更平稳精确地运行到目标位置[7]。

3 结束语

本文设计的直线加速器治疗床的电机驱动及控制系统具有以下特点：

(1)本系统以Atmel公司生产的Atmega128单片机为控制单元，该单片机技术先进，性能稳定，在控制领域使用较广，产品较为成熟，质量也相对较好，并且控制电路采用了模块化设计，方便更换。

(2)采用了H桥驱动模块，并使用PWM控制方式控制电机，该技术具有较高的调速精度、较短的响应时间和宽调速范围等特点。

本文的研究已在广东中能加速器科技有限公司生产的直线加速器治疗床中使用，直线加速器治疗床实物图如图5所示。经过一系列的实验，取得比较理想的效果，该系统能实现控制治疗床升降、调速、停止和精确运动等操作。

图5 直线加速器治疗床实物图

[1]吴守箴,戚英杰.电气传动的脉宽调制控制技术[M].北京:机械工业出版社,2003.

[2]邵贝贝.单片机嵌入式应用的在线开发方法[M].北京:清华大学出版社,2007.

[3]廖冬初,聂汉平.电力电子技术[M].武汉:华中科技大学出版社,2007.

[4]杨靖.用单片机控制的直流电机调速系统[J].计算机PLC应用,2008,35(1):45-47.

[5]耿德根,宋建国,马潮,等.AVR 高速嵌入式单片机原理与应用(修订版)[M].北京:清华大学出版社,2005.

[6]常海,李广东.IR2112在 IGBT交流调压控制电路中的应用[J].电子元器件的应用,2008,10(02):28-31.

[7]游志宏,杜杨,张洪,等.基于场效应管的直流电机驱动控制电路设计[J].国外电子元器件,2008(2):3-6.