化驗(yàn)單存取裝置電機(jī)脈沖轉(zhuǎn)速控制技術(shù)

李靜燕，殷 珺

(1.南京醫(yī)科大學(xué)附屬常州第二人民醫(yī)院科教科，江蘇 常州 213003)(2.南京醫(yī)科大學(xué)附屬常州第二人民醫(yī)院信息科，江蘇 常州 213003)

目前我國醫(yī)療系統(tǒng)的總體工作量偏大，難以滿足每位就醫(yī)患者的需求。醫(yī)院每日都需開具、傳遞和保存大量就醫(yī)者的化驗(yàn)單據(jù)，工作繁瑣、費(fèi)力，浪費(fèi)了過多的人力、物力資源，并且不能夠保證服務(wù)的質(zhì)量和效率。由于傳統(tǒng)的應(yīng)用于化驗(yàn)單存取的電機(jī)脈沖轉(zhuǎn)速控制技術(shù)多基于PID控制技術(shù)[1]，化驗(yàn)單存取裝置的響應(yīng)時(shí)間較長，單據(jù)存取效率和系統(tǒng)故障率都不能達(dá)到既定的標(biāo)準(zhǔn)，在一定程度上制約了大數(shù)據(jù)背景下我國智慧醫(yī)療事業(yè)的發(fā)展[2]。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)和云計(jì)算技術(shù)的發(fā)展[3]，從信息技術(shù)層面推動(dòng)了醫(yī)療系統(tǒng)的改革，呈現(xiàn)醫(yī)療衛(wèi)生服務(wù)信息化、智能化[4]的發(fā)展趨勢(shì)。為提高化驗(yàn)單存取的效率，并為患者提供更為便捷的優(yōu)質(zhì)服務(wù)[5-6]，同時(shí)減少由于系統(tǒng)故障而帶來的單據(jù)收集、分發(fā)錯(cuò)誤現(xiàn)象，本文提出了一種基于矢量控制模型的化驗(yàn)單存取裝置電機(jī)脈沖轉(zhuǎn)速控制技術(shù)，降低了電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)整體的故障率，提高了系統(tǒng)工作的可靠性。

1 化驗(yàn)單存取裝置電機(jī)脈沖轉(zhuǎn)速控制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

1.1 化驗(yàn)單存取裝置電機(jī)磁推動(dòng)力的計(jì)算

化驗(yàn)單存取裝置的電機(jī)采用了一種初級(jí)的結(jié)

構(gòu)設(shè)計(jì)，可操作性較強(qiáng)，工作中處于靜止?fàn)顟B(tài)的模塊為定子，旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的模塊為轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子與定子在氣隙磁場(chǎng)[7]的作用下發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。氣隙磁場(chǎng)根據(jù)電機(jī)種類的不同可分為旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)[8]和行波磁場(chǎng)[9]。電機(jī)受到電能的驅(qū)動(dòng)發(fā)生了電磁轉(zhuǎn)換產(chǎn)生磁推動(dòng)力，使轉(zhuǎn)子發(fā)生相對(duì)位置移動(dòng)。電機(jī)工作時(shí)，定子與轉(zhuǎn)子之間的有效氣隙需要保持恒定，以保證電機(jī)中預(yù)留有足夠的磁推動(dòng)力運(yùn)行空間。

圖1 電子化驗(yàn)單存儲(chǔ)裝置電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，化驗(yàn)單存取裝置的電機(jī)多為圓筒形結(jié)構(gòu)，這種設(shè)計(jì)能夠提高轉(zhuǎn)子的脈沖轉(zhuǎn)速，并減少電機(jī)兩側(cè)的法向力干擾，提高電機(jī)的工作精度。電機(jī)轉(zhuǎn)子模塊采用直接的方式與定子模塊連接，減少中間的連接環(huán)節(jié)，以提高各連接部件之間傳動(dòng)效率和控制精度，對(duì)電機(jī)脈沖轉(zhuǎn)速進(jìn)行有效的控制。

由于電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡潔，噪聲干擾小，因此具有更高的穩(wěn)定性。

電機(jī)脈沖轉(zhuǎn)速控制過程中的磁鏈方程與控制系統(tǒng)中的電壓方程分別為：

(1)

(2)

