大惯量质子治疗旋转机架定位控制技术_孙恺文.pdf

电气传动 2023年 第53卷 第3期ELECTRIC DRIVE 2023 Vol.53 No.3摘要：旋转机架是质子放疗设备的重要组成部分，其主要特点是质量大、尺寸大、转动惯量大，运行时需要保证机架平稳加减速启停及精准定位。针对旋转机架的定位控制需求，对控制系统的硬件、软件部分进行了选型、设计，研究了系统的控制模型，并进行了参数整定，开发了一套基于PLC的质子治疗旋转机架定位控制系统。现场试验结果表明：开发的质子治疗旋转机架定位控制系统能够保证旋转机架在-180180角度范围、转速1 r/min的条件下，角度定位精度达到0.011 3，满足质子放疗设备的工作要求。关键词：质子放疗设备；大惯量负载；旋转机架；定位控制中图分类号：TM28文献标识码：ADOI：10.19457/j.1001-2095.dqcd24023Positioning Control Technology of Large Inertia Gantry for Proton RadiotherapySUN Kaiwen，GONG Shihua，CAI Junqiong（School of Mechanical Science and Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，Hubei，China）Abstract:Gantry is an important part of proton radiotherapy equipment.Its main features are its large mass，large size and large moment of inertia.It is necessary to ensure the smooth acceleration and deceleration and precisepositioning of the gantry.In response to the positioning control requirements of the gantry，the hardware andsoftware parts of the control system were selected and designed，the control model of the system was studied，theparameters were adjusted，and a PLC-based proton therapy gantry positioning control system was developed.Fieldtest results show that the developed proton therapy gantry positioning control system can ensure that the gantry hasan angular positioning accuracy of 0.011 3under the conditions of an angle range of-180180and a rotationspeed of 1 r/min，which satisfies the work requirements for proton radiotherapy equipment.Key words:proton radiotherapy equipment；large inertia load；gantry；positioning control基金项目：国家重点研发计划（2016YFC0105306）；湖北省重点研发计划项目（2021BCD005）作者简介：孙恺文（1998），男，硕士，Email：通讯作者：龚时华（1968），男，博士，教授，Email：大惯量质子治疗旋转机架定位控制技术孙恺文，龚时华，蔡俊琼（华中科技大学 机械科学与工程学院，湖北 武汉 430074）孙恺文，等质子放疗因其良好的布拉格峰（Bragg peak）剂量分布特性，被认为是最精准的无创治疗癌症方法之一1。旋转机架是质子放疗设备的重要组成部分，其主要功能是对质子放疗设备各个部件进行承重，并旋转至一定角度实现质子束对肿瘤特定角度的照射2。作为治疗终端的关键部件，它对质子放疗的精度和效率有非常重要的影响。质子治疗旋转机架的主要特点是质量大、尺寸大、转动惯量大，因此对电机选型与运动控制系统设计有更高的要求。目前，针对大惯量负载的控制问题，文献3提出了增加间隙补偿器，并引入速度、加速度负反馈的控制方法，解决了大惯量负载下控制系统抖动的问题。文献4综述了多电机协同驱动的控制结构与控制算法，并展望了多电机驱动大惯量系统的研究方向与发展趋势。文献5通过仿真和工程试验对比了传统控制方法和复合控制方法，结果表明复合控制能显著提高系统的动态性能与定位精度。本文针对质子放疗设备旋转机架的定位控制技术开展研究，为保证其定位精度和运动性能，并考虑到多运动模式以及系统可靠性要求，开发了一套基于PLC的质子治疗旋转机架定位控制系统，对其硬件、软件部分进行了选型、设计，研究其运动控制模型，并进行了参数的整定，最后通过质子治疗旋转机架的现场试验验证了该定位控制系统能够满足放疗过程中的控制要求。77孙恺文，等：大惯量质子治疗旋转机架定位控制技术电气传动 2023年 第53卷 第3期1需求分析质子治疗旋转机架结构如图1所示，机架上主要连接有偏转磁铁、治疗头和配重。设备在进行放疗时，一般从多个角度对肿瘤组织进行放射，各角度放射剂量总和达到所需剂量即可，这样皮肤和肿瘤之间的正常组织细胞只需接受较低的放射量，大大降低放疗给患者带来的额外伤害6。图1旋转机架结构图Fig.1The structure of the gantry因此，旋转机架首先需要能够在-180180范围旋转，而且静态时还要平衡因负载不均衡引起的偏心力矩，以保证质子束能从各个角度对肿瘤进行照射。