文 冬，王景存，蔡清清

（武漢科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，武漢430081）

隨著醫(yī)療檢驗技術(shù)和設(shè)備的不斷進步，醫(yī)療液體樣本檢驗自動處理工作平臺得到了越來越廣泛的應(yīng)用，離心機的主要作用是對醫(yī)療檢驗樣本進行離心以達到分離樣本細(xì)胞結(jié)構(gòu)的目的，是全自動樣本檢驗處理工作平臺上的關(guān)鍵設(shè)備，目前平臺系統(tǒng)中離心機的功能多數(shù)靠人工干預(yù)，不能完成完整的

自動化處理過程，在此，設(shè)計了搭建在醫(yī)療液體樣本檢驗自動處理工作平臺上的自動定位離心機控制系統(tǒng)，其主要功能是配合工作平臺完成待檢驗樣本的自動抓取、自動放置和自動離心功能，減少人工干預(yù)影響、提高工作效率。

1 離心機結(jié)構(gòu)及控制原理

1.1 離心機基本結(jié)構(gòu)

自動定位離心機的簡明機械結(jié)構(gòu)如圖1所示，其實物如圖2所示，自動定位離心機的內(nèi)部機械結(jié)構(gòu)包括離心機托架、托架盒、槽型光電開關(guān)、光孔、圓盤、編碼器碼盤、編碼器讀頭、步進電機、離心盒、轉(zhuǎn)軸、皮帶。

圖1 自動定位離心機機械結(jié)構(gòu)Fig.1 Mechanical structure of automatic positioning centrifuge

圖2 醫(yī)用自動定位離心機實物Fig.2 Real object of medical automatic positioning centrifuge

由圖2可見，離心機頂部有一個開孔，為平臺的機械臂手將離心盒取出或者放入離心機的通道；側(cè)面有一塊液晶顯示屏，用于顯示離心機的狀態(tài)信息，轉(zhuǎn)軸通過皮帶與步進電機連接；離心機托架上設(shè)有多個離心盒（即試管盒），平臺中的機械臂手可以將離心盒自動取出或者放入離心機。

在自動定位離心機工作前，需要對其進行初始化，初始化后，主要通過接收主控板發(fā)送的命令、參數(shù)，完成勻速找零點、自動定位、高速離心、狀態(tài)顯示和信號反饋等工作。

1.2 離心機控制原理

典型的運動控制系統(tǒng)主要由運動部件、傳動機、執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動器和控制器構(gòu)成，在此，控制系統(tǒng)主要由基于STM32單片機的控制器、驅(qū)動器、增量型編碼器、步進電機、LCD液晶顯示屏、槽型光電開關(guān)等構(gòu)成，控制系統(tǒng)硬件的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.3 Hardware structure of control system

編碼器起到記錄離心機位置的作用，系統(tǒng)工作過程中，編碼器讀頭讀取編碼器信號后，經(jīng)過濾波和整形等處理，最終將讀取的信號輸出到單片機的CPU。

槽型關(guān)電開關(guān)的作用是記錄離心機零點位置和離心機轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)工作過程中，槽型光電開關(guān)采集開關(guān)信號后，經(jīng)過濾波和放大等處理，最終將開關(guān)信號輸出到單片機的CPU。

LCD顯示模塊用于顯示當(dāng)前離心機的狀態(tài)信息，包括當(dāng)前離心機位置、離心速度、離心時間等。

2 離心機軟件設(shè)計

圖4 離心機控制系統(tǒng)程序流程Fig.4 Program flow chart of centrifuge control system

離心機控制系統(tǒng)程序流程如圖4所示，控制系統(tǒng)在上電復(fù)位后進行初始化，然后進入等待458總線命令的狀態(tài)，在等待一段時間后進入正常工作狀態(tài)或手動工作狀態(tài)，若在一定時間內(nèi)接收到總線命令，此時離心機進入正常工作狀態(tài)，然后對總線命令做進一步處理，否則離心機進入手動工作狀態(tài)，主程序掃描鍵盤，等待按鍵，通過功能按鍵做進一步處理[1]，在正常工作和手動工作狀態(tài)下均可完成離心機參數(shù)設(shè)置、勻速找零、自動定位、高速離心等工作。

2.1 自動定位方案設(shè)計

醫(yī)用自動定位離心機的工作方式分為2種，低速定位方式和高速離心方式，低速定位方式能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能：找零點，找離心盒位置1，找離心盒位置2，找位置離心盒3，找離心盒位置4。