式中：id和iq分別為化驗(yàn)單存取裝置電機(jī)控制不同方向的初級(jí)電流；Ud和Uq為系統(tǒng)初級(jí)電壓；ld和lq為電感；λs為電機(jī)控制波長變量；p為電機(jī)脈沖噪聲初始值；ξρm為永磁電機(jī)的磁鏈；ξd與ξq為系統(tǒng)初級(jí)磁通量；ζ為電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度；κ為電機(jī)的極矩。當(dāng)互感Mdq不為零時(shí)，可以將磁鏈方程式(1)修正為：

(3)

設(shè)電機(jī)的極對(duì)數(shù)為nd，則電機(jī)的電磁推動(dòng)力Fd表示為：

(4)

1.2 電機(jī)脈沖轉(zhuǎn)速控制數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建

運(yùn)用基于電磁驅(qū)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型對(duì)化驗(yàn)單存取裝置電機(jī)脈沖轉(zhuǎn)速進(jìn)行矢量控制的方法有多種，如通過矢量方向的調(diào)整、最大電流驅(qū)動(dòng)比的控制或基于弱磁控制等方法。通過電機(jī)磁推動(dòng)力得到化驗(yàn)單存取裝置電機(jī)脈沖轉(zhuǎn)速控制的電磁驅(qū)動(dòng)數(shù)學(xué)模型為：

(5)

電磁驅(qū)動(dòng)數(shù)學(xué)模型具有矢量結(jié)構(gòu)簡單、效率高、調(diào)速性能好的優(yōu)勢(shì)，可以在高負(fù)載的條件下，保證系統(tǒng)電壓和電流的輸出效率。由于化驗(yàn)單存取裝置電機(jī)驅(qū)動(dòng)過程中對(duì)變頻器的要求較高，因此該裝置具備較高的控制精度，提高了裝置電能的輸出能力，并同步地提高了端口的輸出電壓。

1.3 化驗(yàn)單存取裝置電機(jī)脈沖轉(zhuǎn)速矢量控制

化驗(yàn)單存取裝置電機(jī)脈沖轉(zhuǎn)速矢量控制技術(shù)在性能和穩(wěn)定性方面優(yōu)于v/f控制技術(shù)。電機(jī)的相關(guān)參數(shù)如極矩、對(duì)數(shù)、電感等一經(jīng)確定后，就可以通過控制不同方向電流分量的大小控制電機(jī)的磁推力，這樣就能實(shí)現(xiàn)磁推力對(duì)驅(qū)動(dòng)脈沖轉(zhuǎn)速角度和時(shí)間的自由控制。電機(jī)脈沖轉(zhuǎn)速的矢量控制基于三維坐標(biāo)控制體系，將電機(jī)中定子的電流進(jìn)行立體分解，使兩個(gè)控制矢量保持互相垂直的狀態(tài)，其中一個(gè)控制矢量為電機(jī)的磁電流分量[10]，另一控制矢量為轉(zhuǎn)矩電流分量[11]。對(duì)矢量分解后不僅可以提高電機(jī)的工作效率，還能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電機(jī)工作電流的解耦控制，提高電機(jī)控制系統(tǒng)的智能性，提高化驗(yàn)單據(jù)處理的分類效率和執(zhí)行效率。化驗(yàn)單存取裝置電機(jī)脈沖轉(zhuǎn)速控制矢量圖如圖2所示。

圖2 電機(jī)脈沖轉(zhuǎn)速控制矢量圖

依據(jù)電機(jī)脈沖轉(zhuǎn)速控制數(shù)學(xué)模型對(duì)電機(jī)脈沖轉(zhuǎn)速進(jìn)行矢量控制，并按照電磁場(chǎng)中定子與轉(zhuǎn)子的關(guān)系實(shí)現(xiàn)電機(jī)系統(tǒng)中勵(lì)磁電流與電機(jī)推理電流的解耦控制。

轉(zhuǎn)子在電磁驅(qū)動(dòng)控制模式下，伺服電機(jī)一端的驅(qū)動(dòng)力輸出為零，該控制模式可提高矢量控制的精度和穩(wěn)定性，也可以將系統(tǒng)的損耗控制在最優(yōu)狀態(tài)。通過β方向上的矢量控制，可以保證驅(qū)動(dòng)電機(jī)定子在電流矢量與電壓矢量上趨于一致，從而保證驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率系數(shù)恒定為1。

