CN114995296A - 一种多轴样品台闭环控制方法、存储介质及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多轴样品台闭环控制方法、存储介质及系统，该方法包括如下步骤：接收上位机下发的指令，解析指令，根据指令解析结果进行运动规划，确定每一轴电机的运动参数；接收并处理所有单轴驱动模块上传的电机运动参数和单轴电机的实时位置，将处理结果上传至上位机；通过位置传感器系统误差标定，导轨误差标定进行运动校正。本发明采用容栅传感器作为位置传感器，与开环控制的多轴样品台相比，可以提高系统的可靠性与控制精度，而系统的成本提高也有限，有利于大规模应用。通过样品台每一轴运动时的位置反馈，补偿由导轨直线度和平行度造成的位置误差，使样品实现更高的位置精度。

Description

一种多轴样品台闭环控制方法、存储介质及系统

技术领域

本发明涉及自动化控制技术领域，特别涉及一种多轴样品台闭环控制方法、存储介质及系统。

背景技术

多轴样品台是扫描电子显微镜等诸多高端成像设备的必要组件，可以实现对样品的平移或旋转观测。多轴样品台既可以实现单轴的独立运动，又可以实现多轴联动，以此来满足不同的成像扫描需求。闭环控制的多轴样品台的结构包括导轨、电机、限位开关、位置传感器、电机驱动模块、多轴运动控制模块、上位机等。

随着成像设备的扫描速度越来越快，成像精度越来越高，运动控制的实时性和精度要求越来越高。现有闭环控制的多轴样品台控制系统为达到较高的位置测量精度，多采用直线型光栅编码器作为反馈量，优点是控制精度较高，缺点是直线型光栅编码器价格较高，造成系统整体成本较高。同时，样品台的位置精度与运动轴导轨的精度直接相关，而高精度的导轨价格较高。

发明内容

为了实现根据本发明的上述目的和其他优点，本发明的第一目的是提供一种多轴样品台闭环控制方法，包括如下步骤：

接收上位机下发的指令，解析指令，根据指令解析结果进行运动规划，确定每一轴电机的运动参数，将所述运动参数下发至对应的单轴驱动模块；

接收并处理所有单轴驱动模块上传的电机运动参数和单轴电机的实时位置，将处理结果上传至所述上位机；

在使用电镜观察标准样品的情况下，控制电机单轴运动预设距离，读取位置传感器显示的运动距离，执行此操作若干次，读出每次的运动距离，计算位置传感器的平均误差，通过所述平均误差对所述位置传感器进行修正；

将单轴导轨的长度分为若干份，控制电机使单轴从初始位置运动到最大位置，通过位置传感器测量单轴导轨每一段的实际长度，计算单轴导轨在每一段长度范围内的长度误差；

获取单轴电机需要运动的距离，结合单轴导轨的长度误差，计算出单轴电机实际需要运动的距离并下发至单轴驱动模块。

进一步地，所述接收上位机下发的指令，解析指令，根据指令解析结果进行运动规划，确定每一轴电机的运动参数包括以下步骤：

接收上位机下发的指令，指令的格式为“优先级+指令名称+指令参数”；

按照指令的不同优先级，将指令存储于不同指令缓冲队列中；

取出优先级最高的指令，根据指令名称解析指令内容，结合指令参数，计算得到需要运动的单轴电机及其运动的方向、速度和距离；

将运动参数下发至对应的单轴驱动模块。

进一步地，所述接收并处理所有单轴驱动模块上传的电机运动参数和单轴电机的实时位置，将处理结果上传至所述上位机包括以下步骤：

接收单轴驱动模块上传的单轴参数信息；

解析所述单轴参数信息，转化为统一的上传参数格式“运动轴名称+参数名称+参数数值”；

将转化完上传参数格式的单轴参数信息上传至上位机，并进行显示。

进一步地，所述标准样品包括若干正方形方块，所述预设距离为一个正方形方块的边长。

进一步地，所述将单轴导轨的长度分为若干份具体为将单轴导轨的长度分为若干等份。

本发明的第二目的是提供一种计算机可读存储介质，其上存储有程序指令，所述程序指令被执行时实现一种多轴样品台闭环控制方法。

本发明的第三目的是提供一种多轴样品台闭环控制系统，包括单轴驱动模块、运动控制模块、上位机；所述单轴驱动模块与所述运动控制模块双向通信，所述运动控制模块与所述上位机双向通信；多轴样品台每一轴对应的电机由单独的单轴驱动模块控制，每一轴的限位开关和位置传感器连接至对应的单轴驱动模块；

