CN105897091A - 馈液器降噪装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种馈液器降噪装置及其使用方法，该降噪装置包括旋转角度信号产生模块、(信号)检测模块、(信号)处理模块和反馈实施模块。本发明中降噪方法为通过采用磁场角度传感器(5)检测步进电机(1)的转轴(2)上磁性材料(3)产生的磁场(4)方向，并将相关信号传递给单片机，经单片机计算得到转轴(2)的旋转角度和转速，同时发送反馈信号至驱动芯片，进而通过调节驱动芯片电流大小控制转轴(2)的旋转角度，以降低步进电机噪声。本发明提供的降噪装置及方法，实现了步进电机的自动降噪，且大幅减小了步进电机失步的可能性，节约了生产成本。

Description

馈液器降噪装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及生物、化学实验中使用的实验设备的开发与改进，特别涉及一种全自动滴定设备中馈液器降噪装置及其使用方法。

背景技术

馈液器是自动滴定装置中的一部分，又可以叫做电动滴定管，是在全自动滴定装置中完成微量滴定功能的实验装置。馈液器主要包括阀门和滴定容器。其中，阀门用于控制滴定容器内滴定溶液的进出方向，一般由直流电机与相应的机械结构构成。滴定容器是完成微量滴定功能的部分，使用注射器相似结构，一般使用步进电机与机械丝杠结构推动滴定容器，完成微量滴定功能。可知，馈液器的主要驱动部分使用电机结构，因此，馈液器中产生的噪声主要是由这些电机引起的，其中步进电机是馈液器噪声的主要来源。

步进电机是在各种领域上常用的一种直流电机，该电机的主要特点是使用脉冲波驱动，其中，脉冲信号中的脉冲个数对应旋转的角度，信号频率对应旋转的速度。每一单个脉冲对应的角度叫做步角，其角度取决于电机参数。步进电机的优点是驱动过程中的精度较高、误差不积累、可靠性强等，主要缺点是驱动过程中产生的噪声与振动比较大，容易产生共振现象。

因此，亟需一种稳定、有效的降噪装置及降噪方法用于控制馈液器中步进电机的噪声与振动。

发明内容

为了解决上述问题，本发明人进行了锐意研究，在细分驱动技术的基础上，通过使用磁场角度传感器测量步进电机转轴旋转角度的方法实现电流大小的动态调整，从而减小步进电机和馈液器的驱动噪声及振动，大幅减小了步进电机失步的可能性，从而完成了本发明。

本发明的目的在于提供以下方面：

(1)一种步进电机降噪装置，包括旋转角度信号产生模块、检测模块或信号检测模块、处理模块或信号处理模块和反馈实施模块。

(2)根据上述(1)所述的降噪装置，其中，所述旋转角度信号产生模块固定在步进电机1的转轴2上，用于产生可变磁场或磁场4，该磁场可被检测模块所检测，所述步进电机优选在驱动芯片作用下(例如通过控制A相和/或B相电流)运转。

(3)根据上述(1)或(2)所述的降噪装置，其中，所述检测模块包括磁场角度传感器5，其固定位置与所述旋转角度信号产生模块相对。

(4)根据上述(1)至(3)之一所述的降噪装置，其中，所述信号处理模块包括单片机，用于接收总控制器和检测模块的信号，并计算转轴2旋转角度和转速，以及发出反馈信号，例如向驱动芯片发送CLK、DIR、VREF等信号，所述总控制器为包括步进电机及降噪装置的整个机电系统的控制部分。

(5)一种步进电机的降噪方法，优选采用上述(1)至(4)之一所述的降噪装置进行降噪，包括以下步骤：

1)旋转角度信号产生模块(优选磁性材料)在步进电机1的转轴2上产生旋转角度信号；

2)信号检测模块(包括磁场角度传感器5)检测旋转角度信号，并转化为相关信号传送给信号处理模块；

3)信号处理模块(包括单片机)接收相关信号并进行计算，获得旋转角度和转速后，发出反馈信号；

4)根据反馈信号，反馈实施模块调整转轴2的旋转角度和转速。

(6)根据上述(5)所述的降噪方法，其中，步骤1)中，在步进电机(1)的转轴(2)上设置磁性材料，用于产生旋转角度信号(磁场4)，其中，所述磁性材料3优选磁铁，更优选永磁铁。

