Röntgengerät mit Master-Slave-Antriebsregelung
für die Bildspeichertrommel

Die Philips Medizin Systeme in Hamburg entwickelte ein neuartiges Röntgengerät, das Röntgenbildnegative ohne den klassischen chemischen Fotoprozess gewinnt. Stattdessen entstehen die Röntgenbilder nach dem elektrostatischen Prinzip auf der Oberfläche einer umlaufenden Trommel. Aufgebracht werden sie von einem Scanner, der die Röntgeninformation abtastet und auf der Trommel elektrostatisch speichert. Dazu muss der Schreib- und Lese-Kopf kontinuierlich im mm-Bereich die Information auf der Zylinderoberfläche in Umfangsrichtung und in vertikaler Richtung ablegen und sie mit gleicher Präzision wieder auslesen. Das erfordert zwei Antriebe, die hochgenau synchron zueinander arbeiten. Während der eine Antrieb die Trommel dreht, muss der andere Antrieb den Schreib-Lese-Kopf dazu passend in vertikaler Richtung bewegen. Zusätzlich muss die Positionierung zeitoptimal erfolgen, ohne dabei Torsionsschwingungen zwischen Trommel und Antrieb anzuregen.

Darüber hinaus bot es sich an, die digitale Information Röntgenbild auch digital weiterzuverarbeiten. Dazu wurde das Gerät mittels CAN-Bus-Software und -Hardware netzfähig gemacht. Die Bildinformationen können weit entfernt vom elektrostatischen Speicher gewonnen und abgerufen werden.

Die IAM GmbH in Braunschweig wurde beauftragt, die Antriebsregelung mit Steuerkarte und den CAN-Schnittstellen zu entwickeln. Das Konzept wurde so ausgelegt, dass damit alle Aufgaben aus der Steuerungstechnik von Mehrachsgeräten (wie Werkzeugmaschinen, Robotik) erfüllt werden können. Neu darin ist die Möglichkeit, beliebig viele Servoantriebe hochgenau zu einem Masterantrieb fahren zu lassen. Die Ankopplung des Slaves kann losgelöst vom Master "on the fly" erfolgen. Die Regelung bringt den Slave über einen parametrierbaren Ausgleichsvorgang in Synchronität zum Master. Um auch in Zukunft immer die am Markt günstigste Geberlösung wählen zu können, wurden Hardware und Software für Resolver, Six-Step-Geber und Encoder bzw. sinnvolle Kombinationen dieser Geber konfigurierbar gemacht.

Die Master-Slave-Antriebseinheit ist über folgende Fahrbefehle steuerbar:

   * Schneller Stop ohne Bremsrampe (Notaus)
   * Stop mit Abbremsrampe (regulärer Halt)
   * Anfahren einer Zielposition mit Führungsgrößengenerator (FGG)
   * Anfahren einer Zielposition relativ zur aktuellen Position mit FGG
   * Fahren bis in eine Endposition mit FGG
   * Fahren mit konstanter Geschwindigkeit und Anfahrrampe für rotierende Achsen
   * Fahren mit konstanter Geschwindigkeit und Anfahrrampe für lineare Achsen bis
       maximal in eine Endposition
   * Antrieb folgt einer Master-Position
   * Antrieb folgt einer Master-Geschwindigkeit
   * Der Referenz-Punkt wir gesucht und angefahren 

Die Steuerung wurde zwischen einem 8-Bit Mikrocontroller (80537) und einem Signalprozessor (DSP56001) aufgeteilt (Bild1).


Bild1: Systemkonfiguration

Der Mikrocontroller übernimmt die zeitunkritischen Funktionen:

   * Einschalt-Selbsttests
   * Bedienung der CAN-Schnittstelle
   * Initialisierung und Parametrierung
   * Normierung der Benutzereinheiten
   * Referenzbildung
   * Ablaufsteuerung
   * Überwachungen und Fehlerbehandlung
   * Bedienung der Peripherie

während der Signalprozessor die regelungsrelevanten Funktionen übernimmt:

   * Reglerkaskade mit Lage-, Drehzahl-, Drehmoment- und Statorflussregler
   * Koordinatentransformationen
   * Lage- und Stromistwerte einlesen
   * Generierung der PWM-Schaltzeiten
   * Führungsgrößengenerator
   * Master-Slave-Kopplung 

Parallel zur Entwicklung von Hard- und Software der Steuerung wurde vom Auftragnehmer ein passendes ASIC entwickelt, in Fertigung gegeben und getestet. Das ASIC übernimmt neben der Generierung der PWM-Steuersignale die Auswertung von zwei Inkrementalgebern (eigene Position und Masterposition). Dabei werden die Zeiten, zu denen Zählpulse auftreten, gespeichert und erlauben oberhalb einer Mindestdrehzahl eine hochaufgelöste Berechnung der Geschwindigkeit (24 Bit). Geeignete Softwarealgorithmen erlaubten auch eine hinreichend genaue Drehzahlregelung im Bereich zwischen Stillstand und Mindestdrehzahl. In der Praxis hält sich der Antrieb aber in diesem Bereich nur sehr kurze Zeit auf, so daß das Problem der stationären Genauigkeit dort nicht relevant ist.

