CN103746616B - 移动ct同步扫描控制***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种移动CT同步扫描控制***，其中，所述主控器用于向同步控制模块发送运行命令信息；所述同步控制模块用于将该命令信息转换为各驱动器的控制量，并将该控制量分别发送给旋转机架旋转电机控制模块及旋转机架水平电机控制模块的驱动器；所述旋转机架旋转电机控制模块及旋转机架水平电机控制模块的驱动器用于分别根据所述控制量对各自电机进行驱动；所述旋转机架旋转电机控制模块及旋转机架水平电机控制模块的编码器用于将实际的位置、速度信息反馈给同步控制模块；所述同步控制模块还用于根据上述各电机实际的位置、速度信息计算上述双电机的同步误差及补偿量。本发明还涉及一种移动CT同步扫描控制方法。

Description

移动CT同步扫描控制***及方法

【技术领域】

本发明涉及一种移动CT同步扫描控制***及方法。

【背景技术】

目前的CT螺旋扫描同步控制***中，多采用机械传动链方式，这样内部件的数量的增加，不仅增加了成本压力，而且也违背了移动CT便携式设计的初衷，同时移动CT水平移动采用的步进电机固有的丢步问题又降低了螺旋同步的精度。

移动CT扫描仪有多种成像模式，其中一种为螺旋扫描。在这种模式下，搭载X射线球管、探测器、数据采集***等影像链主要部件的旋转机架通过直驱电机带动，进行连续旋转，同时旋转机架进行水平移动。这两种运动具有一定的位置对应关系，以达到均匀的投影数据采集。实际上，无论是上述直驱电机还是交流电机，在运动过程中都很难保证绝对的匀速运动，速度存在波动是难以避免的。因此，在实施过程中需要采用一种同步控制技术，以实现均匀采样的目的。申请号为201110273871.7的专利申请提出了主从同步控制策略来实现双电机同步控制的方案，但主从同步控制方式固有的缺陷是当从电机受到干扰影响时，主电机不能感知并且跟随从电机的变化，同步精度差，有一定的局限性。

目前大型固定CT扫描仪在机械结构上，旋转机架和水平移动床是两个分开独立的组成部分，旋转机架和扫描床负载相差悬殊，这种结构所采用的主从同步控制方法，一旦从电机受到扰动时，主电机不能及时跟踪从电机的变化，同步精度差，局限性很大。

【发明内容】

有鉴于此，本发明提供一种移动CT同步扫描控制***，包括主控器、旋转机架旋转电机控制模块、旋转机架水平电机控制模块以及同步控制模块，其中，所述旋转机架旋转电机控制模块及所述旋转机架水平电机控制模块均包括各自的驱动器、电机及编码器。所述主控器用于向同步控制模块发送运行命令信息；所述同步控制模块用于接收主控器发送的运行命令信息，将该命令信息转换为旋转机架旋转电机控制模块、旋转机架水平电机控制模块中各驱动器当前时刻的控制量，并将该控制量分别发送给旋转机架旋转电机控制模块及旋转机架水平电机控制模块各自的驱动器；所述旋转机架旋转电机控制模块及旋转机架水平电机控制模块的驱动器用于分别根据所述控制量对各自电机进行驱动；所述旋转机架旋转电机控制模块及旋转机架水平电机控制模块的编码器用于分别收集上述各电机实际的位置、速度信息，并将所述实际的位置、速度信息反馈给同步控制模块；所述同步控制模块还用于根据上述各电机实际的位置、速度信息及同步误差传递函数计算上述双电机的同步误差，然后根据所述同步误差计算出补偿量，实时补偿给旋转机架旋转电机控制模块和旋转机架水平电机控制模块，以实现双电机的精确同步。

所述控制量包括：旋转机架旋转电机控制模块及旋转机架水平电机控制模块各电机的位置、速度信息。

所述同步误差传递函数定义为：

其中，Gc为同步误差传递函数：

α＝(1+G_pyG_y)(1+G_pxG_x)

