CN108761107B - 一种全自动免疫分析仪高速离心转盘及定位控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电动机驱动技术领域，公开了一种全自动免疫分析仪高速离心转盘及定位控制方法，包括离心转盘、电机驱动器、直流无刷电机、试剂卡槽和绝对编码器；离心转盘质量集中在中心轴处，外缘为扇形条状结构，以最大程度减小质量，在半径一定的条件下减小转动惯量；直流无刷电机按照S型曲线开环加速运转至特定速度，带动直连安装在电机输出轴上的离心转盘转动，使试剂卡槽内样品分离，待分离完成后降低电机转速，当速度降低到设定速度时电机闭环运动，配合电机输出通轴另一端安装的光电绝对编码器检测离心转盘位置，运用PID控制算法精确控制离心转盘停止在规定位置，提高全自动免疫分析仪高速离心转盘的定位精度，方便机械臂对样品采取后续处理。

Description

一种全自动免疫分析仪高速离心转盘及定位控制方法

技术领域

本发明属于电动机驱动技术领域，尤其涉及一种全自动免疫分析仪高速离心转盘及定位控制方法。

背景技术

目前，业内常用的现有技术是这样的：现代医学快速发展，不仅在医学方法上不断创新，还对医学检测的效率提出了更高的要求。全自动免疫分析仪是临床检验中经常使用的重要分析仪器之一，涉及多学科，且要求高精度、高可靠性，是一个十分复杂的系统。全自动免疫分析仪将医学临床检测中手动条码扫描操作、取卡刺破操作、试剂加样操作、高速离心操作、振荡弃卡操作等全部实现自动化，较半自动免疫分析仪而言，极大程度的提高了检测效率。全自动免疫分析仪要实现完全的自动化，其核心就是系统的精度，而系统的精度影响因素之一就是全自动免疫分析仪中离心模块定位的准确性和精度。离心模块的作用是将放置在离心转盘试剂卡槽内的样品在高速旋转产生的离心力作用下完成分离。若离心模块内的离心转盘定位精确不准确，则需要人为参与调整离心转盘的位置，同时也会增加更换试剂的时间，降低分析效率，影响加样机械臂采取后续操作，降低控制系统的控制精度。由于离心转盘上需要放置一定量的试剂卡槽，其半径必须大于特定值，且试剂卡槽需安装在离心转盘的末端，这样使得离心转盘的转动惯量较大，容易造成离心转盘启动与制动较难，定位精度不够。目前市面上的全自动免疫分析仪高速离心模块定位精度不准确，是一种半自动式的仪器，需要人为参与调整试剂的位置，降低分析效率，降低控制系统的控制精度，更有甚者，可能会使受检测者的结果混乱，造成重大的医学事故；且现有的全自动免疫分析仪高速离心电机机型多为交流伺服电机或者步进电机，若为交流伺服电机，其电机与伺服驱动器为闭环控制，当电机驱动大惯量离心转盘运转时会在启停阶段由于惯量不匹配而产生较大误差，使电机无法继续运行；若电机为步进电机，必须要装配减速机才能够带动大惯量离心转盘，但是这样会导致电机转动速度达不到要求的转速；现有的离心模块的离心转盘因技术上的不成熟以及加工难度大，未对其进行结构优化，整个离心转盘质量大，结构笨重，造成离心转盘的转动惯量进一步增加，为提高控制精度，减轻驱动电机的负载，必须设计一款既满足离心模块的运动要求又能最大限度的减小转动惯量的离心转盘以及其精确控制方法。

综上所述，现有技术存在的问题是：目前的全自动免疫分析仪的离心模块存在离心转盘结构笨重、转速无法达到分离试剂的要求、离心转盘无法精确定位、自动化程度低等缺点。

解决上述技术问题的难度和意义：本发明所设计的全自动免疫分析仪的离心转盘利用三维仿真软件进行立体建模，对结构进行优化，在离心转盘半径不变的情况下，最大程度的降低离心转盘的转动惯量，使得离心转盘启动与制动快，定位精度高。本发明所提出的全自动免疫分析仪离心转盘精确定位控制方法，结合直流无刷电机的特点和安装在电机输出轴上的绝对光电编码器，利用S型加减速曲线以及PID控制算法控制全自动免疫分析仪离心转盘精准停止在固定的位置，提高了全自动免疫分析仪的效率以及定位精度。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种全自动免疫分析仪高速离心转盘及定位控制方法。