对于大惯量负载的系统，旋转机架转速要能够达到0.11 r/min，以缩短角度调整时间，因为治疗时间越长，病灶位置的不确定性会越高。旋转机架的角度定位精度应达到0.1，以实现治疗头质子束对肿瘤的精准入射，保证质子治疗的效果。旋转机架的运动控制性能需求如表1所示。表1旋转机架的运动控制性能需求Tab.1The motion control performance requirements of the gantry参数旋转角度范围转速要求角度定位精度性能需求-1801800.11 r/min0.12定位控制系统设计2.1电机选型质子放疗设备旋转机架定位控制系统的突出特点是负载端转动惯量特别大，旋转机架以及偏转磁铁和配重的总转动惯量 J 约为 2.18106kgm2，要保证负载端平稳加减速启停以及精准定位具有一定挑战性。而且由于偏转磁铁一侧的重量和配重一侧的重量有差异，因此即使在断电情况下，电机也必须平衡因负载偏心而产生的偏心力矩，防止旋转机架自行转动造成严重事故，即电机必须具有抱闸功能。因此，选用合适的交流伺服电机提供足够的转矩和功率，对旋转机架的运动控制十分重要。伺服电机作为执行部件，固定在基座上，通过谐波减速箱与旋转机架齿轮连接，谐波减速箱减速比i1为88，齿轮传动减速比i2为13，系统总减速比i为1 144。电机端最大转速n1为n1=n2 i=1r/min 1 144=1 144r/min（1）式中：n2为旋转机架端的最大转速。设定旋转机架最快在1 s内达到最大转速1r/min，即旋转机架端角加速度 2为 0.105 rad/s2，则电机端的等效瞬时最大转矩T1为T1=J2i=2.18106kg/m20.105rad/s21 144=200 Nm（2）因此，电机需要的功率P为P=T1 n19550=200 N m 1 144r/min9550=23.96kW（3）考虑到旋转机架定位控制系统安全性、可靠性以及过载能力等需求，选用的电机主要参数如下：额定功率 31 kW，额定转矩 257 Nm，额定电流 69 A，额定转速1 150 r/min，功率因数0.89，效率 0.921，转动惯量 0.232 kgm2，质量 230 kg，具有抱闸功能。经验证，所选电机的功率、转矩和转速等参数均满足旋转机架定位控制系统的要求。在电机编码器方面，考虑到对于角度需要有记忆功能，选用带EnDat接口的绝对值编码器，分辨率为8 192步/转，共4 096转。其中，电机 8 192步/转对应于旋转机架分辨率3.810-5，远超0.1的精度要求。4 096转对应于旋转机架约3.6转，也可以满足旋转机架-180180的角度范围要求。2.2硬件配置为了实现旋转机架的定位控制，控制系统采用“上位工控机+PLC控制器+伺服驱动器+交流伺服电机”的数控结构。其中，工控机主要提供人机接口、参数设置、数据显示和故障诊断等功能7，其与PLC控制器之间采用以太网连接实现双向数据通信。PLC控制器根据上位机发出的运动指令通过IO模块输出脉冲和方向信号，驱动器通过接收的脉冲频率和数量来控制伺服电机运行的速度和角度，伺服电机上的编码器将角度、速度信息反馈到驱动模块，并在HMI面板上实时显示8。定位控制系统的硬件配置结构如图2所示。78孙恺文，等：大惯量质子治疗旋转机架定位控制技术电气传动 2023年 第53卷 第3期图2硬件配置结构图Fig.2The structure of hardware configuration2.3软件设计控制系统的软件部分主要由 PLC程序和人机交互界面组成。其中PLC程序首先要能实现电机上电、使能以及报警诊断等功能，其次还需实现旋转机架连续转动和增量转动的运动模式。人机界面则用于方便工程人员对旋转机架的控制，主要分为显示区、操作区和设置区。1）显示区：用于实时显示旋转机架的实际角度和速度，并显示当前的运动模式以及报警的错误代码。2）操作区：用于实现连续或增量运动模式的切换，操作旋转机架正转或反转，以及系统的报警诊断。3）设置区：用于进行参数设置，主要包括运动速度以及增量角度的设定。3控制模型与参数整定3.1控制模型在前述控制系统中，PLC控制器除了逻辑控制功能外，还具备运动控制功能，并构成旋转机架定位控制位置环，其采用了带有速度前馈的比例控制调节器，输出速度指令给驱动器；驱动器负责速度环控制，采用了PI负反馈控制调节器，输出电流信号到电流环。定位控制系统框图如图3所示。图3中，KPP为位置环比例增益，KVP为速度环比例增益，TVI为速度环积分时间参数，KVF为速度前馈参数，G1（s）为电流回路传递函数，KT为电磁转矩系数，将电流环输出信号转换为驱动力矩，J为电机轴等效转动惯量，等于滚筒等效转动惯量加电机轴转动惯量。图3 定位控制系统框图Fig.3The block diagram of positioning control system电流环的输入信号为u(s)=r(s)-y(s)KPP+r(s)KVFs-(s)KVPTVIs+1TVIs（4）式中：r（s）为上位机发出的位置指令；（s）为电机速度反馈信号；y（s）为电机实际位置反馈信号，由编码器测出。对于大惯量伺服系统，电流环带宽远高于速度环、位置环，说明其响应速度也远高于速度环与位置环，而且其参数由驱动器内部自整定完成，因此可近似认为电流环没有延时和衰减，即可将电流环G1（s）近似等效为“1”。因此，定位控制系统的传递函数为y(s)r(s)=KVFKVPs2+(KVFKVPTVI+KVPKPP)s+KPPKVPTVIJKTs3+KVPs2+(KVPTVI+KVPKPP)s+KPPKVPTVI（5）带有速度前馈的 P/PI控制系统通过上位机发出的位置指令实现旋转机架精确定位时，P控制用于快速地减小位置误差，其在固定扰动下会存在稳态误差，但避免了位置超调；速度前馈不损害控制系统的稳定性，且可以提高系统对