所述单轴驱动模块，用于接收所述运动控制模块的单轴运动指令，根据所述单轴运动指令控制多轴样品台对应轴的电机运动，上传单轴的实时位置、电机的运动状态参数至所述运动控制模块；

所述运动控制模块，用于所述上位机的多轴运动指令，根据每一轴事先标定的运动参数确定每一轴的运动速度、运动方向和运动步数，并下发指令至所述单轴驱动模块，接收所述单轴驱动模块上传的单轴实时位置、电机的运动状态参数，将分析结果上传至所述上位机；

所述上位机，用于接收用户输入的样品台运动控制指令，分析用户选择的运动方式，将其转化为多轴运动指令，下发至所述运动控制模块，同时接收所述运动控制模块上传的样品台各轴运动参数和位置，并进行显示。

进一步地，所述单轴驱动模块包括第一微控制器、电机驱动模块、限位开关检测模块、位置传感器检测模块、第一供电模块；

所述第一微控制器，用于解析所述运动控制模块发送的通信指令，通过所述电机驱动模块控制电机的速度、方向和步数，接收所述限位开关检测模块及所述位置传感器检测模块的数据；

所述限位开关检测模块，用于确定每一运动轴的极限位置；

所述位置传感器检测模块，用于实时检测每一轴的运动位置，反馈给所述第一微控制器；

所述第一供电模块，用于给所述第一微控制器、电机驱动模块、限位开关检测模块、位置传感器检测模块供电。

进一步地，所述运动控制模块包括第二微控制器、第一通信模块、第二通信模块、第二供电模块；

所述第二微控制器包括指令解析模块、运动规划模块、状态检测模块；所述指令解析模块，用于对通过所述第一通信模块接收的所述上位机的多轴运动指令进行解析；所述运动规划模块，用于根据每一轴事先标定的运动参数确定每一轴的运动速度、运动方向和运动步数，并通过所述第二通信模块下发指令至所述单轴驱动模块；所述状态检测模块，用于对通过所述第二通新面孔接收的所述单轴驱动模块上传的单轴实时位置、电机的运动状态参数进行分析，将分析结果通过所述第一通信模块上传至所述上位机；

所述第二供电模块，用于给所述第二微控制器、第一通信模块、第二通信模块供电。

进一步地，所述上位机包括主控模块、用户交互模块、第三通信模块；

所述用户交互模块，用于接收用户输入的样品台运动控制指令；

所述主控模块，用于分析用户选择的运动方式，将其转化为多轴运动指令，通过所述第三通信模块下发至所述运动控制模块，同时接收所述运动控制模块上传的样品台各轴运动参数和位置，在所述用户交互模块进行显示。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供一种多轴样品台闭环控制系统，采用容栅传感器作为位置传感器，与开环控制的多轴样品台相比，能够提高系统的可靠性与控制精度，而系统的成本提高也有限，有利于大规模应用。

本发明通过样品台每一轴运动时的位置反馈，补偿由导轨直线度和平行度造成的位置误差，使样品实现更高的位置精度。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为实施例1的一种多轴样品台闭环控制系统原理图；

图2为实施例2的一种多轴样品台闭环控制方法流程图；

图3为标准样品示意图；

图4为实施例3的电子设备示意图；

图5为实施例4的计算机可读存储介质示意图。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

实施例1

一种多轴样品台闭环控制系统，如图1所示，包括单轴驱动模块、运动控制模块、上位机；单轴驱动模块与运动控制模块双向通信，运动控制模块与上位机双向通信；多轴样品台每一轴对应的电机由单独的单轴驱动模块控制，每一轴的限位开关和位置传感器也连接至对应的单轴驱动模块。本实施例中，采用容栅传感器作为位置传感器。