所述同步控制模块包括ARM同步控制板。

所述ARM同步控制板包括MCU单元、旋转机架旋转电机驱动器接口、旋转机架水平电机驱动器接口、数模转换单元、串口接口、JTAG接口以及CAN接口。

所述CAN接口用于实现ARM同步控制板和主控器之间的通信。

所述数模转换单元用于将所述命令信息转换成模拟信号。

有鉴于此，本发明还提供一种移动CT同步扫描控制的方法，包括：同步控制模块接收主控器发送的运行命令信息；同步控制模块将收到的所述运行命令信息转换成旋转机架旋转电机控制模块、旋转机架水平电机控制模块中各驱动器当前时刻的控制量，并将该控制量分别发送给旋转机架旋转电机控制模块及旋转机架水平电机控制模块各自的驱动器；所述旋转机架旋转电机控制模块及旋转机架水平电机控制模块的驱动器分别根据所述控制量对各自电机进行驱动；所述旋转机架旋转电机控制模块及旋转机架水平电机控制模块的编码器分别收集上述各电机实际的位置、速度信息，并将所述实际的位置、速度信息反馈给同步控制模块；所述同步控制模块根据上述各电机实际的位置、速度信息及同步误差传递函数计算上述双电机的同步误差，然后根据所述同步误差计算出补偿量，实时补偿给旋转机架旋转电机控制模块和旋转机架水平电机控制模块，以实现双电机的精确同步。

所述的控制量包括：旋转机架旋转电机控制模块及旋转机架水平电机控制模块各电机的位置、速度信息。

所述的同步误差传递函数定义为：

其中，Gc为同步误差传递函数：

α＝(1+G_pyG_y)(1+G_pxG_x)

所述同步控制模块包括ARM同步控制板。

本发明移动CT同步扫描控制***及方法，能够实现移动CT螺旋同步扫描方式下双电机的精确同步，提高CT螺旋扫描模式下成像质量。

【附图说明】

图1是旋转机架旋转电机(电机1)、旋转机架水平电机(电机2)在空间的扫描轨迹示意图。

图2是电机1和电机2耦合后的直线轮廓示意图。

图3是双电机同步控制***非交叉耦合控制***结构框图。

图4是双电机同步控制***交叉耦合控制***结构框图。

图5是移动CT螺旋同步扫描控制***硬件架构图。

图6是ARM同步控制板硬件电路示意图。

图7是本发明移动CT同步扫描控制***及方法的作业流程图。

【具体实施方式】

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

为更好地解释本发明，首先对同步误差和交叉耦合同步误差传递函数进行定义。

同步误差：

在移动CT双电机螺旋线运动同步控制***中，旋转机架旋转电机(电机1)沿垂直面做连续匀速旋转运动，旋转机架水平电机(电机2)在水平面同步匀速直线运动，这样两电机在空间的扫描轨迹呈螺旋状前进。如图1所示。两台电机在各自平面做连续匀速运动，二者的同步关系可用如下公式表达：

式中：

L_r1(t)—旋转运动在圆周表面的旋转弧长；

L_r2(t)—直线运动在水平面的前进距离；

r—螺旋线的旋转半径；

τ—螺旋线的螺距。

由同步关系式(1)知，在双电机螺旋线运动同步控制中，螺旋线轨迹形成的实质可以看成将电机1的旋转运动和电机2的直线运动在XY平面耦合成的一条直线。通过这种耦合关系来定义同步误差，电机1和电机2耦合后的直线轮廓如图2所示。

图2中P*为任意参考输入的期望位置，P为该时刻***运行的实际位置，θ为参考点处直线与水平左边轴的夹角，Ey为竖直面匀速连续旋转运动的跟踪误差，Ex为水平面同步直线运动的跟踪误差，ε为***轮廓误差，其定义为期望位置与实际位置的最短距离，该定义的优点是：交叉耦合同步控制与补偿的目标是使期望位置与实际位置一致，由此构建的同步误差模型是一个实时的误差模型，具有实际意义。根据图3所示的各个变量的几何关系，同步误差可表示为：

