一种基于七阶梯形加速度的闭环运动控制系统的制作方法

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1.本实用新型涉及体外诊断仪设备技术领域，尤其涉及一种基于七阶梯形加速度的闭环运动控制系统。

背景技术：

2.体外诊断仪是用于体外检查从人体取得的样品(如血液及组织供体)的医疗器械，体外诊断仪器的基本结构包括液路、气路、电路以及机械传动系统，而机械传动系统则贯穿整个检测分析的全过程，一般采用多个步进电机对体外诊断仪进行机械传动。
3.步进电机在使用过程中通常会采用台阶式运动控制或基于sigmoid函数的s型运动控制等开环式系统进行运动控制，但此类系统复杂度高、占用资源多、耗能大，无法满足体外诊断仪控制多个步进电机运行的需求；同时此类系统易产生运动不稳定、噪声大、失步等问题，无法满足体外诊断仪高精度、平稳、实时的使用需求，容易造成检测误差的风险。
4.因此针对上述的问题，对现有体外诊断仪的运动控制系统进行改良，以解决现有的控制系统无法满足体外诊断仪控制多个步进电机运行的需求以及无法满足体外诊断仪高精度、平稳、实时的使用需求，容易造成检测误差的风险的问题。

技术实现要素：

5.本实用新型的发明目的在于提供一种基于七阶梯形加速度的闭环运动控制系统，采用本实用新型提供的技术方案解决了现有的控制系统无法满足体外诊断仪控制多个步进电机运行的需求以及无法满足体外诊断仪高精度、平稳、实时的使用需求，容易造成检测误差的风险的问题。
6.为了达到发明目的，本实用新型提供一种基于七阶梯形加速度的闭环运动控制系统，包括fpga控制单元、mcu控制单元、正交编码器；所述mcu控制单元的输出端与所述fpga控制单元的输入端连接；所述mcu控制单元和所述fpga控制单元均能够控制输出pwm信号，所述pwm信号用于控制外部的若干个步进电机，所述步进电机接收该pwm信号进行运转后，所述正交编码器根据所述步进电机的速度对所述fpga控制单元或mcu控制单元发出反馈信号。
7.优选的，所述mcu控制单元和所述fpga控制单元分别连接有外部sdram单元；两个所述外部sdram单元分别与所述mcu控制单元和所述fpga控制单元之间、所述mcu控制单元和所述fpga控制单元之间均通过fsmc总线通讯连接。
8.优选的，当所述步进电机的细分数小于等于16细分时，所述mcu控制单元预先计算出频率表并储存在mcu控制单元的外部sdram单元内，以供mcu控制单元读取并根据该频率表输出pwm信号。
9.优选的，当所述步进电机的细分数大于16细分时，所述mcu控制单元预先计算好频率表，然后mcu控制单元与所述fpga控制单元通信，将该频率表存放于fpga控制单元的外部sdram单元内，以供所述fpga控制单元读取并根据该频率表输出pwm信号。
10.由上可知，应用本实用新型提供的基于七阶梯形加速度的闭环运动控制系统可以得到以下有益效果：
11.1、通过fpga控制单元对多个步进电机进行控制，采用mcu控制单元预先对步进电机的参数进行快速计算，减少了fpga控制单元驱动控制过程中逻辑单元的损耗，降低成本；同时通过查表法的方式令fpga控制单元无需进行复杂的乘法除法运算，进一步降低逻辑资源损耗，使单片fpga能支持挂载更多步进电机，满足了体外诊断仪控制多个步进电机运行的需求；
12.2、采用mcu控制单元预先对步进电机的参数进行快速计算，避免步进电机因台阶式运动控制造成加减速变化剧烈，平缓控制需要更长位移实现，使步进电机的加减速度在相同的计算时间内呈梯形变化，因此无需过长的时间来平滑加减速剧烈导致运动噪声，并且在加速度随时间呈梯形变化的过程中，使步进电机的运动柔性更高，减少带来的失步风险，进而达到满足体外诊断仪高精度、平稳、实时的使用需求；
13.3、通过正交编码器实现了系统的闭环反馈补偿，提高了步进电机的定位精度，并能对步进电机每一微步进行快速补偿，最大程度上规避了失步风险，进一步满足了体外诊断仪高精度的运行需求。
附图说明
14.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对本实用新型实施例或现有技术的描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一部分实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
15.图1为本实用新型实施例基于七阶梯形加速度的闭环运动控制系统的连接示意图；
16.图2为本实用新型实施例基于七阶梯形加速度的闭环运动控制系统的步进电机的加速度与脉冲时间关系图；
17.图3为现有技术中的台阶式运动控制方法的加速度与脉冲时间关系图；
具体实施方式
18.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
19.现有的控制系统无法满足体外诊断仪控制多个步进电机运行的需求以及无法满足体外诊断仪高精度、平稳、实时的使用需求，容易造成检测误差的风险的问题。
20.为了解决上述技术问题，本实施例提供一种基于七阶梯形加速度的闭环运动控制系统，具体结构特征如下：如图1-2所示，包括fpga控制单元、mcu控制单元、正交编码器；所述mcu控制单元的输出端与所述fpga控制单元的输入端连接；所述mcu控制单元和所述fpga控制单元均能够控制输出pwm信号，所述pwm信号用于控制外部的若干个步进电机，所述步进电机接收该pwm信号进行运转后，所述正交编码器根据所述步进电机的速度对所述fpga
控制单元或mcu控制单元发出反馈信号。
21.在本实施例中，采用fpga控制单元或mcu控制单元输出pwm信号对多个步进电机进行控制，在步进电机运转过程中，采用mcu控制单元预先对步进电机的参数快速计算出频率表，并使fpga控制单元通过该频率表根据查表法向步进电机输出pwm信号，减少了fpga控制单元驱动控制过程中逻辑单元的损耗，达到降低成本的目的；或者使mcu控制单元通过该频率表根据查表法直接向步进电机pwm信号，令fpga控制单元无需进行复杂的乘法除法运算，进一步降低逻辑资源损耗，使单片fpga能挂载更多步进电机，满足了体外诊断仪控制多个步进电机运行的需求；采用mcu控制单元预先对步进电机的参数进行快速计算，避免步进电机因台阶式运动控制造成加减速变化剧烈，因此无需过长的时间来平滑加减速剧烈导致运动噪声，并且在加速度随时间呈梯形变化的过程中，使步进电机的运动柔性更高，减少带来的失步风险，进而达到满足体外诊断仪高精度、平稳、实时的使用需求。