本发明是这样实现的，一种全自动免疫分析仪高速离心转盘的定位控制方法，所述全自动免疫分析仪高速离心转盘的定位控制方法包括：

第一步，安装离心转盘以及用于精确定位的控制装置，利用定位仪器计算离心转盘安装零点与绝对编码器安装零点之间的相对值；

第二步，直流无刷电机在转动力矩作用下按照S型加速曲线开环运转，带动轴连接的离心转盘加速转动，试剂卡槽端部在离心力作用下向内翻转；

第三步，直流无刷电机加速至特定转速后保持匀速转动，试剂卡槽内样品在离心转盘高速旋转产生的离心力下分离；

第四步，直流无刷电机按照S型减速曲线降低转速，结合绝对编码器反馈的位置信息，运用PID控制算法控制离心转盘停止到指定的位置。

进一步，计算离心转盘未加试剂卡槽的转动惯量为：

离心转盘的离心力计算公式为：

其中m为离心转盘上一点处的质量，r为离心转盘上该点距转盘中心轴的半径；

则直流无刷电机所需的转动力矩为：

M＝J·ε＝Jω/t；

其中ε为离心转盘的角加速度。

本发明的另一目的在于提供一种所述全自动免疫分析仪高速离心转盘的定位控制方法控制的全自动免疫分析仪高速离心转盘控制装置，所述全自动免疫分析仪高速离心转盘控制装置包括：离心转盘、电机驱动器、直流无刷电机、试剂卡槽、绝对编码器；

电机驱动器，通过三相U、V、W线连接直流无刷电机，驱动电机按照规定的转速运动；

直流无刷电机，电机输出通轴一端与绝对编码器轴连接，一端与离心转盘中心轴机械连接，控制离心转盘绕中心轴高速运转；

离心转盘，转盘外侧安装有试剂卡槽，通过高速运转使卡槽内的样品中未参与抗原抗体反应部分与参与抗原抗体反应部分分离；

绝对编码器，与直流无刷电机通过电机输出轴机械连接，与直流无刷电机配合，用于精确定位离心转盘运转的位置。

进一步，所述试剂卡槽，是中间贯通的壳体，安装多个试剂卡，试剂卡槽壳体侧面的凹处与离心转盘卡扣处的凸出相贴合，固定试剂卡槽，同时在试剂卡槽的一侧加入配重。

进一步，所述离心转盘外安装一个带盖子的保护罩。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明的全自动免疫分析仪高速离心转盘质量为4.68kg，半径是0.16m，在未加试剂卡及试剂卡槽时离心转盘的转动惯量为0.06kg·m²，转矩为1.4Nm，要完成离心转盘上试剂卡槽内样品完成分离所需的转速为1500r/min。经测试，采用直流无刷电机能使离心转盘的转速达到1500r/min，且保持这一速度匀速运转10s，使得试剂卡槽内的样品完成分离，然后电机降低转速，运用本发明中的离心转盘精确定位控制方法使得离心转盘停止在固定的位置，以便机械臂及后续相关流程操作。

附图说明

图1是本发明实施例提供的全自动免疫分析仪高速离心转盘定位控制方法流程图。

图2是本发明实施例提供的全自动免疫分析仪高速离心转盘整体结构示意图；

图3是本发明实施例提供的全自动免疫分析仪高速离心转盘结构示意图；

图4是本发明实施例提供的全自动免疫分析仪高速离心转盘上试剂卡槽的结构示意图；

图中：1、离心转盘；2、保护罩；3、直流无刷电机；4、绝对编码器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明可以达到全自动免疫分析仪高速离心模块分离样品所要求的转速，且定位精度高，自动化程度高，分析效率高，可以完全代替手工操作完成检测蛋白质含量、分析血液成分、诊断肿瘤等医学临床检测。

如图1所示，本发明实施例提供的全自动免疫分析仪高速离心转盘定位控制方法包括以下步骤：

S101：安装离心转盘以及用于精确定位的控制装置，计算离心转盘安装零点与绝对编码器安装零点之间的相对值；

S102：直流无刷电机在转动力矩作用下按照S型加速曲线开环运转，带动轴连接的离心转盘加速转动，试剂卡槽端部在离心力作用下向内翻转；

S103：直流无刷电机加速至特定转速后保持匀速转动，试剂卡槽内样品在离心转盘高速旋转产生的离心力下分离；

S104：直流无刷电机按照S型减速曲线降低转速，结合绝对编码器反馈的位置信息，运用PID控制算法控制离心转盘停止到指定的位置。

如图2所示，本发明实施例提供的全自动免疫分析仪高速离心转盘包括：离心转盘1、直流无刷电机3、绝对编码器4；

电机驱动器4，通过三相U、V、W线连接直流无刷电机3，驱动电机按照规定的转速运动；直流无刷电机3，电机输出轴一端与绝对编码器轴连接，一端与离心转盘中心轴机械连接，控制离心转盘1绕中心轴高速运转；离心转盘1，转盘外侧安装有试剂卡槽，通过高速运转使卡槽内的样品未参与抗原抗体反应部分与参与抗原抗体反应部分分离；绝对编码器4，与直流无刷电机通过电机输出轴机械连接，与直流无刷电机配合，用于精确定位离心转盘运转后停止时的位置。试剂卡槽，通过与离心转盘外缘扇形条状端部形成卡口结构，安装在离心转盘外圈，内装经过抗原抗体反应需要分离的样品，为防止在离心力作用下翻转，在试剂卡槽下侧方加入配重设计。