交叉耦合同步误差传递函数：

交叉耦合同步误差传递函数用来描述非交叉耦合控制***和交叉耦合控制***之间同步误差的动态关系。通过这个函数交叉耦合补偿器的设计可以简单的看成反馈控制问题。

双电机同步控制***非交叉耦合控制***结构框图如图3所示，定义ε₀为非交叉耦合控制时的同步扫描同步误差。双电机同步控制***交叉耦合控制***结构框图如图4所示，定义ε_c为交叉耦合控制时的同步扫描同步误差。

为了简化分析，令电机1和电机2的速度环和积分环分别等效Gy和Gx，则ε₀、ε_c分别为：

联立公式(3)和公式(4)得到同步误差传递函数：

其中：

α＝(1+G_pyG_y)(1+G_pxG_x)

式中：定义Gc为非交叉耦合控制***和交叉耦合控制***之间的同步误差传递函数，C_C为同步误差补偿分配控制器。由公式(5)可知，通过设计合适的补偿器C_C，通过分配附加同步误差补偿量给各自的控制回路的速度环，可达到电机1和电机2精确同步的目的。

如图5所示为移动CT螺旋同步扫描控制***硬件架构图。该***主要由主控器、电机1控制模块、电机2控制模块和同步控制模块四部分组成。其中，所述电机1控制模块和所述电机2控制模块采用相同的控制结构，电机1控制模块包括驱动器1、电机1及编码器1；电机2控制模块包括驱动器2、电机2及编码器2；所述同步控制模块包括ARM(Advanced RISCMachine，高级精简指令集机器)同步控制板。

所述主控器用于向同步控制模块发送运行命令信息。

所述同步控制模块用于接收主控器发送的运行命令信息，将该命令信息转换为电机1、电机2当前时刻的控制量，并将该控制量分别发送给驱动器1、驱动器2。

所述驱动器1、驱动器2用于根据所述控制量对电机1、电机2进行驱动。

所述编码器1、编码器2用于收集电机1、电机2实际的位置、速度信息，并将所述实际的位置、速度信息分别通过驱动器1、驱动器2反馈给同步控制模块。

所述同步控制模块用于根据反馈的电机1、电机2实际的位置、速度信息，及同步误差传递函数的定义实时计算电机1、电机2的同步误差，然后将所述同步误差经过补偿器C_C补偿，最终计算出补偿量，实时的补偿器给电机1控制模块和电机2控制模块，以实现双电机的精确同步。

如图6所示为ARM同步控制板硬件电路示意图，该ARM同步控制板包括MCU单元、驱动器1接口、驱动器2接口、数模转换单元、串口接口、JTAG接口以及CAN接口。其中，驱动器1接口和驱动器2接口分别通过驱动电路与MCU单元电连接，ARM同步控制板通过CAN接口和主控器通信，串口接口主要实现与上位机之间的通信、调试，JTAG接口主要用来实现程序的烧写。

下面结合图5，对图6 ARM同步控制板的工作过程进行描述。

所述MCU单元接收主控器发送的运行命令信息，并将所述命令信息发送给数模转换单元。

所述数模转换单元将所述命令信息转换成模拟信号，即转换成电机1和电机2当前时刻的控制量，所述控制量包括电机1的位置、速度信息和电机2的位置、速度信息。

所述驱动器1接口将所述将电机1的控制量发送给驱动器1，所述驱动器2接口将电机2的控制量发送给驱动器2。

所述驱动器1和所述驱动器2根据所述发送的控制量，进行位置和速度环双闭环控制，即是，驱动器1驱动电机1按照相应的速度和位置进行运动，驱动器2驱动电机2按照相应的速度和位置进行运动。编码器1收集此时电机1实际的位置、速度信息，并将所述电机1实际的位置、速度信息通过驱动器1反馈给ARM同步控制板；编码器2收集此时电机2实际的位置、速度信息，并将所述电机2实际的位置、速度信息通过驱动器2反馈给ARM同步控制板。