22.进一步的，所述mcu控制单元和所述fpga控制单元分别连接有外部sdram单元，以令外部sdram单元分别储存mcu控制单元计算出频率表；两个所述外部sdram单元分别与所述mcu控制单元和所述fpga控制单元之间、所述mcu控制单元和所述fpga控制单元之间均通过fsmc总线通讯连接，通过fsmc总线使信号传输更快，提高了对步进电机的控制速度，达到了进一步提高体外诊断仪运作精度的作用；
23.另外采用正交编码器以对所述步进电机的步数进行补偿与定位，通过正交编码器对步进电机的每个pwm脉冲进行实时检测，并对步进电机当前步数与实际位移的误差进行实时监控和判断，再反馈至fpga控制单元或mcu控制单元，通过fpga控制单元或mcu控制单元对步进电机输出pwm信号，对于多走的步数在下个脉冲不进行输出，对于少走的步数在下个脉冲进行增加，实现了系统的闭环反馈补偿，提高了步进电机的定位精度，并能对步进电机每一微步进行快速补偿，最大程度上规避了失步风险，进一步满足了体外诊断仪高精度的运行需求。
24.进一步的，当所述步进电机的细分数小于等于16细分时，所述mcu控制单元预先通过所述步进电机的速度参数计算出频率表并储存在mcu控制单元的外部sdram单元内，以供mcu控制单元读取并根据查表法对步进电机输出pwm信号；当所述步进电机的细分数大于16细分时，所述mcu控制单元预先计算好频率表，然后mcu控制单元与所述fpga控制单元通信，将该频率表存放于fpga控制单元的外部sdram单元内，以供所述fpga控制单元读取并根据该频率表向步进电机输出pwm信号。
25.在本实施例中，当步进电机的细分数小于等于16细分时，通过mcu控制单元直接计算出该步进电机速度参数的频率表并储存在mcu控制单元的外部sdram单元内，使mcu控制单元根据查表法对步进电机控制输出pwm信号，即通过mcu控制单元直接控制细分数小于等于16细分的低精度步进电机，无需fpga控制单元参与，有利于减少fpga控制单元的负荷，满足单片fpga能支持挂载更多步进电机的需求；当步进电机的细分数大于16细分时，为了防止mcu控制单元计算时间过长，导致步进电机运动不稳定、失步的问题，令mcu控制单元根据体外诊断仪的运行需求预先计算好步进电机的频率表，再通过fsmc总线与fpga控制单元进行通信，并将速度表存放在与fpga控制单元的外部sdram单元中，令fpga控制单元通过其外部sdram单元内储存的频率表进行直接查表并对步进电机进行输出控制，即可达到减少fpga控制单元能耗的同时快速控制步进电机的目的。
26.可以理解的是，由于mcu控制单元输出到步进电机的脉冲频率与步进电机的实际转速成正比，故而mcu控制单元计算出的频率表即为步进电机的加减速表。
27.在现有的控制系统中，基于sigmoid函数s型运动控制算法为基于sigmoid函数，时间与速度成sigmoid相关，步进电机初始速度sl，步进电机最大速度sh，曲线系数f(f越大曲线越陡)，取样点总数n，x为第x个取样点，s(x)表示对应的速度，则s(x)表达式为：
[0028][0029]
由此可知，该算法复杂度在fpga控制单元上实现，成本过高、占用逻辑资源数多，且在mcu控制单元上无法实现兼容高细分数的快速控制需求。
[0030]
而对于台阶式运动控制方法，如图3所示为多级台阶，每级台阶按照固定步数运动，在同级台阶内为匀速运动，在每级台阶切换式，加速度成矩形波变化，由此可知，该算法运动柔性度较差，运动加速度变化过大，存在较大运动噪声，且往往需要更长位移进行加减速控制才能实现平稳运动，无法满足体外诊断仪高实时性的使用需求。
[0031]
可以理解的是，为了避免此类开环算法产生的不足，令mcu控制单元采用加速度随步数t变化，速度随步数t变化的计算方式，如图2所示：
[0032]
在t1加速阶段加速度逐渐变大。
[0033]
在t2加速阶段加速度最大且保持不变。
[0034]
在t3加速阶段加速度逐渐减少。
[0035]
在t4匀速加速度为0。
[0036]
在t5减速阶段加速度逐渐变大。
[0037]
在t6减速阶段加速度最大且保持不变。
[0038]
在t7减速阶段加速度逐渐减少。
[0039]
(0～t时刻加速度面积)s＝vt(t时刻的瞬时速度)。
[0040]
amax＝2*vmax/(t1+2*t2+t3)；
[0041]
(t1)：v＝amax*t2/(2*t1)
[0042]
(t2)：v＝amax*t1/2+amax*(t-t1)
[0043]
(t3)：v＝[amax*(t1+t2+t3-t)/t3+amax*]*(t-t2-t1)/2+amax*(t2-t1/2)
[0044]
(t4)：v＝vmax
[0045]
(t5)：v＝vmax-amax*(t-t1-t2-t3-t4)2/(2*t5)
[0046]
(t6)：v＝vmax-amax*t5/2-amax*(t-t1-t2-t3-t4-t5)
[0047]
(t7)：v＝vmax-amax*t5/2-amax*t6-[amax*(t1+t2+t3+t4+t5+t6+t7-t)/t7+amax]*(t-t1-t2-t3-t4-t5-t6)/2
[0048]
由此可知，通过此计算方式，使计算过程简单化的同时，实现步进电机的加速度呈梯形变化，进而达到满足体外诊断仪高精度、平稳、实时的使用需求。
[0049]
以上所述的实施方式，并不构成对该技术方案保护范围的限定。任何在上述实施方式的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在该技术方案的保护范围之内。

