一种基于通用机架的高精度伺服控制系统

一种基于通用机架的高精度伺服控制系统

摘要：无论是军事工业还是国计民生领域，高精度伺服控制技术一直都是研究

热点。本文以医用加速器为应用背景，提出了一种适用于通用机架的高精度伺服

控制系统，通过角度校验模块对光电编码器的测量值进行校验，从而实现了“自校准”功能，保证了高精度。本文首先介绍了系统的硬件组成和工作原理，然后详细描述了工作流程，最后完成了精度测量。

关键词：伺服控制；自校准；高精度

A high precision servo-control system for universal framework

Bing Li Liang Sha

Abstract：Whether in military industry or in the field of national economy and people's livelihood, high precision servo-control technology has always been a hot topic. In this paper, a high precision servo-control system based on universal frame is put forward with medical accelerator as its application background. The measurement value of photoelectric encoder and potentiometer is checked by the angle check module, thus the "self calibration" function is realized and the high precision is guaranteed. This paper first introduces the hardware composition and working principle of the system, then describes the work flow in detail, and finally completes

the accuracy test.

Key Words: Servo-control, self calibration, high precision

1、概述

伺服控制技术在工业生产中的重要性不言而喻，比如精密机床、医疗仪器、

建筑塔吊等等。伺服控制系统是一种能对试验装置的机械运动按预定要求进行自

动控制的操作系统，在这个过程中涉及到控制精度、稳定性、安全性等诸多技术

要求和其他相关因素[1-3]。其中，医用加速器对伺服控制技术的要求尤为严苛。

医用加速器中一般采用典型的通用机架，通过高精度伺服控制系统来保证机

架的旋转精度，从而实现自动弧度治疗功能，这也是中高能医用电子直线加速器

的最重要功能，事实上，不仅对伺服控制系统的精度要求高，而且提出了很高的

对安全性要求，需要随时调整机架的运行速度，保证机架速度应能在规定的速度

范围内可控，且机架须有“刹车”功能，即在紧急情况下能够在极短时间内“抱闸”

停转。

因为医用加速器机架结构复杂，内部电磁干扰严重，目前国内的医疗加速器

伺服控制系统存在精度差、工作状态不稳定、异常状态下保护措施不完善等缺陷，无法高精度完成自动弧度治疗任务。因此，本文提供了一种适用于通用机架的高

精度伺服控制系统，具有稳定性好、可靠性高、精度高等特点。

本文提出的适用于通用机架的伺服控制系统，通过光电编码器测量机架当前

位置信息，角度校验模块根据机架的运动速度和运动时间计算出机架的理论位置，并将该理论值和光电编码器的采集值进行对比校验，从而实现自校准功能。当机

架接收到目标角度时，根据当前角度和目标角度的差值调节变频器，使角度差值

和运动速度之间的关系可以模拟阻尼运动曲线，从而实现-180°~180°范围内任意

角度下的高精度旋转。自动防碰撞控制单元和防碰防过转控制单元通过实时检测

治疗床的位置，来防止机架和治疗床发生碰撞。

本文首先介绍了该伺服控制系统的硬件组成和工作原理，然后详细描述了工

作流程，最后完成了对该系统进行精度测量试验。

2、工作原理和硬件组成

2.1 硬件组成

本文提出的高精度伺服控制系统包括主控机、旋转精度控制模块、光电编码器、电位器、变频器、电机、刹车模块和按键模块等部分，如图1所示，其中控

制核心是旋转精度控制模块。各个主要模块的功能简单介绍如下：

（1）主控机是控制命令的发起者，它的功能是接收旋转精度控制模块发送的差分频率信号，解析出机架位置角度信息并进行显示，并向旋转精度控制模块发

送治疗床的三维位置、机架目标角度和标零指令。

（2）光电编码器作为角度测量仪器，用来测量机架的旋转角度。

（3）角度校验单元是根据机架的运动速度和运动时间计算出机架的理论位置，并将该理论值和光电编码器的采集值进行对比校验，如果理论值和采集值误差在

允许范围内，则按光电编码器的采集值作为当前机架位置，如果理论值和编码器

的采集值误差超过规定范围，则需停机检查故障。

（4）变频器和刹车模块实现了对机架电机的运动和“抱闸”停转控制。

图4 第3组测试中100次测量误差

4、结论

本文提出的适用于通用机架的高精度伺服控制系统采用了闭环控制的技术设计思路，具

备“自校准”功能。与普通的伺服控制系统相比，具有精度高、自适应性强、角度容错能力强、安全性好等优势，目前已成功应用到国内某医用加速器产品中，指标稳定，性能可靠，成功

解决了国内医用加速器的高精度弧度旋转问题。

参考文献：

[1] Jezernik Karel, Rodic Miran. High Precision Motion Control of Servo Drives[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronic, 2009, 56(10): 3810-3816.

[2] Xu Yichao, Wang Fuzhong, Yao Bo. Stati Output Feed-back Reliable Control

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[3] 李启丙，王洪等. 非连续大气偏振观测精密控制系统设计[J]. 计算技术与自动化, 2017,

36(4): 18-22.

作者简介：姓名：李兵女 1990.02 河南新乡硕士助理工程师中船重工723所