离心机及其控制方法、执行该方法的计算机程序和存储介质与流程

本发明涉及一种离心机及其控制方法，以及一种执行该方法的计算机程序和一种存储介质。本发明优选但不排他地适用于离心包含体液的试管，其中，特殊的停止确保试管中的沉淀物的分布保持均匀。

背景技术：

us4,241,866公开了一种普遍的思想，即在某些应用中，离心机电机必须被平缓地制动。在de4116313c2描述的解决方案中，dc伺服电机用于驱动离心机，并且该驱动使用反馈控制。us5,485,066描述了离心机电机控制的序列。然而，在所有这些文献中，一方面针对电机控制、加速和制动所提出的解决方案复杂且实施成本高；另一方面，它们提供的解决方案无法用于例如引言中提到的特殊目的。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种离心机和控制方法，以及提供一种计算机程序和用于该计算机程序的存储介质，其能够根据预定的一系列步骤进行有效的离心，然后以预定的减速而非急动(jerks)地在精确的位置上进行的特殊的停止。停止在精确的位置上有助于将离心物体，例如试管，有效地输送到检查单元。

本发明的另一个目的是提供一种在上述领域中的解决方案，即使对于简单设计的离心机驱动器，该解决方案也能够被有效地应用。即，我们已经认识到，如果以不同方式在离心的各个阶段中控制耦合(例如，直接或间接地耦合到电机轴)到电机的角度传感器的脉冲，则可以有效地实现本发明的目的。在回转时，角度传感器以预定的分度发射脉冲。作为示例，角度传感器可以针对每个周转输出200个脉冲，这意味着以每1.8°输出一个脉冲。一方面，可以对这些脉冲进行计数，并且作为该计数的结果，可以获得周转的实际位置，并且另一方面，也可以将脉冲之间的时间差用于控制，并且由此可以确定旋转速度。导致本发明的认识是，通过由脉冲携带的这两个参数，通过在每个阶段中使用具有适当功能的一个或两个参数，可以实现成本高效的实施、安全和精确的离心控制。

本发明的目的已经通过根据权利要求1的控制方法、根据权利要求16的离心机、根据权利要求17的计算机程序和根据权利要求18的存储介质实现。本发明的优选实施例在从属权利要求中限定。

附图说明

下面参考附图通过示例描述本发明的优选实施例，其中

图1是根据本发明的离心机电机控制的框图，

图2示出与电机相关联的传感器的信号形状的时间相关变化，

图3a至3c是具有各种脉冲宽度的信号形状，所述信号形状可以例如用于根据本发明的方法的前五个阶段中，并且由图1中所示的电机驱动单元输出，以及

图4a至4c示出了具有各种占空比的示例性信号形状，所述信号形状可以应用于根据本发明的控制方法的第六阶段中并且由电机驱动单元输出。

具体实施方式

在实施例的详细描述中，将主要针对在离心机中使用dc电机的实施例来描述本发明。然而，本发明并不限于该实施例，而且原则上本发明可以用于任何电机类型，例如也可以在ac、bldc或步进电机的情况下使用。因此，本发明的各个阶段和考虑可以应用于这些另外的电机类型，但是对于这些电机，正如从现有技术已知的并且本领域技术人员可以想到的，需要其他类型的电机驱动单元和控制信号。对于各种类型的电机，可以以不同的复杂度来实施根据本发明的控制序列的各个阶段。通常可以说，对于dc电机，除了最后一个阶段外，所有控制阶段都非常容易实施。在最后阶段，要进行电机的精确定位，这对于步进电机可以非常简单地执行，但是对于dc电机，如稍后详细描述的，特殊的措施将是必要的。应当注意，对于步进电机，可以以相对较高的复杂度和难度来实施控制序列的第一阶段。

此外，在将要详细描述的实施例中，由控制器输出的控制信号是脉冲宽度调制(pwm)信号，并且控制信号的值是数字值。后者可以是一个字节，或者甚至是一个多字节的数字值；我们在我们的实验中得出结论，即使一个字节的数字值(范围从0到255)在大多数应用中也能达到适当的精度。pwm信号的一个很大的优点是，在系统中不需要d/a转换器，并且在最后的控制阶段，落入mhz量级的pwm信号的输出频率适合于实施稍后描述的ac信号。另一种可应用的方法是控制单元向电机驱动单元输出模拟信号而不是数字信号，例如输出0v至5v之间的信号。在后一种情况下，对于可有利地应用于最后阶段的ac信号，将实施单独的信号切换解决方案。