单轴驱动模块，用于接收运动控制模块的单轴运动指令，根据单轴运动指令控制多轴样品台对应轴的电机运动，上传单轴的实时位置、电机的运动状态参数至运动控制模块；

运动控制模块，用于上位机的多轴运动指令，根据每一轴事先标定的运动参数确定每一轴的运动速度、运动方向和运动步数，并下发指令至单轴驱动模块，接收单轴驱动模块上传的单轴实时位置、电机的运动状态参数，将分析结果上传至上位机；

上位机，用于接收用户输入的样品台运动控制指令，分析用户选择的运动方式，将其转化为多轴运动指令，下发至运动控制模块，同时接收运动控制模块上传的样品台各轴运动参数和位置，并进行显示。

单轴驱动模块包括第一微控制器、电机驱动模块、限位开关检测模块、位置传感器检测模块、第一供电模块；

第一微控制器，用于解析运动控制模块发送的通信指令，通过电机驱动模块控制电机的速度、方向和步数，接收限位开关检测模块及容栅传感器检测模块的数据；

限位开关检测模块，用于确定每一运动轴的极限位置，防止每一轴运动超出设计的范围；

位置传感器检测模块，用于实时检测每一轴的运动位置，反馈给第一微控制器；

第一供电模块，用于给第一微控制器、电机驱动模块、限位开关检测模块、位置传感器检测模块供电。

运动控制模块包括第二微控制器、第一通信模块(图1中的UDP通信模块)、第二通信模块(图1中的串口通信模块)、第二供电模块；

第二微控制器包括指令解析模块、运动规划模块、状态检测模块；指令解析模块，用于对通过第一通信模块接收的上位机的多轴运动指令进行解析；运动规划模块，用于根据每一轴事先标定的运动参数确定每一轴的运动速度、运动方向和运动步数，并通过第二通信模块下发指令至单轴驱动模块；本实施例中，第二通信模块为串口通新模块，其下发的指令为串口指令。状态检测模块，用于对通过第二通新面孔接收的单轴驱动模块上传的单轴实时位置、电机的运动状态参数进行分析，将分析结果通过第一通信模块上传至上位机；

第二供电模块，用于给第二微控制器、第一通信模块、第二通信模块供电。

上位机包括主控模块、用户交互模块(图1中上位机部分的用户界面)、第三通信模块(图1中上位机部分的通信模块)；

用户交互模块，用于接收用户输入的样品台运动控制指令；如用户可以在用户界面按以下步骤选择样品台的运动方式：

选择哪个或哪几个轴需要运动；

选择需要运动轴的运动方向；

需要运动轴的运动方式，如：运动至绝对坐标点；运动一段相对距离；定速运动，且可以随时调整运动速度与方向等。

主控模块，用于分析用户选择的运动方式，将其转化为多轴运动指令，通过第三通信模块下发至运动控制模块，同时接收运动控制模块上传的样品台各轴运动参数和位置，在用户交互模块进行显示。

实施例2

将运动控制模块作为服务器，将上位机作为客户端。实现上述实施例中多轴样品台闭环控制系统的控制方法，如图2所示，包括如下步骤：

接收上位机下发的指令，解析指令，根据指令解析结果进行运动规划，确定每一轴电机的运动参数，包括运动方向、运动速度、运动加速度、运动步数等，将运动参数下发至对应的单轴驱动模块；具体地，包括以下步骤：

接收上位机下发的指令，指令的格式为“优先级+指令名称+指令参数”；

按照指令的不同优先级，将指令存储于不同指令缓冲队列中；

取出优先级最高的指令，根据指令名称解析指令内容，结合指令参数，计算得到需要运动的单轴电机及其运动的方向、速度和距离；

通过串口通信将运动参数下发至对应的单轴驱动模块。

接收并处理所有单轴驱动模块上传的电机运动参数和单轴电机的实时位置，将处理结果上传至上位机，在用户界面进行显示；具体地，包括以下步骤：

接收单轴驱动模块上传的单轴参数信息；

解析单轴参数信息，转化为统一的上传参数格式“运动轴名称+参数名称+参数数值”；

将转化完上传参数格式的单轴参数信息上传至上位机，并进行显示。

扫描电子显微镜的图像分辨率可以到达1nm甚至更高，而容栅传感器本身的系统误差为1um左右，所以可以利用电镜图像来标定容栅传感器本身的系统误差。具体地，包括以下步骤：

