CN109254596A - 一种运动机构闭环控制的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种运动机构闭环控制的方法，所述闭环控制方法通过采用码盘加光耦的检测方式，同时通过对步进电机实际运动步数和理论校准步数进行比较和计算实现对运动机构的闭环控制；所述码盘上设有若干码齿。本发明不仅解决了由于步进电机丢步导致的位置定位不准，且对运动中出现的外力碰撞产生的位移能够自动校正，能精确控制运动位置，而且操作方便，无附加成本。

Description

一种运动机构闭环控制的方法

技术领域

本发明涉及一种运动机构控制方法，具体涉及一种运动机构闭环控制的方法。

背景技术

运动机构广泛应用于工业、医疗、机器人等各个方面，其运动精度及纠错能力是其性能的重要组成部分。目前运动机构普遍采用步进电机驱动，从理论上来说步进电机丢步是难以避免的，对位置精度会有影响。而且在其操作过程中，可能会误加外力在运动机构上使其产生超出预期的位移，位置精度也会受到影响。所以需要一种方法来解决步进电机丢步和外力导致的位置偏差带来的位置精度问题。

现有大多数控制机构主要有以下两种方法来保证运动位置：一是采用步进电机步数控制的开环方式，即通过对步进电机的步数进行计数判断是否到达目标位置，此方式定位精度低，存在累积误差，且无法消除步进电机丢步带来的影响；二是采用带位置反馈的伺服电机，定位精度取决于编码器精度，但在运动中出现了外力碰撞导致位置偏移时不能对位置进行校正，且其控制器设计复杂、成本非常高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：现有的采用步进电机步数控制的开环方式或者带位置反馈的伺服电机控制运动机构，获得的运动位置均存在一定误差，准确度较低，本发明提供了解决上述问题的一种运动机构闭环控制的方法。

本发明通过下述技术方案实现：

一种运动机构闭环控制的方法，所述闭环控制方法通过采用码盘加光耦的检测方式，同时通过对步进电机实际运动步数和理论校准步数进行比较和计算实现对运动机构的闭环控制；所述码盘上设有若干码齿，所述光耦位置与码齿位置对应设置。

优选地，所述闭环控制方法具体步骤包括：

步骤A，在开环状态下调好目标位置，确定理论位置C；所述目标位置包括复位位置①、产生光耦中断阈值位置②和光耦中断位置③；

步骤B，进行位置校准，记录光耦中断位置③到目标位置C的步数S3，以及复位位置①到目标位置C的步数S；

步骤C，在闭环状态下以S3为参考点校准最终位置；

步骤D，其余位置运动控制按上述步骤执行。

优选地，所述软件有开环和闭环状态切换功能，且开环状态只是在调试时使用；其中所有的动作都会走完开环行程S，且在走完行程的时候利用码齿对应的光耦判断和目标的距离，若距离大于10微步则进行自动校准。

优选地，所述复位位置①由复位位置对应的光耦定位，为闭环控制方式。

优选地，所述产生光耦中断阈值位置②，由控制软件读取复位位置①到光耦中断位置③的总步数N，然后将N/2的步数回写给控制器，控制器在大于N/2的地方才会产生光耦中断。

优选地，所述光耦中断位置③光耦由挡→不挡时产生中断，通过控制软件条件过滤，每个目标位置只产生一次中断信号。

优选地，所述步骤C中具体包括：

步骤C1，停止位置超过目标位置：

运行S行程后超过了目标位置C停在A点，控制软件计算出超过的距离S1，然后回走S1行程，使最终位置停在理论上的C点；

步骤C2，停止位置未到目标位置：

运行S行程后未达到目标位置C停在B点，此时会继续往前走S2行程直到光耦中断到来，然后再运行S3到达理论位置C。

优选地，所述步骤C1中停止位置超过目标位置时，回走的S1行程做加减速处理。

优选地，所述控制软件有开环和闭环状态切换功能，且所述开环状态只在调试时使用。

本发明提供的闭环控制方法的控制思路主要包括以下几方面：①结构设计上，运动目标位置和码齿位置对应；②对各个位置进行初始校准；③控制软件通过读取码齿信息判断机构运行状况；④控制软件对校准值和目标值进行比较完成位置修和闭环控制。对于任意运动轨迹均可分解为N个点到点的运动，而每一点到点的运动均可采用此闭环控制方式，且由于码盘的存在每个点到点运动之间不存在累积误差，由此便完成了整个运动轨迹的闭环控制。