根据图1所示的框图，离心机(未示出)的电机10由电机驱动单元15驱动，该电机驱动单元15接收限定离心机的期望运动的控制信号。在该控制方法中，施加耦合到电机10的角度传感器11的脉冲。

零点传感器12优选地也与电机10耦合，并且该传感器在每转中运行一次，并且由此可以确定绝对零点位置。优选地，这可以用于离心的适当的初始定位。在给定的情况下，方向传感器13也可以耦合到电机，并且通过这种方式，可以确定旋转方向。

图2示出了时间轴上的传感器的信号形状。在顶部，用虚线示出方向传感器13的输出信号dir；输出信号根据实际方向而取两个可能值中的适当值。在图的中间，描绘了旋转方向的变化。在中部，虚线示出了零点传感器12的输出信号imp0，并且该输出信号对于每转包括一个脉冲。在图的底部，角度传感器11的输出信号imp用实线示出；对于每个限定的角位移，例如在每个1.8°处，其包括一个脉冲。优选地，角度传感器11是增量角度传感器，即其仅提供脉冲，而不指示绝对位置，这形成了一种有成本效益的方法，在该方法中可以通过对脉冲进行计数来跟踪绝对位置。然而，根据本发明，脉冲发射(pulse-emitting)绝对角度传感器也可以用于该目的。

下面，将通过公式描述控制序列的各个阶段，即离心机从启动到停止的连续阶段以及额外的初始阶段。在说明书最后的表1中给出了公式中的常数和值的说明及其可取的极值。

在每个阶段的末尾，离心机应该处于指定的位置，大约具有指定的旋转速度。优选地，每个阶段的持续时间也由给定阶段中的脉冲数量确定，并且当达到给定脉冲数量时执行到下一阶段的切换。

所谓的初始阶段不是根据本发明的控制序列的必要部分。该阶段可以在每个控制序列的开始处插入，但是优选地在给定设备接通时执行一次，或者甚至不时地有规律地执行，以确定适当的初始值。优选地在执行初始化(initiation)时离心机无需保存待离心的物体，该待离心的物体例如为充满体液的试管。这是因为与离心机的机械惯性相比，后者的质量通常可忽略不计。这样，初始化(initiation)时不需要填充和浪费待离心的物体。

初始阶段(阶段0)

在此阶段，测量与以下相关联的pwm值:

-由tminrot限定的初始旋转量(即具有最慢的初始旋转量)；其将是值pwmmin；以及

-通过tcent确定的离心速度；其将是值pwmncent。

以数字值pwm从0开始增加的方式进行测量，并且一旦满足下面的不等式，就将实际pwm值记录为给定值。

如果δti＜tminrot则pwmmin＝pwm

如果δti＜tcent则pwmncent＝pwm

启动阶段

在该阶段没有调节，因为针对该阶段脉冲接收得太少。该阶段持续直到xstart个脉冲；电机的驱动信号，即控制信号的值，仅根据位置计算得出。因此，在启动阶段，根据以下等式基于由角度传感器11的脉冲限定的位置来确定控制信号的值：

pwmmot＝fpwmmot_sp(i)

fpwmmot_sp(0)＝pwmmin

其中

pwmmot是控制信号的值，

i是从启动到实际位置检测到的脉冲之和，

fpwmmot_sp是用于确定在启动阶段中控制信号的值的函数，

xstart是测量的启动阶段的长度，以脉冲为单位(inpulses)，以及

pwmmin是与初始旋转量相关联的控制信号值。

函数fpwmmot_sp优选地以这样的方式确定控制信号的值，即从初始值pwmmin开始，控制信号的值在每个脉冲上增加(例如增加1)，直到最后两个脉冲之间的时间差降到极限(tmax)以下：

如果δti＜tmax则fpwmmot_sp(i)＝fpwmmot_sp(i-1)

如果δti≥tmax则fpwmmot_sp(i)＝fpwmmot_sp(i-1)+1

其中，tmax是与启动阶段中的期望最大旋转量相关联的两个脉冲之间经过的时间。

函数fpwmmot_sp，正如下面将要详细介绍的其它优选函数一样，也可以是不同的函数，优选地根据实际应用所需的适当的离心机性能，通过实验对函数fpwmmot_sp进行调整和预参数化。基于根据本发明的控制序列和表征每个阶段的控制类型，本领域技术人员可以基于以上论述创建这些函数。