(7)根据上述(5)或(6)所述的降噪方法，其中，步骤2)中，通过正对磁性材料3的磁场角度传感器5检测转轴2旋转角度信号。

(8)根据上述(5)至(7)之一所述的降噪方法，其中，步骤3)中单片机还用于判断转轴2的旋转角度和转速是否达到要求，其中，判断的内容包括：

1)判断测量角度与理论角度是否相符；

2)判读转速是否达到限定值。

(9)根据上述(5)至(8)之一所述的降噪方法，其中，步骤4)中，

通过调节驱动芯片电流大小控制转轴2的旋转角度，和/或

通过调整驱动信号频率高低控制转轴2的转速。

(10)根据上述(1)至(4)之一所述的降噪装置的用途，用于降低检测仪器中馈液器的噪声。

根据本发明提供的降噪装置及降噪方法，具有以下有益效果：

(1)本发明降噪装置集旋转角度信号产生模块、检测模块、处理模块和反馈实施模块于一体，通过检测-反馈自动化机制实现了步进电机的自动降噪，降低了机械共振对仪器的损害风险；

(2)在细分驱动的基础上对步进电机转轴的旋转角度进行测定和矫正，提高了实验仪器的检测准确性；

(3)根据本发明提供的降噪装置及方法，可达到静音驱动，减少了振动引起的各种干扰，实现了检测环境的稳定性。

附图说明

图1示出惯性引起的衰减震荡；

图2示出两相步进电机的驱动信号；

图3示出应用细分驱动技术时的两相电流波形；

图4示出一种优选实施方式中基于角度测量的降噪控制系统；

图5示出一种优选实施方式中角度测量部件结构；

图6示出一种优选实施方式中降噪方法控制流程图。

附图标号说明：

1-步进电机；

2-转轴；

3-磁性材料；

4-磁场；

5-磁场角度传感器。

具体实施方式

下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

步进电机容易产生噪声和共振，其原因主要有两种，主要原因是完成单步运行过程后旋转角度上产生的衰减震荡。在步进电机驱动过程中，当单个脉冲传输到步进电机时，步进电机绕组上发生一次切向过程，从而绕组与转子之间的平衡点发生变化，则转子跟着平衡点进行旋转。但是由于转子到了平衡点时，转子上的负载与转子本身的惯性影响发生衰减性震荡，如图1所示，这是步进电机产生噪声与振动的主要原因。还有一种原因是驱动信号的特点引起的噪声。步进电机的驱动信号是脉冲信号，比如两相步进电机的各相驱动信号为如图2所示，对各相驱动信号使用傅立叶级数，可表示为如下：

$u_a=\frac{4U}{\mathrm{\π}}\underset{k=0}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}\frac{1}{2k+1}\sin \left(\right(2k+1\left)\mathrm{\ω}t\right)$

$u_b=\frac{4U}{\mathrm{\π}}\underset{k=0}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}\frac{1}{2k+1}cos\left(\right(2k+1\left)\mathrm{\ω}t\right)$

由此可知，在驱动信号中存在高次谐波分量，而各个分量产生相应的噪声。

为了减少步进电机驱动噪声，可采用细分驱动技术。细分驱动技术的基本原理是，在原有的驱动信号中将单个脉冲信号细分为多个脉冲，以及减少单个脉冲对应的步角，同时在绕组上形成一种正弦相似的电流波形。基于此方法，能够减少原来单步驱动完成后产生的衰减震荡，同时可以减少驱动信号中高次谐波的影响。如图3所示，为两相步进电中应用细分驱动技术时的各相电流波形。

在步进电机驱动芯片中设定细分驱动功能，为了使用芯片自带的细分功能，直接设定细分数与最大电流值即可，其中，该电流值越小则噪声越小，但是，电流值过小会有发生失步现象的隐患。

本发明的目的是提供一种降噪装置，在降低步进电机噪声的同时减小发生失步现象的可能性。所述降噪装置包括旋转角度信号产生模块、检测模块或信号检测模块、处理模块或信号处理模块，和反馈实施模块，通过检测-反馈自动化机制实现了步进电机的自动降噪，从而降低机械共振对仪器的损害风险。