此闭环控制方法可以应用到多种要求低成本、运动位置固定且需要位置纠错能力的地方。比如：①导轨进样系统，在轨道上采用条形码盘，通过对码齿计数来控制和修正导轨运动的位置；②分光系统，通过码齿位置来控制光路切换；③工业机器人，在运行轨迹和位置确定的场合可通过码齿信号配合其他传感器精确控制运动位置。

本发明具有如下的优点和有益效果：

本发明采用光耦加码齿的方式对运动机构进行定位；根据应用场景对码盘进行合理设计，理论位置和码齿沿一一对应；通过对步进电机实际运动步数和理论校准步数进行比较和计算对运行位置进行自动判断和校正；此方法能有效地保证采用步进电机控制的运动机构位置精度；所有采用光耦加码齿的控制方式均在本专利的保护范围，包括但不限于IVD设备；

本发明采用码盘加光耦的方式，通过控制软件算法实现运动机构的闭环控制，不仅解决了由于步进电机丢步导致的位置定位不准，且对运动中出现的外力碰撞产生的位移能够自动校正，能精确控制运动位置，而且操作方便，无附加成本。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为实施例1的码盘径向端面结构示意图；

图2为实施例1的码盘立体结构示意图；

图3为实施例1运动过程位置结构示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：1-排试剂位，2-试剂位，3-复位位置，4-安装定位孔，5-码盘。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例

码齿加光耦的闭环控制方式有多种形态，特别是码齿结构根据应用场合可以是垂直的、水平的、条形的、弧形的等等。本实施例基于运动机构闭环控制方法在全自动生化分析仪中成功应用，具体以第一加样针为例具体说明控制原理，其中码盘结构如图1和2所示：

第一加样针其运动轨迹往复于试剂位、排试剂位和清洗位(复位位置)这三个位置，采用两个位置光耦加一个码盘实现。其中一个光耦为复位光耦，对应清洗位，另一个光耦为码齿光耦，对应试剂位和排试剂位，且码齿结构进行合理设计，理论位置和码齿沿一一对应。码盘结构如下图1所示。

在整个控制过程中，需要软件对各个位置进行采集和控制，各位置示意图如图3所示。

其中所有位置光耦触发的条件均为由挡→不挡的变化，即码齿的下降沿。总体控制思路如下所述：

①在开环状态下调好目标位置，确定理论位置C(需要进行多次调试排除电机丢步带来的影响，保证此位置准确)；

②进行位置校准，记录图中的光耦位置③到目标位置C的步数S3；

③在闭环状态下以S3为参考点校准最终位置。

软件有开环和闭环状态切换功能，且开环状态只是在调试时使用。其中所有的动作都会走完开环行程S，会在走完行程的时候利用码齿光耦判断和目标位置的距离，如果距离大于10微步则进行自动校准。

如图3所示，假设左边码齿为排试剂位、右边码齿为试剂位。以右边试剂位码齿为例(其余位置类似)详细实现方式如下所述：

①：复位位置

靠复位光耦定位，为闭环控制方式，理论上保证是准的。

②：产生光耦中断阈值位置

此条件用来判断是否产生够光耦中断。由控制软件读取位置①到位置③的总步数N，然后将N/2的步数回写给控制器，控制器在大于N/2的地方才会产生光耦中断。其中N/2的范围即为允许偏移的角度，由于加样针有左右两个方向的运动，中值N/2为最优值。

