CN106502285B - 电动式设备及其运动控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及电动式设备及其运动控制方法，设备包括：控制处理模块；电机；受控于电机的传动模块；连接电机的电流采集模块，用于采集电机的电流信号，并将电流信号反馈给控制处理模块；限位模块，用于限制传动模块的极限位置，并将极限位置反馈给控制处理模块；控制处理模块用于根据电流信号，结合电机的电机参数，分析出电机的转速信息，根据极限位置和转速信息，确定出传动模块的当前位置，根据当前位置，控制电机的驱动参数。通过分析电机电流信息，从中提取出电机的转速信息，再根据极限位置计算出传动模块的当前位置，整个过程无需增加额外硬件，即可实现位置检测，实现对传动模块的速度控制，进而为系统稳定和安全地工作提供可能。

Description

电动式设备及其运动控制方法

技术领域

本申请涉及电动式设备技术领域，具体涉及一种电动式设备及其运动控制方法。

背景技术

采用电动式设备是医院实现现代化必不可少的手段之一，例如医用吊塔、手术床等。对于各种运动和位置控制设备，其通常使用限位开关来对其运动部件进行限位控制，即在其运动部件所经过的需限位的地方固定安装限位开关部件。通过限位开关可以将运动部件的运动范围限制在工作需要的范围内，一旦限位开关失效，将可能造成设备的损坏或发生事故，因此限位开关的稳定性和可靠性对于各种运动和位置控制设备而言十分重要。

由于限位开关只能检测上下或左右两个极限位置的状态，无法实时反应传动模块的位置信息。如果要获得传动模块的实时位置信息，现有的做法是增加位置传感器或光栅编码器等复杂的硬件模块。另外，由于限位开关一旦触发，需要传动模块及时响应，没有缓冲的时间，容易导致振动、电流过冲等破坏性危害，对系统的稳定性和使用寿命有较大影响。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种电动式设备，其无需增加额外硬件模块即可实现传动模块的位置检测，进而可以根据检测的位置信息控制电机的驱动参数，从而可以控制传动模块的速度，实现系统稳定安全的工作。

根据本申请的第一方面，本申请提供一种电动式设备，包括：控制处理模块；电机；受控于所述电机的传动模块；连接所述电机的电流采集模块，用于采集所述电机的电流信息，并将所述电流信息反馈给所述控制处理模块；分别连接所述传动模块和所述控制处理模块的限位模块，用于限制所述传动模块的极限位置，并将所述极限位置反馈给所述控制处理模块；所述控制处理模块用于根据所述电流信息，结合所述电机的电机参数，分析出所述电机的转速信息，根据所述极限位置和所述转速信息，确定出所述传动模块的当前位置，根据所述当前位置，控制所述电机的驱动参数。

根据本申请的第二方面，本申请提供一种电动式设备的运动控制方法，所述电动式设备包括电机、受控于所述电机的传动模块、以及用于限制所述传动模块的极限位置的限位模块，所述方法包括：获取所述电机的电机参数；采集所述电机的电流信息；根据所述电流信息和所述电机参数，分析出所述电机的转速信息；根据所述极限位置和所述转速信息，确定出所述传动模块的当前位置；根据所述当前位置，输出控制所述电机的驱动参数。

本申请通过分析采集的电机电流信息，结合电机参数，从中提取出电机的转速信息，再根据限位模块提供的极限位置，计算出传动模块的当前位置，整个过程无需增加诸如位置传感器等硬件，即可实现传动模块的位置检测；此外，根据检测的位置信息，输出对电机的驱动，从而可实现对传动模块的速度控制，进而为系统稳定和安全地工作提供可能。

附图说明

图1为本申请一种实施例的电动式设备的结构示意图；

图2为本申请一种实施例中控制处理模块的结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施例并结合附图对本申请作进一步详细说明。

实施例一：

如图1所示，本实施例提供的电动式设备1包括：电机11、传动模块12、电流采集模块13、电机驱动模块14、限位模块15和控制处理模块16。以下对各模块进行详细描述，并通过该描述阐述了该电动式设备相应的运动控制方法。

