PETCT扫描床控制系统的设计与实现

摘要

分子和功能成像技术是目前医学影像技术的发展热点，其最重要的代表之一是PET正电子发射断层扫描仪（Positron Emission Tomography）。并且当结合了PET的功能成像和CT的形态学显示优势而成的设备PETCT在临床诊断、基础研究、新药研发等方面发挥着重要的作用。
　　PETCT的重要的部分之一就是患者扫描床。随着PETCT对图像质量需求逐步提升其对扫描床的低速运动平稳性，精确性;对CT扫描和PET扫描的跨视野扫描减少床板形变量;对升降运动双电机的稳定性、同步性的有着更高更新的需求，从而本文研究的目的是设计一套合适的扫描床控制系统以满足产品需求。
　　本文设计的控制系统采用FPGA（Field Programble Gate Array现场可编程逻辑门阵列）作为主控制核心，使用交流伺服电机以及伺服电机控制器作为水平和升降运动的执行单元，并对水平和升降系统进行了系统结构设计，并且设计了一套机构来减小在跨视野扫描时床板产生的形变量。
　　本文针对在升降运动控制中使用双轴同步运动进行升降运动，提出了一种采用基于预测PID双轴同步控制算法来进行两电机位置、速度同步预测控制以达到升降伺服电机双轴同步控制的平稳性、同步性。
　　本文的另一项工作是对扫描床控制系统工程化实现，主要包括三个方面的内容:硬件电路设计、上位机CAN总线通信协议设计、FPGA内部HDL程序设计。硬件电路主要包括供电电路、编码器接口电路、CAN总线接口电路电路几个部分。FPGA内部程序采用VHDL编程。
　　本论文同时描述了扫描床运动控制系统的验证和确认过程。通过完成电路板的开发以及VHDL程序的设计开发，通过对电气件和机械件组装，完成整个系统的开发。经过内部系统验证，以及外部临床验证，扫描床控制系统满足设计要求，取得了令人满意的控制效果。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景和意义

1．2 PETCT系统综述

1．3 扫描床控制系统综述

1．4 同步控制系统综述

1．5 多电机同步控制算法研究现状

1．6 本论文的主要研究内容及安排

第2章 扫描床控制系统设计

2．1 扫描床控制系统综述

2．2 扫描床控制系统结构

2．2．1 水平运动控制系统

2．2．2 升降运动控制系统

2．2．3 移动支点系统

2．2．4 电源系统

2．2．5 通信系统

2．3 系统开发环境

2．4 本章小结

第3章 双轴同步控制算法研究

3．1 预测控制概述

3．2 预测PID控制理论

3．3 基于预测PID双轴同步控制算法研究

3．4 本章小结

第4章 系统工程化实现

4．1 硬件电路设计

4．1．1 电源电路设计

4．1．2 接口电路设计

4．1．3 升降控制信号互锁电路设计

4．1．4 编码器接口电路设计

4．1．5 继电器触点保护电路设计

4．1．6 复位电路设计

4．1．7 通信接口电路设计

4．2 FPGA程序设计

4．2．1 FPGA程序模块

4．2．2 扫描床安全保护模块

4．3 本章小结

第5章 系统验证与确认

5．1 系统测试平台搭建

5．2 测试

5．2．1 位置精度测试

5．2．2 速度稳定性测试

5．2．3 同步误差测试

5．3 系统确认

5．4 本章小结

第6章 总结与展望

参考文献

致谢