在電機(jī)脈沖轉(zhuǎn)速控制的過程中，永磁伺服電機(jī)d方向與q方向的電感可以認(rèn)為是基本一致的，這時(shí)電機(jī)的機(jī)械功率Ps可以表示為：

(6)

式中：Cd為電能轉(zhuǎn)換系數(shù)。

電機(jī)脈沖轉(zhuǎn)速的最大功率值Pem表示為：

(7)

通過調(diào)整電流的方向和大小就能夠自由控制電機(jī)脈沖轉(zhuǎn)速的大小，直接對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)最大功率值的跟蹤，使脈沖轉(zhuǎn)速能快速跟蹤最大功率值Pem，這樣可以降低電機(jī)系統(tǒng)的輸出損耗。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的弱磁控制更有助于伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速及功率控制，當(dāng)電勢(shì)達(dá)到一定的規(guī)模后系統(tǒng)的變頻器的輸出達(dá)到飽和狀態(tài)，此時(shí)需要提高伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速和工作效率，并適時(shí)進(jìn)行電機(jī)脈沖轉(zhuǎn)速的調(diào)制。

1.4 化驗(yàn)單存取裝置電機(jī)脈沖轉(zhuǎn)速控制技術(shù)

對(duì)電機(jī)脈沖轉(zhuǎn)速的控制依賴于電機(jī)扭力大小，故可以按照既定的化驗(yàn)單據(jù)存取速度確定合適的扭力輸出和脈沖振動(dòng)頻率，脈沖速度曲線的方案有直線型和指數(shù)型兩種，鑒于單據(jù)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)的復(fù)雜度較低，選用直線型脈沖轉(zhuǎn)速測(cè)定算法，其脈沖速度輸出曲線如圖3所示。

圖3 脈沖轉(zhuǎn)速控制曲線輸出

化驗(yàn)單存取裝置電機(jī)的脈沖轉(zhuǎn)速控制輸出過程共包含3個(gè)階段：第一階段為伺服電機(jī)做勻加速運(yùn)動(dòng)，第二階段為電機(jī)做勻速轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，第三階段為伺服電機(jī)做勻減速運(yùn)動(dòng)。該脈沖轉(zhuǎn)速的優(yōu)勢(shì)在于過程簡單，易于控制，系統(tǒng)內(nèi)的邏輯判斷過程較強(qiáng)，算法遞推公式簡單，進(jìn)而提高了脈沖轉(zhuǎn)速的控制精度，也減少了電機(jī)設(shè)備的故障率。電機(jī)的脈沖轉(zhuǎn)動(dòng)速度輸出曲線確定完畢之后，需要對(duì)每一個(gè)脈沖結(jié)果進(jìn)行讀取和存儲(chǔ)，這種離散化的解決方案，降低了裝置伺服電機(jī)的工作成本和總體故障率水平。脈沖轉(zhuǎn)速控制的基本原理是在每次脈沖結(jié)束后，基于一定的數(shù)學(xué)遞推規(guī)律計(jì)算下一組脈沖的頻率和速度，使裝置的伺服電機(jī)始終保持均速直線運(yùn)動(dòng)，并使脈沖轉(zhuǎn)速快速地跟蹤最大功率值，實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖位置的判斷，降低了脈沖轉(zhuǎn)速控制技術(shù)的時(shí)間消耗，提高了電機(jī)系統(tǒng)的工作效率。電機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速高于給定的基礎(chǔ)速度，電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)速度越快留給相鄰位脈沖的時(shí)間就越短，不易造成電機(jī)系統(tǒng)的疲勞使用和轉(zhuǎn)動(dòng)沖擊?；谶\(yùn)動(dòng)學(xué)原理得出電機(jī)脈沖轉(zhuǎn)速vi+1為：

vt+1=vt+a×Δβ·ti+Ps

(8)

式中：Δβ為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度；a為控制脈沖轉(zhuǎn)速的加速度；vt為電機(jī)的轉(zhuǎn)速；ti為脈沖頻率的時(shí)間。此時(shí)脈沖頻率的時(shí)間間隔Δti可以表示為：

(9)

當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)第i個(gè)脈沖信號(hào)時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速vt到下一個(gè)轉(zhuǎn)速vt+1的時(shí)間間隔即為Δti+1，這一過程的數(shù)學(xué)遞推公式，如下所示：