在使用电镜观察标准样品的情况下，如图3所示，标准样品包括若干正方形方块，一个正方形方块的边长约为147um，控制电机单轴运动预设距离，本实施例中，预设距离为一个正方形方块的边长，也就是控制电机使某一轴运动147um，即使标准样品朝一个方向运动一格；读取位置传感器显示的运动距离N1，继续以上操作(m-1)次，读出每次的运动距离N2，N3，…，Nm，计算位置传感器的平均误差err＝(N1+N2+N3+…+Nm)/(m*147um)，通过平均误差对位置传感器进行修正。

将单轴导轨的长度分为若干份，本实施例中，将单轴导轨的长度分为若干等份。单轴导轨的长度设为L，分为n等份，记为L1，L2，……,Ln，控制电机使单轴从初始位置运动到最大位置，通过修正后的位置传感器测量单轴导轨L1段的实际长度M1，L2段的实际长度M2，……，Ln段的实际长度Mn，分别计算e1＝M1/(L/n),e2＝M2/(L/n),……，en＝Mn/(L/n),就可以计算得到导轨在每一段长度范围内的长度误差。

系统控制每一轴运动时，需要其运动到某一指定位置，根据标定的数据计算出实际需要的运动步数和方向。具体地，包括：获取单轴电机需要运动的距离Ln，考虑到导轨误差，结合单轴导轨的长度误差，计算出单轴电机实际需要运动的距离Ln/en并下发至单轴驱动模块。

实施例3

一种电子设备200，如图4所示，包括但不限于：存储器201，其上存储有程序代码；处理器202，其与存储器联接，并且当程序代码被处理器执行时，实现一种多轴样品台闭环控制方法。关于方法的详细描述，可以参照上述方法实施例中的对应描述，在此不再赘述。

实施例4

一种计算机可读存储介质，如图5所示，其上存储有程序指令，程序指令被执行时实现的一种多轴样品台闭环控制方法。关于方法的详细描述，可以参照上述方法实施例中的对应描述，在此不再赘述。

实施例5

一种计算机程序产品，包括计算机程序/指令，该计算机程序/指令被处理器执行时实现一种多轴样品台闭环控制方法。关于方法的详细描述，可以参照上述方法实施例中的对应描述，在此不再赘述。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

以上仅为本说明书实施例而已，并不用于限制本说明书一个或多个实施例。对于本领域技术人员来说，本说明书一个或多个实施例可以有各种更改和变换。凡在本说明书一个或多个实施例的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书一个或多个实施例的权利要求范围之内。本说明书一个或多个实施例本说明书一个或多个实施例本说明书一个或多个实施例本说明书一个或多个实施例。

Claims (10)

1.一种多轴样品台闭环控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

接收上位机下发的指令，解析指令，根据指令解析结果进行运动规划，确定每一轴电机的运动参数，将所述运动参数下发至对应的单轴驱动模块；

接收并处理所有单轴驱动模块上传的电机运动参数和单轴电机的实时位置，将处理结果上传至所述上位机；

在使用电镜观察标准样品的情况下，控制电机单轴运动预设距离，读取位置传感器显示的运动距离，执行此操作若干次，读出每次的运动距离，计算位置传感器的平均误差，通过所述平均误差对所述位置传感器进行修正；

将单轴导轨的长度分为若干份，控制电机使单轴从初始位置运动到最大位置，通过位置传感器测量单轴导轨每一段的实际长度，计算单轴导轨在每一段长度范围内的长度误差；

获取单轴电机需要运动的距离，结合单轴导轨的长度误差，计算出单轴电机实际需要运动的距离并下发至单轴驱动模块。

2.根据权利要求1所述的一种多轴样品台闭环控制方法，其特征在于，所述接收上位机下发的指令，解析指令，根据指令解析结果进行运动规划，确定每一轴电机的运动参数包括以下步骤：

接收上位机下发的指令，指令的格式为“优先级+指令名称+指令参数”；

按照指令的不同优先级，将指令存储于不同指令缓冲队列中；

取出优先级最高的指令，根据指令名称解析指令内容，结合指令参数，计算得到需要运动的单轴电机及其运动的方向、速度和距离；

将运动参数下发至对应的单轴驱动模块。

3.根据权利要求1所述的一种多轴样品台闭环控制方法，其特征在于，所述接收并处理所有单轴驱动模块上传的电机运动参数和单轴电机的实时位置，将处理结果上传至所述上位机包括以下步骤：