电机11是电动式设备1的电力转换装置，不同电机的参数存在区别，因此实际应用中，电机参数由具体的电机型号而定。在本实施例中，电机11可以是直流电机。

传动模块12为受控于电机11的机械传动机构，实现电机转动到直线运动的转换。以电动式设备为医用吊塔为例，传动模块12为吊塔的机械应用传动系统，一般包括传动链、丝杆、导轨等部件。在本实施例中，这些部件及其构成的传动模块可参考已有相关技术实现。

电流采集模块13连接电机11，用于采集电机11的电流信息，并将采集的电流信息反馈给控制处理模块16。现有电动式设备例如医用吊塔、手术床等，一般都提供有电流采集模块，目的在于进行过流保护。本实施例的电动式设备可以直接采用现有电动式设备的电流采集模块来采集电机的电流信息。一种具体实现中，电流采集模块13可包括采样环节、信号放大环节、及逻辑和信号滤波环节，这些环节可参考已有相关技术实现，在此不作详述。从而，可以通过采样环节如采样电阻实现对电机电流的采集，再通过信号放大环节放大采集的电流信号，然后通过逻辑和信号滤波环节对干扰信号进行滤波，提取准确的电机电流信号，即可将电机工作的实时电流信号准确地输出给控制处理模块16。

电机驱动模块14连接控制处理模块16，根据控制处理模块16输出的控制电机11的驱动参数，实现对电机11的驱动。本实施例中，电机驱动模块14连接于控制处理模块16和电流采集模块13之间；另一种实施例中，电机驱动模块14还可以连接于控制处理模块16和电机11之间，而不经过电流采集模块13。一种具体实现中，电机驱动模块14采用H桥驱动电路实现，具体可参考已有相关技术实现，在此不作详述。H桥通过四个桥臂的时序导通控制，实现对电机11的正转、反转、制动等驱动需求，从而满足对电动式设备1的传动模块12的驱动要求。

限位模块15连接于传动模块12和控制处理模块16之间，用于限制传动模块12的极限位置，并将极限位置反馈给控制处理模块16。在本实施例中，限位模块15可以是限位开关，当传动模块12到达相应位置时导通，限位模块15通知控制处理模块16传动模块12已达极限位置。另一种实施例中，限位模块15采用红外实现对传动模块12是否到达极限位置的检测。具体的限位开关或红外方式如何检测是否到达极限位置及将检测结果反馈控制处理模块可参考已有相关技术实现，在此不作详述。

控制处理模块16用于经过对各种信息的整合处理，输出控制电机11转动相关的驱动参数。具体地，本申请的申请人发现，根据电机的电磁转换原理，由于电机的转子在不同位置时具有不同的阻抗特性，导致其在一圈转动中具有周期变换的电流特性，即电流信号将随转子在磁场中位置变化而周期变化。可以理解，这里的一个周期并不一定等于电机输出的最后一圈，电流信号随转子在磁场中位置变化而周期变化的比例关系可以通过事先输入的电机参数如电机的绕组参数和传动比参数确定。另一种实施例中，也可以不事先输入电机参数，而是通过测试标定出该比例关系，例如测得电机已经转动的距离如10mm，结合采样的电流和时间，参考已有相关技术，可以反推出该比例关系。无论是根据具体应用的电机型号输入电机参数，或是通过测量标定，都可以使控制处理模块16在处理时使用准确的电机参数，从而保证了处理的准确性。

所以，根据电流采集模块13反馈的电流信息所具有的周期特性，可分析电机11工作的转速信息，再结合限位模块15的极限位置，可以计算出传动模块12的位置信息，从而，控制处理模块16可以输出电机11的驱动参数，包括启动、正反转、停止、加减速控制等的驱动参数。本实施例中，如图2所示，控制处理模块16包括滤波单元161、频域变换单元162、转换单元163、积分单元164和输出单元165。通过滤波单元161对由电流采集模块13反馈的电机电流信息进行滤波处理，去除干扰；其次通过频域变换单元162，对滤波后的信息进行傅里叶变换(FFT变换)，得到电流变化的频率信息；接着转换单元163根据电机11的电机参数，将频率信息转换为电机的转速信息；积分单元164可以对该转速信息进行积分处理，即可得到传动模块12的当前位置信息，其中积分处理涉及的常量为传动模块12的历史位置信息，该常量的初始值可以为限位模块12反馈的极限位置对应的值。通过输出单元165，可以将该转换单元163得到的转速信息输出，也可以输出积分单元164中得到的传动模块12的当前位置信息。从而，可以实现电机电流、转速和位置的全监控和控制。