MCU单元将编码器1反馈的电机1实际的位置、速度信息和编码器2反馈的电机2实际的位置、速度信息，与数模转换单元转换的控制量做差得出电机1、电机2的跟踪误差，然后将电机1、电机2的跟踪误差实时送给同步误差传递函数。

所述同步误差传递函数根据电机1、电机2的跟踪误差，计算出电机1、电机2的同步误差，然后将所述同步误差经过补偿器C_C补偿，最终计算出补偿量，作为电机1和电机2的下一采样周期的控制量。MCU单元将所述下一采样周期的控制量通过CAN接口发给主控器。

图7是本发明移动CT同步扫描控制方法的作业流程图。

本流程图以在一个采样周期内为例进行说明：

步骤S401：ARM同步控制板接收主控器发送的运行命令信息。

步骤S402：ARM同步控制板将收到的主控器的命令信息通过数模转换单元转换成模拟信号，即转换成电机1和电机2当前时刻的控制量，所述控制量包括电机1的位置、速度信息和电机2的位置、速度信息。然后ARM同步控制板通过驱动器1接口将所述将电机1的控制量发送给驱动器1，通过驱动器2接口将电机2的控制量发送给驱动器2。

步骤S403：驱动器1和驱动器2根据ARM同步控制板发送的控制量，进行位置和速度环双闭环控制，即是，驱动器1驱动电机1按照相应的速度和位置进行运动，驱动器2驱动电机2按照相应的速度和位置进行运动。同时，编码器1收集此时电机1实际的位置、速度信息，并将所述电机1实际的位置、速度信息通过驱动器1反馈给ARM同步控制板；编码器2收集此时电机2实际的位置、速度信息，并将所述电机2实际的位置、速度信息通过驱动器2反馈给ARM同步控制板。

步骤S404：ARM同步控制板将编码器1反馈的电机1实际的位置、速度信息和编码器2反馈的电机2实际的位置、速度信息，与步骤S402转换后得到的控制量做差得出电机1、电机2的跟踪误差，然后将电机1、电机2的跟踪误差实时送给同步误差传递函数。

步骤S405：同步误差传递函数根据电机1、电机2的跟踪误差，计算出电机1、电机2的同步误差，然后将所述同步误差经过补偿器补偿器补偿，最终计算出补偿量，作为电机1和电机2的下一采样周期的控制量。ARM同步控制板将所述下一采样周期的控制量通过CAN接口发给主控器。

依此循环，每间隔采样时间T_S，ARM同步控制板中的定时器中断单元进行定时器中断处理，即进行步骤S401到步骤S405，实时计算出电机1、电机2之间的同步误差，然后计算出下一采样周期电机1和电机2的控制量，最终实现双电机的精确同步。

本发明以移动CT扫描仪为被控对象提出了一种基于同步误差传递函数的交叉耦合同步控制方案，并设计了实现该同步策略的硬件及软件***，实现了移动CT螺旋同步扫描方式下双电机的精确同步，从而提高CT螺旋扫描模式下成像质量。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种移动CT同步扫描控制***，其特征在于，该***包括主控器、旋转机架旋转电机控制模块、旋转机架水平电机控制模块以及同步控制模块，所述旋转机架旋转电机控制模块及所述旋转机架水平电机控制模块均包括各自的驱动器、电机及编码器，其中：

所述主控器用于向同步控制模块发送运行命令信息；

所述同步控制模块用于接收主控器发送的运行命令信息，将该命令信息转换为旋转机架旋转电机控制模块、旋转机架水平电机控制模块中各驱动器当前时刻的控制量，并将该控制量分别发送给旋转机架旋转电机控制模块及旋转机架水平电机控制模块各自的驱动器；