调节加速阶段

在此阶段，ncent的旋转值是通过在时间taccel期间以调节的方式均匀加速来实现的。平均而言，可以实现ncent的值/2转/分钟，并且该阶段持续xaccel个脉冲。在调节加速阶段，基于由位置确定的设定值函数的值和脉冲之间的时间差，根据以下等式确定控制信号的值：

pwmmot＝fpwmmot_ap(fsetvalue_ap(i)，δti)

δti＝ti-ti-1

其中

fpwmmot_ap是用于确定在调节加速阶段中的控制信号的值的函数，

fsetvalue_ap是调节加速的设定值函数，以及

δti是实际脉冲和前一脉冲之间经过的时间。

在调节加速阶段，如下所示，控制信号的值优选地由函数fpwmmot_ap确定：

fsetvalue_ap(i)＝setvalueoffs+(setvalueamp/i)

旋转速度快于计算值：如果则

旋转速度慢于计算值：如果则

其中，公式中的常数如下：

setvalueoffs是调节加速设定值计算的偏移量，

setvalueamp是调节加速设定值计算的放大率，

setvaluediv1是调节加速pwm计算的设定值除数，

setvaluediv2是调节加速pwm计算的设定值除数，

xaccelh是调节加速pwm计算的位置的基值，

xaccell是调节加速pwm计算的位置的基值，

divaccelh是调节加速pwm计算的误差信号除数，

divaccell是调节加速pwm计算的误差信号除数。

如上式所示，简单的p(比例)调节就足够了，并且不需要i(积分)和d(微分)部分。这对于以下所有调节函数都是有效的。鉴于在例如离心机控制等高速应用中，应用满足快速干预需求的d部分和均衡i部分是工程师的思维模式的一部分，这一结果出乎意料且令人惊讶。

保持阶段

在该阶段中，在时间段tcenthold内保持转速ncent；该阶段持续xhold个脉冲。因此，在保持阶段，保持预定的离心速度，其中基于脉冲之间的时间差根据以下等式确定控制信号的值：

pwmmot＝fpwmmot_hp(δti)

其中

fpwmmot_hp是用于确定在保持阶段中的控制信号的值的函数。在保持阶段，函数fpwmmot_hp优选地根据以下等式确定控制信号的值：

其中，公式中的常数如下：

thold是与稳定保持的离心速度相关的脉冲的时间间隔，其以处理器时钟信号测量，

holdamp是与稳定保持的离心速度相关的误差信号的放大率，

pwmncent是与稳定保持的离心速度相关的控制信号值。

调节减速阶段

在该阶段，优选地通过均匀减速将速度降低到最小。该阶段持续xdecel1个脉冲。在调节减速阶段，基于由位置和脉冲之间的时间差确定的设定值函数的值，根据以下等式确定控制信号的值：

pwmmot＝fpwmmot_dp(fsetvalue_dp(i)，δti)

其中

fpwmmot_dp是用于确定在调节减速阶段中的控制信号的值的函数，以及

fsetvalue_dp是调节减速的设定值函数。在调节减速阶段，函数fpwmmot_dp优选地根据以下等式确定控制信号的值：

δti＝ti-ti-1

旋转速度快于计算值：如果则

旋转速度慢于计算值：如果则

其中，公式中的常数如下：

xdecel1是测量的减速阶段的时间，以脉冲为单位，

setvalueampdecel1是减速阶段的设定值放大率，

setvaluediv1l1是减速阶段pwm计算的设定值除数，

setvaluediv2l1是减速阶段pwm计算的设定值除数，

divdecel1h是减速阶段pwm计算的误差信号除数，

divdecel1l是减速阶段pwm计算的误差信号除数。

调节平缓减速阶段

在该阶段，位置和速度也必须是正确的，以确保位置调节函数精确且无急动(jerks)。该阶段持续xdecel2个脉冲。在该阶段，脉冲到达得更少，并且它们不能以与先前阶段相同的方式被调节。脉冲之间的时间差将以较低的权重纳入考虑。因此，在调节平缓减速阶段，基于由位置和脉冲之间的时间差确定的设定值函数的值，根据以下等式确定控制信号的值，其中时间差被认为与调节减速阶段相比具有较低的权重：

pwmmot＝fpwmmot_gdp(fsetvalue_gdp(i)，δti_gdp)