通过上述图2所示功能框图，可以根据传动模块12的位置信息，调整对电机11的驱动控制策略，从而优化传动模块12在运行中的控制，使传动模块12运行得更平稳，并可以根据传动模块的当前位置以及限位模块反馈的极限位置，实现在靠近极限位置时传动模块的缓停等控制，使极限位置的致动更稳定。控制处理模块16可以是在已知的电动式设备的控制系统上通过增加新的实现上述图2所示功能框图的功能单元实现，也可以是直接在该原有的控制系统上直接编程加入相应的功能。

一种具体实现中，电动式设备1以MO控制器为核心来实现控制处理模块16，配置需求的电源接口、外部人机接口、传感器接口、电机控制接口、通讯总线等模块，实现对整个电动式设备的人机交互、运行控制和状态监控。其中，人机接口通过线控器提供，用于接收使用者的输入以根据其输入控制电机11的驱动参数，还用于向使用者反馈传动模块12的位置信息，使用户更直观了解吊塔的整个运行状态，提高用户体验；传感器接口连接限位模块15；电机控制接口连接电机驱动模块14。具体功能实现如前述，在此不再重述。

本实施例通过电流信息的解析，根据电机线圈在磁场中不同位置的阻抗周期性变化特性，可从电机的监测电流信息中提取出电机的转速信息，再根据传动比等电机参数可得到升降系统速度信息，最后充分利用原有的限位开关作为位置积分的初始状态，通过积分方式得到位置信息。其中，电流采集模块、限位模块等涉及的硬件模块都是现有电动式设备例如医用吊塔、手术床等的通用配置，无需位置传感器或光栅编码器等复杂系统即可实现升降系统的位置检测，即本申请在现有电动式设备中只需进行相应的软件开发即可实现，具有很高的可行性。而检测的位置信息一方面可使控制处理模块对传动模块的状态进行监控，另一方面可实现在靠近极限位置时驱动传动模块的缓停等控制，优化整个传动构架在运动过程中的速度控制，实现系统的稳定和安全的工作。显然，本实施例具有成本低(不增加硬件模块)、易实现等特性。

实施例二：

本实施例是在实施例一的基础上做出的改进，具体为：考虑到积分存在累积误差，使用一段时间后，位置偏差会越来越大，所以，本实施例的控制处理模块16还用于在限位模块15被触发时，将积分单元164中的积分用的常量调整为极限位置对应的值。这样，限位模块15将作为传动模块12的位置基准，在限位模块15被触发时，控制处理模块16的积分单元164对积分部分常量进行修正，从而清除积分的累积误差，保证系统长期运行的精度。可见，结合限位模块15可实现电动式设备1的在线实时校准，无需额外标定校准系统，无累积误差。限位模块15为电动式设备1的关键位置检测元件，具有检测和保护双功能，保证传动模块12能在安全的范围内正确运行，同时还作为位置零点的自动校准，并复位位置，保证系统在一定运行周期内无累积误差。相比实施例一，本实施例还多了自动校准的特性。

其它实施例还可以在实施例一或二中增加本领域已知的相关功能模块，例如可以在电动式设备1中增加存储模块，用于存储传动模块12的当前位置，从而，当系统掉电后重新启动时，可以从该存储模块中将之前的位置信息读取出来，从而可以避免掉电后需要移动到极限位置进行校准。

综上，本申请提供的电动式设备及其运动控制方法，通过限位模块以及电机电流分析，实现了对传动模块的位置检测、速度控制、致动保护、校准等功能，提高了系统控制的准确性和安全性，使系统更稳定，且系统无需增加额外硬件模块，只需优化软件算法即可。