接收单轴驱动模块上传的单轴参数信息；

解析所述单轴参数信息，转化为统一的上传参数格式“运动轴名称+参数名称+参数数值”；

将转化完上传参数格式的单轴参数信息上传至上位机，并进行显示。

4.根据权利要求1所述的一种多轴样品台闭环控制方法，其特征在于，所述标准样品包括若干正方形方块，所述预设距离为一个正方形方块的边长。

5.根据权利要求1所述的一种多轴样品台闭环控制方法，其特征在于，所述将单轴导轨的长度分为若干份具体为将单轴导轨的长度分为若干等份。

6.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有程序指令，所述程序指令被执行时实现如权利要求1至5中任意一项所述的方法。

7.一种多轴样品台闭环控制系统，其特征在于：包括单轴驱动模块、运动控制模块、上位机；所述单轴驱动模块与所述运动控制模块双向通信，所述运动控制模块与所述上位机双向通信；多轴样品台每一轴对应的电机由单独的单轴驱动模块控制，每一轴的限位开关和位置传感器连接至对应的单轴驱动模块；

所述单轴驱动模块，用于接收所述运动控制模块的单轴运动指令，根据所述单轴运动指令控制多轴样品台对应轴的电机运动，上传单轴的实时位置、电机的运动状态参数至所述运动控制模块；

所述运动控制模块，用于所述上位机的多轴运动指令，根据每一轴事先标定的运动参数确定每一轴的运动速度、运动方向和运动步数，并下发指令至所述单轴驱动模块，接收所述单轴驱动模块上传的单轴实时位置、电机的运动状态参数，将分析结果上传至所述上位机；

所述上位机，用于接收用户输入的样品台运动控制指令，分析用户选择的运动方式，将其转化为多轴运动指令，下发至所述运动控制模块，同时接收所述运动控制模块上传的样品台各轴运动参数和位置，并进行显示。

8.根据权利要求7所述的一种多轴样品台闭环控制系统，其特征在于：

所述单轴驱动模块包括第一微控制器、电机驱动模块、限位开关检测模块、位置传感器检测模块、第一供电模块；

所述第一微控制器，用于解析所述运动控制模块发送的通信指令，通过所述电机驱动模块控制电机的速度、方向和步数，接收所述限位开关检测模块及所述位置传感器检测模块的数据；

所述限位开关检测模块，用于确定每一运动轴的极限位置；

所述位置传感器检测模块，用于实时检测每一轴的运动位置，反馈给所述第一微控制器；

所述第一供电模块，用于给所述第一微控制器、电机驱动模块、限位开关检测模块、位置传感器检测模块供电。

9.根据权利要求7所述的一种多轴样品台闭环控制系统，其特征在于：

所述运动控制模块包括第二微控制器、第一通信模块、第二通信模块、第二供电模块；

所述第二微控制器包括指令解析模块、运动规划模块、状态检测模块；所述指令解析模块，用于对通过所述第一通信模块接收的所述上位机的多轴运动指令进行解析；所述运动规划模块，用于根据每一轴事先标定的运动参数确定每一轴的运动速度、运动方向和运动步数，并通过所述第二通信模块下发指令至所述单轴驱动模块；所述状态检测模块，用于对通过所述第二通新面孔接收的所述单轴驱动模块上传的单轴实时位置、电机的运动状态参数进行分析，将分析结果通过所述第一通信模块上传至所述上位机；

所述第二供电模块，用于给所述第二微控制器、第一通信模块、第二通信模块供电。

10.根据权利要求7所述的一种多轴样品台闭环控制系统，其特征在于：

所述上位机包括主控模块、用户交互模块、第三通信模块；

所述用户交互模块，用于接收用户输入的样品台运动控制指令；

所述主控模块，用于分析用户选择的运动方式，将其转化为多轴运动指令，通过所述第三通信模块下发至所述运动控制模块，同时接收所述运动控制模块上传的样品台各轴运动参数和位置，在所述用户交互模块进行显示。

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