本发明中，旋转角度信号产生模块固定在步进电机1的转轴2上，所述旋转角度信号产生模块包括磁性材料3，随着步进电机1转轴2的旋转产生方向可变的磁场或磁场4，该磁场4可被检测模块所检测，所述步进电机优选在驱动芯片作用下(例如通过控制A相和/或B相电流)运转。选择磁性材料为旋转角度信号产生模块，在可产生不间断磁场信号的同时，大大降低了生产成本。

本发明中，信号检测模块包括磁场角度传感器5，其固定位置与所述旋转角度信号产生模块相对。所述信号检测模块用于检测磁场4方向的变化，并将该变化传递到信号处理模块。本发明中所使用的磁场角度传感器为无接触角度定位装置，占用空间小，检测灵敏度高，适用于高温工作条件，可满足快速变化的磁场的检测要求。

本发明中，信号处理模块包括单片机，用于接收总控制器和检测模块的信号，并计算转轴2旋转角度和转速，以及发出反馈信号，例如向驱动芯片发送电流方向(DIR)信号、脉冲频率(CLK)信号和参考电压(VREF)信号等信号。所述总控制器为包括步进电机1及降噪装置的整个机电系统的控制部分。信号处理模块将计算得到的旋转角度和转速与理论值或限定值进行比较，发出反馈信号，指导反馈实施模块对旋转角度和转速做进一步调整。

在一种优选实施方式中，如全自动滴定仪的馈液器中，降噪装置如图4所示，包括电源、总控制器、单片机、驱动芯片、步进电机1和检测模块(包括磁场角度传感器5)，其中，总控制器是指自动滴定系统的控制部分。

步进电机1的转轴2上固定有磁性材料3(优选磁铁)，磁场角度传感器5与磁性材料3相对平行放置，能够充分检测到磁场4的方向变化，如图5所示。其中，磁性材料3为旋转角度信号产生模块，在转轴2旋转过程中能够产生方向可变的磁场4；磁场角度传感器5属于信号检测模块，检测磁场信号，并将信号传递给单片机，通过磁场方向的变化确定旋转角度。

单片机属于信号处理模块，一方面接收磁场角度传感器5转化后的信号，计算转轴旋转角度和转速，对驱动芯片电流大小和驱动频率进行调整；另一方面，将反馈信号传递到反馈实施模块，实现转轴旋转角度和转速的调整，所述反馈信号包括DIR信号、CLK信号和VREF信号等。

驱动芯片和步进电机1属于反馈实施模块，其中，驱动芯片是专门为步进电机1设计的，带有细分驱动功能。通过改变相绕组(两相步进电机为A相、B相)电流大小，控制步进电机1输出力矩的大小，从而实现对步进电机转动角度的调整。

本发明的另一目的是提供降噪装置的降噪方法，该方法可实现电流大小的动态调整，包括以下步骤：

步骤一、在步进电机1的转轴2上产生旋转角度信号；

步骤二、检测旋转角度信号；

步骤三、通过单片机进行信号处理，计算旋转角度和转速；

步骤四、根据反馈信号，调整旋转角度和转速。

其中，步骤一中，旋转角度信号产生模块在步进电机1的转轴2上产生旋转角度信号，所述旋转角度信号产生模块为磁性材料3，优选磁铁，更优选永磁铁；

步骤二中，信号检测模块检测旋转角度信号(通过正对磁性材料3的磁场角度传感器5检测转轴2的旋转角度信号)，并转化为相关信号传送给信号处理模块；

步骤三中，单片机(信号处理模块)接收相关信号并进行计算，判断转轴2的旋转角度和转速是否达到要求，其中，判断的内容包括：判断测量角度与理论角度是否相符，以及转速是否达到限定值，并发出反馈信号；

步骤四中，根据反馈信号，通过调节驱动芯片电流大小控制转轴2旋转角度，通过调整驱动信号频率高低控制转轴2转速。

在一个优选实施方式中，如图6所示，降噪方法包括以下步骤：步骤一：连接电源，开始(仪器开启)，并进行仪器初始化；步骤二：总控制器发出脉冲信号，驱动电机运转；步骤三：磁场角度传感器5获得旋转角度信号，传递给单片机后计算转轴2的旋转角度和转速，并发出反馈信号；步骤四：根据反馈信号调整输出到步进电机1的电流和脉冲频率；步骤五：确定步进电机1旋转结束与否；步骤六：结束(仪器关闭)。