以上内容是结合具体的实施方式对本申请所作的进一步详细说明，不能认定本申请的具体实施只局限于这些说明。对于本申请所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。

Claims (12)

1.一种电动式设备，其特征在于，包括：

控制处理模块；

电机；

受控于所述电机的传动模块；

连接所述电机的电流采集模块，用于采集所述电机的电流信息，并将所述电流信息反馈给所述控制处理模块；

分别连接所述传动模块和所述控制处理模块的限位模块，用于限制所述传动模块的极限位置，并将所述极限位置反馈给所述控制处理模块；

所述控制处理模块用于根据所述电流信息所具有的周期特性，结合所述电机的电机参数，分析出所述电机的转速信息，根据所述极限位置和所述转速信息，确定出所述传动模块的当前位置，根据所述当前位置，控制所述电机的驱动参数，以实现在靠近极限位置时驱动传动模块的缓停。

2.如权利要求1所述的电动式设备，其特征在于，所述控制处理模块包括：

滤波单元，用于对接收的电流信息进行滤波处理；

频域变换单元，用于对滤波后的信息进行傅里叶变换以得到电流变化的频率信息；

转换单元，用于根据所述电机的电机参数，将所述频率信息转换为电机的转速信息；

积分单元，用于对所述转速信息进行积分处理，得到所述传动模块的当前位置，其中积分处理涉及的常量为所述传动模块的历史位置信息或极限位置；

输出单元，用于输出所述电机的转速信息和/或所述传动模块的当前位置。

3.如权利要求2所述的电动式设备，其特征在于，所述积分单元中的所述常量的初始值为所述极限位置对应的值；所述控制处理模块还用于在所述限位模块被触发时，将所述积分单元中的所述常量调整为所述极限位置对应的值。

4.如权利要求2所述的电动式设备，其特征在于，所述电机的电机参数通过接收到的使用者的事先输入而得到，或者通过测试标定方式得到。

5.如权利要求1所述的电动式设备，其特征在于，还包括人机接口，用于接收使用者的输入以根据所述输入控制所述电机的驱动参数，还用于向使用者反馈所述传动模块的位置信息；和/或存储模块，用于存储所述传动模块的当前位置。

6.如权利要求1所述的电动式设备，其特征在于，所述限位模块为限位开关，或者所述限位模块采用红外实现。

7.如权利要求1所述的电动式设备，其特征在于，还包括电机驱动模块，用于根据所述控制处理模块输出的控制所述电机的驱动参数，实现对所述电机的驱动。

8.如权利要求1-7任一项所述的电动式设备，其特征在于，所述电动式设备包括医用吊塔和手术床中的至少一种。

9.一种电动式设备的运动控制方法，所述电动式设备包括电机、受控于所述电机的传动模块、以及用于限制所述传动模块的极限位置的限位模块，其特征在于，所述方法包括：

获取所述电机的电机参数；

采集所述电机的电流信息；

根据所述电流信息所具有的周期特性和所述电机参数，分析出所述电机的转速信息；

根据所述极限位置和所述转速信息，确定出所述传动模块的当前位置；

根据所述当前位置，输出控制所述电机的驱动参数，以实现在靠近极限位置时驱动传动模块的缓停。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，

所述分析出所述电机的转速信息包括：对接收的电流信息进行滤波处理，对滤波后的信息进行傅里叶变换以得到电流变化的频率信息，根据所述电机参数，将所述频率信息转换为电机的转速信息；

所述确定出所述传动模块的当前位置包括：对所述转速信息进行积分处理，得到所述传动模块的当前位置，其中积分处理涉及的常量为所述传动模块的历史位置信息或极限位置。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括：检测所述限位模块的状态，当所述限位模块被触发，将所述积分处理涉及的常量设置为所述极限位置对应的值。

12.如权利要求9至11任一项所述的方法，其特征在于，根据所述当前位置，输出控制所述电机的驱动参数包括：当所述当前位置接近所述极限位置时，控制所述电机的驱动参数来降低所述传动模块的运动速度。

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