所述旋转机架旋转电机控制模块及旋转机架水平电机控制模块的驱动器用于分别根据所述控制量对各自电机进行驱动；

所述旋转机架旋转电机控制模块及旋转机架水平电机控制模块的编码器用于分别收集旋转机架旋转电机、旋转机架水平电机实际的位置、速度信息，并将所述实际的位置、速度信息反馈给同步控制模块；

所述同步控制模块还用于根据上述各电机实际的位置、速度信息及同步误差传递函数计算旋转机架旋转电机、旋转机架水平电机的同步误差，然后根据所述同步误差计算出补偿量，实时补偿给旋转机架旋转电机控制模块和旋转机架水平电机控制模块，以实现双电机的精确同步；

所述的同步误差传递函数定义为：

${\mathrm{\ϵ}}_c=\frac{1}{1+\frac{\mathrm{\β}}{\mathrm{\α}}}{\mathrm{\ϵ}}_0=\frac{1}{1+{\mathrm{GC}}_c}{\mathrm{\ϵ}}_0=G_c{\mathrm{\ϵ}}_0$

其中，Gc为同步误差传递函数：

其中，ε₀为非交叉耦合控制时的同步扫描同步误差，ε_c为交叉耦合控制时的同步扫描同步误差，Gx为积分环，Gy为速度环，C_C为同步误差补偿分配控制器。

2.根据权利要求1所述的***，其中，所述的控制量包括：旋转机架旋转电机控制模块及旋转机架水平电机控制模块各电机的位置、速度信息。

3.根据权利要求1所述的***，其中，所述同步控制模块包括ARM同步控制板。

4.根据权利要求3所述的***，其中，所述ARM同步控制板包括MCU单元、旋转机架旋转电机驱动器接口、旋转机架水平电机驱动器接口、数模转换单元、串口接口、JTAG接口以及CAN接口。

5.根据权利要求4所述的***，其中，所述的CAN接口用于实现ARM同步控制板和主控器之间的通信。

6.根据权利要求4所述的***，其中，所述的数模转换单元用于将所述命令信息转换成模拟信号。

7.一种移动CT同步扫描控制的方法，包括：

同步控制模块接收主控器发送的运行命令信息；

同步控制模块将收到的所述运行命令信息转换成旋转机架旋转电机控制模块、旋转机架水平电机控制模块中各驱动器当前时刻的控制量，并将该控制量分别发送给旋转机架旋转电机控制模块及旋转机架水平电机控制模块各自的驱动器；

所述旋转机架旋转电机控制模块及旋转机架水平电机控制模块的驱动器分别根据所述控制量对各自电机进行驱动；

所述旋转机架旋转电机控制模块及旋转机架水平电机控制模块的编码器分别收集旋转机架旋转电机、旋转机架水平电机实际的位置、速度信息，并将所述实际的位置、速度信息反馈给同步控制模块；

所述同步控制模块根据上述各电机实际的位置、速度信息及同步误差传递函数计算旋转机架旋转电机、旋转机架水平电机的同步误差，然后根据所述同步误差计算出补偿量，实时补偿给旋转机架旋转电机控制模块和旋转机架水平电机控制模块，以实现双电机的精确同步；

所述的同步误差传递函数定义为：

${\mathrm{\ϵ}}_c=\frac{1}{1+\frac{\mathrm{\β}}{\mathrm{\α}}}{\mathrm{\ϵ}}_0=\frac{1}{1+{\mathrm{GC}}_c}{\mathrm{\ϵ}}_0=G_c{\mathrm{\ϵ}}_0$

其中，Gc为同步误差传递函数：

其中，ε₀为非交叉耦合控制时的同步扫描同步误差，ε_c为交叉耦合控制时的同步扫描同步误差，Gx为积分环，Gy为速度环，C_C为同步误差补偿分配控制器。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述的控制量包括：旋转机架旋转电机控制模块及旋转机架水平电机控制模块各电机的位置、速度信息。

9.根据权利要求7所述的方法，其中，所述同步控制模块包括ARM同步控制板。