技术特征：

1.一种基于七阶梯形加速度的闭环运动控制系统，其特征在于：包括fpga控制单元、mcu控制单元、正交编码器；所述mcu控制单元的输出端与所述fpga控制单元的输入端连接；所述mcu控制单元和所述fpga控制单元均能够控制输出pwm信号，所述pwm信号用于控制外部的若干个步进电机，所述步进电机接收该pwm信号进行运转后，所述正交编码器根据所述步进电机的速度对所述fpga控制单元或mcu控制单元发出反馈信号。2.根据权利要求1所述的基于七阶梯形加速度的闭环运动控制系统，其特征在于：所述mcu控制单元和所述fpga控制单元分别连接有外部sdram单元；两个所述外部sdram单元分别与所述mcu控制单元和所述fpga控制单元之间、所述mcu控制单元和所述fpga控制单元之间均通过fsmc总线通讯连接。3.根据权利要求2所述的基于七阶梯形加速度的闭环运动控制系统，其特征在于：当所述步进电机的细分数小于等于16细分时，所述mcu控制单元预先计算出频率表并储存在mcu控制单元的外部sdram单元内，以供mcu控制单元读取并根据该频率表输出pwm信号。4.根据权利要求2所述的基于七阶梯形加速度的闭环运动控制系统，其特征在于：当所述步进电机的细分数大于16细分时，所述mcu控制单元预先计算好频率表，然后mcu控制单元与所述fpga控制单元通信，将该频率表存放于fpga控制单元的外部sdram单元内，以供所述fpga控制单元读取并根据该频率表输出pwm信号。

技术总结

本实用新型涉及体外诊断仪设备技术领域，尤其涉及一种基于七阶梯形加速度的闭环运动控制系统，包括FPGA控制单元、MCU控制单元、正交编码器；所述MCU控制单元的输出端与所述FPGA控制单元的输入端连接；所述MCU控制单元和所述FPGA控制单元均能够控制输出PWM信号，所述PWM信号用于控制外部的若干个步进电机，所述步进电机接收该PWM信号进行运转后，所述正交编码器根据所述步进电机的速度对所述FPGA控制单元或MCU控制单元发出反馈信号。本实用新型的发明目的在于，解决了现有的控制系统无法满足体外诊断仪控制多个步进电机运行的需求以及无法满足体外诊断仪高精度、平稳、实时的使用需求，容易造成检测误差的风险的问题。题。题。