1.企業(yè)核心能力整體上相當(dāng)匱乏。具有自身獨特核心能力的企業(yè)才是健康擁有活力的，然而，縱觀國內(nèi)眾多企業(yè)，雖然有些時候一些企業(yè)也表現(xiàn)出很大優(yōu)勢，獲得了很大利潤，但對于企業(yè)核心能力，多數(shù)企業(yè)仍然沒有建立起來。快速成立又快速破產(chǎn)的企業(yè)比比皆是，并由此造成我國就業(yè)市場持續(xù)嚴(yán)峻的形勢。

找零點過程通過單片機控制器發(fā)送一個固定較低頻率的脈沖，使步進電機帶動離心機勻速旋轉(zhuǎn)，當(dāng)槽型缺口一側(cè)到達槽型光電開關(guān)處時，開關(guān)信號的變化以輸入捕獲的方式進入單片機，反復(fù)確認(rèn)3次后，此時單片機記錄當(dāng)前位置為初始零點，編碼器數(shù)值清零。

離心機找離心盒位置1通過控制器發(fā)固定脈沖數(shù)來實現(xiàn)，步進電機以初始零點為起點，偏移一個固定脈沖數(shù)來確定離心盒位置1，偏移量（脈沖數(shù)）用參數(shù)OFFSET表示。該參數(shù)值為每臺離心機的個性參數(shù)，不同離心機的參數(shù)值因機械裝配差異而不同，當(dāng)步進電機走完該偏移量后，單片機以編碼器的數(shù)值作為反饋來判斷找位置的精度，并在一定范圍內(nèi)進行參數(shù)調(diào)整，從而實現(xiàn)對自動定位離心機的定位控制。

同理，離心機可實現(xiàn)其他位置的定位控制。

2.2 高速離心方案設(shè)計

醫(yī)用自動定位離心機在離心狀態(tài)下，步進電機轉(zhuǎn)速從0 開始增加，經(jīng)過加速階段達到給定的速度值，并穩(wěn)定在該速度即進入勻速階段，勻速階段保持值一段時間后進入減速階段，直至速度為0。

電機常用的控制算法有LQR、模糊控制、PID等，其中，線性二次型調(diào)節(jié)器LQR（linear quadratic regulator）的控制對象，是現(xiàn)代控制理論中以狀態(tài)空間方程給出的線性系統(tǒng)，需要通過MatLab計算最優(yōu)反饋增益矩陣K=lqr（A，B，Q，R，N）[2]，模糊控制依賴于模糊規(guī)則表的制定，模糊規(guī)則表則根據(jù)專家或自己在調(diào)試系統(tǒng)時的控制心得而定，模糊控制適用于非線性系統(tǒng)，魯棒性好[3]，PID是一種常規(guī)的反饋閉環(huán)控制，具有算法簡單、控制可靠、魯棒性較好等特點，P越大魯棒性越好，若魯棒性增強則會出現(xiàn)強烈的抖振現(xiàn)象，反之若減少抖振現(xiàn)象則系統(tǒng)的魯棒性會降低，所以魯棒性和抖振是一對矛盾[3]，在達到控制目的的前提下，通過PID控制算法來控制離心機旋轉(zhuǎn)，即使沒有控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，也能得到比較滿意的控制效果，通過PID控制算法來編程，程序設(shè)計簡單，參數(shù)調(diào)整方便；有較強的靈活性和適應(yīng)性，根據(jù)被控對象的具體情況，可以采用P，PI，PID等方式。故在此系統(tǒng)選用PID 閉環(huán)的穩(wěn)態(tài)控制方案。

3 PID控制算法設(shè)計

3.1 位置PID控制算法

傳統(tǒng)的位置式PID算法公式為

式中：Kp，Ti，Td，e（t）分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)、誤差值，位置式PID算法的最大缺點在于它的每次輸出U（t）與過去的狀態(tài)均有關(guān)，在計算時需要對過去的所有誤差進行累加，工作量較大，此外PID控制器如果出現(xiàn)問題對系統(tǒng)造成的影響很大。

3.2 增量PID控制算法

增量式PID算法公式為

由式（2）可知，增量式PID輸出不需要對過去所有誤差進行累加，輸出的控制增量僅需要通過最近的3次采樣值就能確定。當(dāng)Kp，Ti，Td確定后，輸出的控制增量也就確定了，相比位置式PID算法更容易計算，通過加權(quán)處理就能得到較好的效果，控制器出現(xiàn)問題時也不會對系統(tǒng)造成非常大的影響[4]。故在此所設(shè)計的離心機采用了增量式PID算法控制，易于實現(xiàn)且系統(tǒng)穩(wěn)定，所采用的PID 閉環(huán)控制系統(tǒng)模型如圖5所示。