下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。

如图2所示，控制装置主要由离心转盘1、直流无刷电机3和绝对编码器4组成；电机驱动器4，通过三相U、V、W线连接直流无刷电机3，驱动电机按照规定的转速运动；直流无刷电机3，电机输出轴一端与绝对编码器轴连接，一端与离心转盘中心轴机械连接，控制离心转盘1绕中心轴高速运转；离心转盘1，转盘外侧安装有试剂卡槽，通过高速运转使卡槽内的样品未参与抗原抗体反应部分与参与抗原抗体反应部分分离；绝对编码器4，与直流无刷电机通过电机输出轴机械连接，与直流无刷电机配合，用于精确定位离心转盘运转后停止时的位置。

直流无刷电机3，不同于交流伺服电机对转速有限制，其对转速的动态响应快，转矩大，可以带载高速运转，在位置控制模式下电机驱动器与直流无刷电机未构成闭环，只要给定电机的转动力矩，电机便能达到预想的转速，这种开环控制方式可以提高离心转盘转速至离心转盘要求的高速；同时直流无刷电机在低速时可以与驱动器配合采用闭环控制方式，运用PID控制算法结合安装在直流无刷电机另一输出轴上的光电式绝对编码器4控制离心转盘1以及转盘上试剂卡槽精准停止在指定的位置，提高全自动免疫分析仪的自动化程度以及定位精度。

离心转盘1外安装一个带盖子的保护罩2，在离心转盘运动时，盖上保护罩的盖子，防止试剂卡槽断裂飞溅，出现意外事故。

如图3所示，离心转盘1为满足放置试剂卡的要求，其半径最小为R，为使试剂卡内的参与抗原抗体反应的样品与未参与抗原抗体反应的样品分离，离心转盘所需的转速为n；在离心转盘半径与转速确定的条件下，减小电机的转动力矩，必须降低离心转盘的转动惯量，本次发明从受力方面和结构优化的角度上考虑，设计离心转盘从中心向外缘弧形过渡，中心厚，外缘薄，随着离转盘中心轴的距离的增大其质量越小，将质量集中在中心处，利用三维建模软件仿真，建立力学约束条件，将离心转盘外缘制作成分离的扇形条状，降低离心转盘的转动惯量，两相邻扇形条状端部设计为向两侧突出，与试剂卡槽中部相应的凹处配合，形成卡扣，固定试剂卡槽；在满足结构功能要求的同时，利用仿真软件分析离心转盘各个部分受力，校核离心转盘的整体强度和其外缘的弯曲强度，将离心转盘外缘设计为空心式的，最大限度的降低离心转盘的质量，减小离心转盘的转动惯量。

离心转盘为不规则圆弧型结构，在三维建模软件中构建同比例的结构模型，计算离心转盘未加试剂卡槽的转动惯量为：

离心转盘的离心力计算公式为：

其中m为离心转盘上一点处的质量，r为离心转盘上该点距转盘中心轴的半径；

则直流无刷电机所需的转动力矩为：

M＝J·ε＝Jω/t；

其中ε为离心转盘的角加速度。

对于上述全自动免疫分析仪高速离心模块的离心装置，本发明设计了相应的精确定位控制方法来控制离心转盘及转盘上的试剂卡槽停止在固定位置。直流无刷电机，因一端连接的离心转盘转动惯量大，可设计其在施加的转动力矩下按照S型加速曲线开环运动，驱动离心转盘加速运转至要求的转速，再保持匀速运转至试剂卡槽中样品完成分离，接着按照S型减速曲线降低电机转速，当直流无刷电机转速降到指定值时，采用闭环控制方式，结合电机输出通轴另一端安装的绝对式编码器，运用PID控制算法精确控制离心转盘停止在指定位置。

如图4所示，试剂卡槽8，是中间贯通的壳体，可以安装多个试剂卡，试剂卡槽壳体侧面的凹处6与离心转盘卡扣处的凸出5相贴合，固定试剂卡槽，同时在试剂卡槽的一侧加入配重设计7，使其在离心力作用下上部向内呈锐角翻转，而不会造成试剂卡槽内试剂泄露