③：光耦中断位置

光耦由挡→不挡时产生中断，通过控制软件条件过滤，每个分解动作只产生一次中断信号，避免手动扳动或抖动产生多余的中断信号。

C：理论目标位置

此位置为在开环状态下得到的理论位置的行程S(步数)。

实际具体校正过程中，通过步进电机控制码盘转动，并有步进电机和光耦向控制软件提供码盘实际脉冲步数，将实际脉冲步数与上述理论值进行比较后进行校准如下：

A：停止位置1(超过目标位置)

假如由于某种原因(比如外力)，运行S行程后超过了目标位置C停在A点，控制软件会计算出超过的距离S1，然后回走S1行程，使最终位置停在理论上的C点。且回走的S1行程做加减速处理，不会带来抖动问题。其中，计算S1的方法为：在开环状态下校准时，计算出从光耦中断位置③到理论目标位置C的电机运行步数S3，在闭环条件下同样计算出从光耦中断位置③到实际停止位置A的电机运行步数，两个步数相减即为S1。

B：停止位置2(未到目标位置)

假如由于某种原因(比如丢步)，运行S行程后未达到目标位置C停在B点，此时会继续往前走S2行程直到光耦中断到来，然后再运行S3到达理论位置C(S3在位置校准时已确定)。

综上：此方案可以有效规避步进电机丢步带来的定位偏差，对外力产生的位移也能进行自动校正，保证运动机构运行位置的准确性。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种运动机构闭环控制的方法，其特征在于，所述闭环控制方法通过采用码盘加光耦的检测方式，同时通过对步进电机实际运动步数和理论校准步数进行比较和计算实现对运动机构的闭环控制；所述码盘上设有若干码齿，所述光耦位置与码齿位置对应设置。

2.根据权利要求1所述的一种运动机构闭环控制的方法，其特征在于，所述闭环控制方法具体步骤包括：

步骤A，在开环状态下调好目标位置，确定理论位置C；所述目标位置包括复位位置①、产生光耦中断阈值位置②和光耦中断位置③；

步骤B，进行位置校准，记录光耦中断位置③到目标位置C的步数S3，以及复位位置①到目标位置C的步数S；

步骤C，在闭环状态下以S3为参考点校准最终位置；

步骤D，其余位置运动控制按上述步骤执行。

3.根据权利要求2所述的一种运动机构闭环控制的方法，其特征在于，所述软件有开环和闭环状态切换功能，且开环状态只是在调试时使用；其中所有的动作都会走完开环行程S，且在走完行程的时候利用码齿对应的光耦判断和目标的距离，若距离大于10微步则进行自动校准。

4.根据权利要求2所述的一种运动机构闭环控制的方法，其特征在于，所述复位位置①由复位位置对应的光耦定位，为闭环控制方式。

5.根据权利要求2所述的一种运动机构闭环控制的方法，其特征在于，所述产生光耦中断阈值位置②，由控制软件读取复位位置①到光耦中断位置③的总步数N，然后将N/2的步数回写给控制器，控制器在大于N/2的地方才会产生光耦中断。

6.根据权利要求2所述的一种运动机构闭环控制的方法，其特征在于，所述光耦中断位置③光耦由挡→不挡时产生中断，通过控制软件条件过滤，每一个目标位置只产生一次中断信号。

7.根据权利要求4所述的一种运动机构闭环控制的方法，其特征在于，所述步骤C中具体包括：

步骤C1，停止位置超过目标位置：

运行S行程后超过了目标位置C停在A点，控制软件计算出超过的距离S1，然后回走S1行程，使最终位置停在理论上的C点；

步骤C2，停止位置未到目标位置：

运行S行程后未达到目标位置C停在B点，此时会继续往前走S2行程直到光耦中断到来，然后再运行S3到达理论位置C。

8.根据权利要求7所述的一种运动机构闭环控制的方法，其特征在于，所述步骤C1中停止位置超过目标位置时，回走的S1行程做加减速处理。

9.根据权利要求1或2所述的一种运动机构闭环控制的方法，其特征在于，所述控制软件有开环和闭环状态切换功能，且所述开环状态只在调试时使用。