其中，步骤二中，仪器初始运转时，由仪器总控制器对驱动芯片发出一系列脉冲信号，驱动步进电机1运转，步进电机1转速由慢至快，磁场4的变化速度也由慢变快。

步骤三中包括3个子步骤，即：1)转轴2旋转角度信号的检测；2)信号传输与处理；3)信号反馈与实施。

其中，子步骤1)中，通过磁场角度传感器5进行磁性材料3(优选磁铁)磁场方向的测定，获得旋转角度信号，并将信号传递到单片机进行信号处理，其中，磁场角度传感5器固定位置正对转轴2上的磁性材料3。

子步骤2)中，单片机对转轴2的旋转角度和转速进行计算，判断旋转角度以及转速是否符合设定要求。如果旋转角度落后理论值，则需增加相电流大小以增大力矩，从而加大旋转角度；如果旋转角度大于理论值，则需相应减小相电流大小；旋转角度与理论值相符，则保持初始电流大小不变，其中所述旋转角度的理论值为在设定细分条件下，计算得到的步进电机的旋转角度。

转速与脉冲频率相关，若转速未达到限定值，则可加快脉冲频率，以使步进电机1快速达到正常运转状态；若转速达到限定值，则可进一步选择继续运转或结束运转，其中，限定值指步进电机产生的噪音在要求范围内时转轴的最大转速。

子步骤3)中，单片机将反馈信号传递给驱动芯片。

步骤四中，驱动芯片根据反馈信号调整电流大小和脉冲频率，从而完成步进电机1转轴2的旋转角度与转速的调控。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种步进电机降噪装置，包括旋转角度信号产生模块、检测模块或信号检测模块、处理模块或信号处理模块和反馈实施模块。

2.根据权利要求1所述的降噪装置，其特征在于，所述旋转角度信号产生模块固定在步进电机(1)的转轴(2)上，用于产生可变磁场或磁场(4)，该磁场可被检测模块所检测，所述步进电机优选在驱动芯片作用下(例如通过控制A相和/或B相电流)运转。

3.根据权利要求1或2所述的降噪装置，其特征在于，所述检测模块包括磁场角度传感器(5)，其固定位置与所述旋转角度信号产生模块相对。

4.根据权利要求1至3之一所述的降噪装置，其特征在于，所述处理模块包括单片机，用于接收总控制器和检测模块的信号，并计算转轴(2)旋转角度和转速，以及发出反馈信号，例如向驱动芯片发送CLK、DIR、VREF等信号。

5.一种步进电机的降噪方法，优选采用权利要求1至4之一所述的降噪装置进行降噪，其特征在于，包括以下步骤：

1)在步进电机(1)的转轴(2)上产生旋转角度信号；

2)检测旋转角度信号；

3)通过单片机进行信号处理，计算旋转角度和转速；

4)根据反馈信号，调整旋转角度和转速。

6.根据权利要求5所述的降噪方法，其特征在于，在步进电机(1)的转轴(2)上设置磁性材料(3)，用于产生旋转角度信号，其中，所述磁性材料(3)优选磁铁，更优选永磁铁。

7.根据权利要求5或6所述的降噪方法，其特征在于，步骤2)中，通过正对磁性材料(3)的磁场角度传感器(5)检测转轴(2)的旋转角度信号。

8.根据权利要求5至7之一所述的降噪方法，其特征在于，步骤3)中单片机还用于判断转轴(2)的旋转角度和转速是否达到要求，其中，判断的内容包括：

1)判断测量角度与理论角度是否相符；

2)判读转速是否达到限定值。

9.根据权利要求5至8之一所述的降噪方法，其特征在于，步骤4)中，

通过调节驱动芯片电流大小控制转轴(2)的旋转角度，和/或

通过调整驱动信号频率高低控制转轴(2)的转速。

10.根据权利要求1至4之一所述的降噪装置的用途，用于降低检测仪器中馈液器的噪声。