对于全自动免疫分析仪高速离心转盘精确定位控制方法的具体步骤如下：

第一步：安装离心转盘以及用于精确定位的控制装置，计算离心转盘安装零点与绝对编码器安装零点之间的相对值；

第二步：直流无刷电机在转动力矩作用下按照S型加速曲线开环运转，带动轴连接的离心转盘加速转动，试剂卡槽端部在离心力作用下向内翻转；

第三步：直流无刷电机加速至特定转速后保持匀速转动，试剂卡槽内样品在离心转盘高速旋转产生的离心力下分离；

第四步：直流无刷电机按照S型减速曲线降低转速，结合绝对编码器反馈的位置信息，运用PID控制算法控制离心转盘停止到指定的位置。

本发明的全自动免疫分析仪高速离心转盘，按照三维建模软件同比例建模以及分析，得出离心装盘的质量为4.68kg，半径为0.16m，在未加试剂卡及试剂卡槽时离心转盘的转动惯量为0.06kg·m²，转矩为1.4Nm，要完成离心转盘上试剂卡槽内样品完成分离所需的转速为1500r/min。为了保证试剂卡槽内样品分离完全，直流无刷电机需要使离心转盘的转速达到1500r/min，且保持这一速度匀速运转10s，然后电机降低转速，运用本发明中的离心转盘精确定位控制方法使得离心转盘停止在固定的位置，以便机械臂及后续相关流程操作，提高全自动免疫分析仪高速离心模块的精度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种全自动免疫分析仪高速离心转盘的定位控制方法，其特征在于，所述全自动免疫分析仪高速离心转盘的定位控制方法包括：

第一步，安装离心转盘以及用于精确定位的控制装置，计算离心转盘安装零点与绝对编码器安装零点之间的相对值；

第二步，直流无刷电机在转动力矩作用下按照S型加速曲线开环运转，带动轴连接的离心转盘加速转动，试剂卡槽端部在离心力作用下向内翻转；

第三步，直流无刷电机加速至特定转速后保持匀速转动，试剂卡槽内样品在离心转盘高速旋转产生的离心力下分离；

第四步，直流无刷电机按照S型减速曲线降低转速，结合绝对编码器反馈的位置信息，运用PID控制算法控制离心转盘停止到指定的位置。

2.如权利要求1所述的全自动免疫分析仪高速离心转盘的定位控制方法，其特征在于，计算离心转盘未加试剂卡槽的转动惯量为：

离心转盘的离心力计算公式为：

其中m为离心转盘上一点处的质量，r为离心转盘上该点距转盘中心轴的半径；

则直流无刷电机所需的转动力矩为：

M＝J·ε＝Jω/t；

其中ε为离心转盘的角加速度。

3.一种如权利要求1所述全自动免疫分析仪高速离心转盘的定位控制方法控制的全自动免疫分析仪高速离心转盘控制装置，其特征在于，所述全自动免疫分析仪高速离心转盘控制装置包括：离心转盘、电机驱动器、直流无刷电机、试剂卡槽、绝对编码器；

电机驱动器，通过三相U、V、W线连接直流无刷电机，驱动电机按照规定的转速运动；

直流无刷电机，电机输出通轴一端与绝对编码器轴连接，一端与离心转盘中心轴机械连接，控制离心转盘绕中心轴高速运转；

离心转盘，转盘外侧安装有试剂卡槽，通过高速运转使卡槽内的样品中未参与抗原抗体反应部分与参与抗原抗体反应部分分离；

绝对编码器，与直流无刷电机通过电机输出轴机械连接，与直流无刷电机配合，用于精确定位离心转盘运转的位置。

4.如权利要求3所述的全自动免疫分析仪高速离心转盘控制装置，其特征在于，所述离心转盘半径最小为R，离心转盘所需的转速为n；大部分质量集中在中心处，利用三维建模软件仿真，建立力学约束条件，将离心转盘外缘制作成分离的扇形条状，两相邻扇形条状端部为向两侧突出，与试剂卡槽中相应的凹处配合，形成卡扣，固定试剂卡槽；利用仿真软件分析离心转盘各个部分受力，校核离心转盘的整体强度和其外缘的弯曲强度，将离心转盘外缘设计为空心式。

5.如权利要求3所述的全自动免疫分析仪高速离心转盘控制装置，其特征在于，所述试剂卡槽，是中间贯通的壳体，安装多个试剂卡，试剂卡槽壳体侧面的凹处与离心转盘卡扣处的凸出相贴合，固定试剂卡槽，同时在试剂卡槽的一侧加入配重。

6.如权利要求3所述的全自动免疫分析仪高速离心转盘控制装置，其特征在于，所述离心转盘外安装一个带盖子的保护罩。

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