編碼器單圈線數(shù)為600，為了提高編碼器的計數(shù)精度，實際將編碼器4倍頻處理，步進電機旋轉(zhuǎn)一圈，步進電機運行的距離為5 mm，編碼器變化的數(shù)值Encoder_SPR為2400。

圖5 電機閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖Fig.5 Closed loop control system block diagram of motor

Vel_SetPoint為設(shè)定的電機目標(biāo)速度，r/min；后續(xù)試驗中電機速度設(shè)定值為1800 r/min，因編碼器采樣周期為20 ms，故需將其轉(zhuǎn)化為20 ms內(nèi)目標(biāo)速度對應(yīng)的編碼器變化值Vel_Target，即

在STM32控制程序中，所用的增量式PID算法數(shù)學(xué)模型為

式中：TarVal為目標(biāo)速度對應(yīng)的20 ms內(nèi)編碼器變化值；CurVal為當(dāng)前20 ms 編碼器變化的反饋值；Kp為比例系數(shù)；Ki為積分系數(shù)；Kd為微分系數(shù)；e（k）為TarVal與CurVal的偏差值；e（k-1）為記錄e（k）的上一次偏差；e（k-2）為記錄e（k-1）的上一次偏差。由相鄰3 組偏差計算一次輸出的增量。

控制步進電機時，增量式PID算法每20 ms 執(zhí)行1次，每次執(zhí)行算法均會累積ΔUk，即

式中：Vel_Exp_Val為速度的輸出值，其轉(zhuǎn)換成電機的輸出頻率就可以控制電機的實際轉(zhuǎn)速。

3.3 速度的計算方法

STM32單片機的通用定時器自帶編碼器接口。系統(tǒng)所使用的通用定時器Time 3輸入通道口TI 1和TI 2作為編碼器的接口，在使用時將Time 3配置為正交編碼器計數(shù)模式，且在TI 1和TI 2 上升沿捕獲。自動重裝載值TIMx_ARR為65535，根據(jù)步進電機運行方向，或是0 至TIMx_ARR計 數(shù)，或是TIMx_ARR 至0計 數(shù)，并且設(shè)置URS 寄存器僅允許溢出才產(chǎn)生一次更新中斷，Over 用于紀(jì)錄電機旋轉(zhuǎn)過程中編碼器計數(shù)寄存器CNT 溢出的次數(shù)，電機正轉(zhuǎn)溢出，Over值自加1，反之則Over值自減1，Getcount為當(dāng)前計數(shù)寄存器CNT的計數(shù)值，則捕獲編碼器所走的脈沖值CapNum為

系統(tǒng)滴答定時器每隔20 ms對編碼器的值進行一次采樣，LastCapNum 用于記錄上一個20 ms的CapNum的值，則本次20 ms內(nèi)采樣的值為MSF，為避免采樣值出現(xiàn)負(fù)數(shù)，需對計算結(jié)果取絕對值，即

每20 ms內(nèi)的MSF值進行一次累加，并將累加值保存到變量SUM，1 s內(nèi)累積50次，得到前1 s內(nèi)的步進電機編碼器變化值，然后轉(zhuǎn)化為1 min 電機旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)即Vel_Cur_Val，r/min，有