其中

fpwmmot_gdp是用于确定在调节平缓减速阶段中的控制信号的值的函数，

fsetvalue_gdp是调节平缓减速的设定值函数，以及

δti_gdp是实际脉冲和前一脉冲之间的时间差与divdecel2常数的商，其中divdecel2常数大于1。

在调节平缓减速阶段，函数fpwmmot_gdp优选地以如下方式确定控制信号的值：

其中，公式中的常数如下：

setvalueampdecel2是平缓减速阶段的设定值乘数，

setvalueoffsdecel2是平缓减速阶段的设定值偏移量，

divdecel2sv是平缓减速阶段的设定值脉冲除数，

divdecel2pwm是平缓减速阶段的pwm除数。

位置调整阶段

目前，期望的停止位置通常在一转内，优选在四分之一转内。目前，臂以最小急动(jerk)被设定在零位置。在该阶段，仅存在基于位置的控制；在位置调整阶段，根据以下等式基于位置确定控制信号的值

pwmacmot＝fpwmacmot(i)

其中

pwmacmot是位置调整阶段中的控制信号的值，以及

fpwmacmot是用于确定位置调整阶段中的控制信号的值的函数。

在位置调整阶段，函数fpwmacmot优选地以如下方式确定控制信号的值：

fpwmacmot(0)＝pwmstart

fpwmmot(i)＝pwmdecel3-i*setvalueampdecel3

其中，公式中的常数如下：

pwmstart是位置调整阶段的初始pwm信号，

pwmdecel3是位置调整阶段的pwm偏移量，

setvalueampdecel3是位置调整阶段的放大率。

在除了位置调节阶段之外的所有阶段中，优选地，仅调节电机10的一个极，而另一极连接到负极或正极。在这些阶段中，不需要沿相反方向的旋转，因此仅需要调节一个极。图3a至3c示出了由图1的电机驱动单元15输出到电机10的mot+极和mot-极的信号形状的示例，并且这些信号形状以各种脉冲宽度应用于根据本发明的方法的前五个阶段。图3a示出了在50％pwm的情况下的信号形状，图3b适用于20％pwm，而图3c适用于80％pwm。

在位置调节阶段，优选地，电机10的两极通过将反向ac信号馈送到该两极的方式来调节，并且电机10的旋转由ac信号的占空比限定。在最后阶段，两极都因此被调节，并且两极接收彼此相反的信号。在这种情况下，电机10非常平缓地振动，这由于惯性而不能被感测到，因此它将不会摇动例如离心试管中的样品。但是，由此消除了粘附摩擦，因此即使在低转速下也可以精确地调节电机10。

图4a至4c示出了由电机驱动单元15输出到电机10的mot+极和mot-极的具有不同占空比的信号形状的示例，该信号形状应用于根据本发明的控制方法的第六阶段。图4a描述了50％pwmac信号，其中电机10是空闲的。图4b示出了80％pwmac信号，其中电机10向右旋转。图4c示出了20％pwmac信号，其中电机10向左旋转。

在该阶段，imp信号具有符号，即它取决于旋转的方向。旋转方向优选地来自方向传感器13。在实施方式中，函数fpwmacmot设定恒定频率信号的占空比，并且所述占空比可以在0至100％之间变化。根据以上论述，电机在50％处空转，在0至50％之间顺时针旋转，并且在50％至100％之间逆时针旋转。值0％和100％对应于最大功率。

本发明还涉及一种离心机，其包括电机10、耦合到电机10的脉冲发射(pulse-emitting)角度传感器11、驱动电机10的电机驱动单元15、以及向电机驱动单元15提供用于确定离心机的期望运动的控制信号的控制单元14。控制单元14执行上述方法。

本发明还涉及一种计算机程序，当由一个或多个计算机执行时，该计算机程序包括用于执行上述方法的指令，并且还涉及一种存储介质，在该存储介质上存储有用于执行离心机控制方法的计算机程序，并且当由计算机执行该程序时，所存储的数据和指令执行上述方法。

当然，本发明不限于通过示例详细说明的优选实施例，在由权利要求所限定的保护范围内的进一步变型和替代方案是合理的。在下表1所示的优选值范围内，优选地通过估算和/或通过实验，根据实际应用、给定离心机的静态和动态以及其期望的性能调整各种参数和常数的值。

表1：表达式和常数