Regelungsstruktur

Es handelt sich sowohl beim Masterantrieb der Trommel als auch beim Slaveantrieb des Schreib-Lese-Kopfes um eine permanenterregte Vollpol-Synchronmaschine. Bild 2 zeigt die dafür erforderliche Regelungstruktur. Dort wo üblicherweise die Stromregler sitzen, sitzen hier die Regler für Moment (TORQUE) und Statorfluß (ST_FLUX). Da bei der permanenterregten Vollpol-Synchronmaschine die Statorströme ISD und ISQ proportional zu Statorfluß und Antriebsmoment sind, entsprechen diese Regelungsteile den Stromregelkreisen. Der Statorfluß wird auf 0 geregelt, da eine Änderung des Motorflusses abweichend vom Permanentfluß nicht notwendig ist. Dem Führungsgrößengenerator wird eine Ziellage vorgegeben, aus der er dann unter Wahrung der Geschwindigkeitsbegrenzung sowie der Beschleunigungs- und Bremsmonentvorgaben ein zeitoptimales Sollwerteprofil für Position, Geschwindigkeit und Moment berechnet. Der Führungsgenerator wird nur für den Masterantrieb aktiviert. Ein weiters Merkmal ist, daß der Bremsbeginnzeitpunkt so berechnet wird, daß der Antrieb beim Wechsel von geschwindigkeitsgeregeltem Betrieb in positionsgeregelten Betrieb genau in der Zielposition zum Stillstand kommt.


Bild 2: Regelung für Synchronmotor im DSP

Master-Slave-Ankopplung

Der Slave erhält seinen Positionssollwert aus der Istposition des Masters (POS2) und vergleicht unmittelbar nach Erhalt des Ankopplungsbefehls seine Istposition (POS1) mit der Masterposition und berechnet für eine einstellbare Ausgleichsgeschwindigkeit die Positionsrampe zum Positionswert des Masters, um so beliebig weich in die Synchronität zum Master fahren zu können (Bild 3). Aus der Masterlage wird die Geschwindigkeit des Masters berechnet und auf den Ausgang des Positionsreglers aufgeschaltet (Bild 2). Diese Vorsteuerung beseitigt den sonst bei Bewegung des Masters auftretenden Schleppfehler. In Bild 3 ist zu sehen, dass die Ausgleichszeit t3 - t1 nur von der anfänglichen Positionsdifferenz D POS0 und der eingestellten Ausgleichsgeschwindigkeit abhängt. Die Bewegung des Masters selbst während des Ausgleichsvorgangs ändert nichts mehr an dieser Zeit. In der Praxis wurde noch ein hier nicht weiter dokumentiertes Übersetzungsverhältnis zwischen der Master- und Slaveposition berücksichtigt.


Bild 3: Master-Slave-Positionsausgleich

Dämpfung der Torsionsschwingungen

Durch das zeitoptimale Bewegen der Bildtrommel (Durchmesser ca. 80 cm) mit einem Motor kleiner Leistung entstanden Torsionsschwingungen, die erfolgreich mit dem Prinzip der Differenzdrehzahlaufschaltung gedämpft werden konnten. Die dafür benötigten Drehzahlen von Trommel und Antrieb lagen vor.

Realisierung

Die Regelungsalgorithmen wurden auf dem DSP56001 von Motorola implementiert. Die Regelung wird mit einer Schaltfrequenz von 20 kHz und einer Abtastfrequenz von 20 kHz betrieben.

Kundennutzen

Mit Abschluss der Entwicklung verfügte der Kunde über eine hochdynamische und flexible Servoantriebsregelung, die es ihm ermöglichte, das Röntgengerät nicht nur digital zu steuern, sondern es auch in ein lokales Datenverarbeitungsnetz eines Krankenhauses zu integrieren. Sämtliche Regelungsparameter und Zustandsgrößen können im Rahmen einer Fernsteuerung oder Ferndiagnose angesprochen bzw. gelesen werden. In den folgenden Jahren entstand daraus ein hochwertiges über den Stand der Technik weit hinausgehendes Produkt für den gesamten Bereich der Röntgendiagnostik.

Eine ausführliche Beschreibung der Entwicklung findet sich in folgenden, gemeinsam mit Philips Medizin Systeme gemachten Veröffentlichungen:

Ehrenberg, J.; Heins, E.-J.; Leymann, P.; Schumacher, W.:
CAN-Bus mit OSI-Schicht 7 öffnet Tor zur Fabrik; Teil 1: Voll digitale Motorregelung in Medizinsystemen. Elektronik 1991, Heft 22, Seite 70 ... 80

Ehrenberg, J.; Heins, E.-J.; Leymann, P.; Schumacher, W.:
CAN-Bus mit OSI-Schicht 7 öffnet Tor zur Fabrik; Teil 2: Voll digitaler Motorregler für universellen Einsatz. Elektronik 1991, Heft 23, Seite 62 ... 70