每隔1 s 將Vel_Cur_Val的值發(fā)送到LCD液晶屏上顯示出來，用以記錄步進電機的速度，發(fā)送后將SUM值清零。

3.4 步進電機輸出控制

3.4.1 輸出比較脈沖產(chǎn)生原理

PUL腳產(chǎn)生脈沖原理如圖6所示。

圖6 PUL腳產(chǎn)生脈沖原理Fig.6 Schematic of PUL pin generate pulse

輸出比較產(chǎn)生脈沖的原理如下：輸出比較也為翻轉(zhuǎn)輸出，初始化設(shè)置通道的脈沖計數(shù)值為Toggle_Pluse（即500），在啟動定時器運行后，定時器從0 開始計數(shù)，待計數(shù)到Toggle_Pluse（即500）值時就會產(chǎn)生中斷，翻轉(zhuǎn)PUL通道引腳，并且執(zhí)行DelayCal 函數(shù)。在該函數(shù)內(nèi)，讀取當(dāng)前定時器計數(shù)值保存到變量count（此時該值為500），并設(shè)置新的比較值為count+Toggle_Pluse（即500+500=1000），然后，定時器繼續(xù)計數(shù)，待計數(shù)值達到1000時，又產(chǎn)生中斷，翻轉(zhuǎn)PUL通道引腳，并把比較值設(shè)置為1500（1000+Toggle_Pluse），……，如此循環(huán)執(zhí)行，最終的效果即在定時器通道引腳輸出持續(xù)的脈沖信號，因為一個完整的脈沖周期，PUL引腳通道電平需要翻轉(zhuǎn)2次，所以一個完整的脈沖信號對應(yīng)定時器的計數(shù)值為2（Toggle_Pluse），這樣通過改變Toggle_Pluse值可以非常方便地改變脈沖信號頻率。

3.4.2 步進電機運動控制

系統(tǒng)中，步進電機轉(zhuǎn)1 周需要200個脈沖，步距角為1.8°。為提高步進電機的步距精度，將驅(qū)動器的細(xì)分?jǐn)?shù)調(diào)為16 細(xì)分，即步進電機步距角變小，此時電機轉(zhuǎn)一圈的脈沖數(shù)Motor_SPR為3200。

通過速度的輸出值Vel_Exp_Val，計算出步進電機的頻率為

定時器TIM1的系統(tǒng)時鐘為72 MHz，在此進行4分頻處理，驅(qū)動電機TIM1的實際時鐘頻率T1_Freq為18 MHz，則每20 ms 采樣TIM 1的時鐘頻率為

那么TIM 1每個脈沖的計數(shù)值為

根據(jù)輸出脈沖產(chǎn)生原理，一個完整脈沖需要翻轉(zhuǎn)PUL腳電平2次，則PUL通道脈沖的設(shè)定值為

最終通過改變Toggle_Pluse的大小來調(diào)整脈沖頻率的大小，從而改變步進旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速。

3.5 PID控制流程

整個PID 速度閉環(huán)控制的調(diào)整流程如圖7所示，其中每20 ms對編碼器的值進行一次采樣。

4 試驗結(jié)果分析

試驗過程中，速度目標(biāo)值為步進電機所達到的實際速度值，在此，設(shè)定電機運行的最高速度為1800 r/min，速度的初始比例系數(shù)kp=0.001，然后逐漸增大kp值，經(jīng)過調(diào)節(jié)，取其中4 組有代表性的數(shù)據(jù)進行繪制（如圖8所示），其中kp分別為0.001，0.004，0.008，0.014。

由圖可見，其中3 組曲線（kp為0.004，0.008，0.014時）的越大，步進電機運行到目標(biāo)速度的調(diào)整時間越短。由實際測量的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，kp=0.004時電機可以較快且比較穩(wěn)定地達到目標(biāo)速度1800 r/min。又由圖可見，電機到達目標(biāo)速度卻不能穩(wěn)定，存在穩(wěn)態(tài)誤差。

圖7 PID 調(diào)整流程Fig.7 PID adjustment flow chart

圖8 比例調(diào)節(jié)Fig.8 Proportional adjustment

為消除穩(wěn)態(tài)誤差，需要引入積分調(diào)節(jié)，固定速度的比例參數(shù)kp=0.004，調(diào)節(jié)積分參數(shù)ki（起始參數(shù)為0.001），反復(fù)調(diào)整ki，當(dāng)ki=0.005時繪制的PI 調(diào)節(jié)曲線如圖9所示。

圖9與圖8對比可見，積分參數(shù)ki的引入，使速度調(diào)節(jié)的穩(wěn)態(tài)誤差基本消除，電機在此之后一直以1800 r/min的速度勻速運行，由此表明速度調(diào)節(jié)采用PI 調(diào)節(jié)即可使離心機快速、穩(wěn)定地達到目標(biāo)速度。

圖9 比例積分調(diào)節(jié)Fig.9 Proportional integral adjustment

5 結(jié)語

所設(shè)計的醫(yī)用自動定位離心機控制系統(tǒng)，通過增量型編碼器和槽型光電開關(guān)采集信號，最終實現(xiàn)精確定位；通過增量式PID控制算法控制離心機旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)對離心機轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定控制；單片機輸出狀態(tài)信號并在顯示設(shè)備上顯示，多次模擬試驗成功后，在隨后的實際現(xiàn)場也得到了成功的驗證，達到了預(yù)期的效果，該自動定位離心機具有定位精度高、可免除人工參與、工作效率高等優(yōu)點。