(10)

式中：gi和gi+1分別為不同轉(zhuǎn)速下智能電控系統(tǒng)所對(duì)應(yīng)的脈沖頻率，基于該頻率的變動(dòng)值可以實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖頻率的最終測(cè)定。當(dāng)脈沖頻率之間的電流信號(hào)差為90°的正弦波時(shí)，其轉(zhuǎn)矩符合正弦分布，可以在頻率計(jì)算的基礎(chǔ)上進(jìn)行細(xì)分控制，以提高化驗(yàn)單存取智能控制系統(tǒng)功能的穩(wěn)定性。

給定電流曲線的基礎(chǔ)波形為正弦波，下一步需要將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡A梯狀的正弦波，在將矢量細(xì)分的過程中需要具體地求解出電壓矢量與轉(zhuǎn)子矢量的位置信息，以提高對(duì)脈沖轉(zhuǎn)速控制的精度。設(shè)Z為阻抗，電壓矢量及轉(zhuǎn)子矢量的信息表示為：

(11)

式中：Δα為電機(jī)旋轉(zhuǎn)矢量角度。此時(shí)電機(jī)脈沖轉(zhuǎn)速vt+1可以表示為：

(12)

式中：R為電阻值。

由此可見，在既定的工作環(huán)境下，對(duì)轉(zhuǎn)子矢量信息進(jìn)行準(zhǔn)確定位后，電機(jī)的電流值與脈沖轉(zhuǎn)速的控制之間呈現(xiàn)出一種線性的變化關(guān)系，電機(jī)輸出扭矩與電機(jī)的轉(zhuǎn)速和加速度相關(guān)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為驗(yàn)證電機(jī)脈沖轉(zhuǎn)速控制技術(shù)控制效率的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)了一組仿真實(shí)驗(yàn)并將脈沖控制及細(xì)分控制技術(shù)應(yīng)用其中。根據(jù)化驗(yàn)單存取的真實(shí)工作環(huán)境，給出了模擬實(shí)驗(yàn)中電機(jī)的相關(guān)參數(shù)，見表1。

表1 電機(jī)的仿真參數(shù)設(shè)定

在相同電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速下，PID控制方法的機(jī)械功率為Ps1，矢量控制方法的機(jī)械功率為Ps2。分別對(duì)比機(jī)械功率Ps1，Ps2與最大功率值Pem的吻合度，吻合度越高，說明電能利用率越高，證明其控制方法與最大功率值跟蹤性能越好、穩(wěn)定性越好。運(yùn)用PID控制方法及本文提出的矢量控制方法分別對(duì)電機(jī)脈沖轉(zhuǎn)速的控制進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)比兩種脈沖轉(zhuǎn)速控制方法對(duì)最大功率值跟蹤情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 PID控制方法跟蹤最大功率效果

圖5 矢量控制方法跟蹤最大功率效果

由圖4可以看出，運(yùn)用PID控制方法對(duì)脈沖轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，電機(jī)機(jī)械功率Ps1與最大功率值Pem吻合度較差，轉(zhuǎn)速控制穩(wěn)定性較差，對(duì)最大功率值Pem的跟蹤情況不太理想，電能利用率較低。

由圖5可以看出，運(yùn)用矢量控制方法對(duì)脈沖轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，電機(jī)機(jī)械功率Ps2與最大功率值Pem吻合度較好，脈沖轉(zhuǎn)速控制穩(wěn)定性較強(qiáng)，對(duì)最大功率值Pem的跟蹤情況較為理想，電能利用率較高。

在化驗(yàn)單存取過程中，將伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速分別調(diào)整為400，800，1 200，1 600，2 000和2 400r/min，分別考察兩種脈沖轉(zhuǎn)速控制技術(shù)下系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，一般來講電機(jī)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間會(huì)隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的提高而減少?；谑噶靠刂频拿}沖轉(zhuǎn)速控制技術(shù)，系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間呈現(xiàn)出一種正常的線性變化趨勢(shì)，即隨著轉(zhuǎn)數(shù)的增加而減少，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速在2 000～2 400r/min時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間在0.5s之內(nèi)；傳統(tǒng)的PID控制技術(shù)下，電機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性不足，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速在1 600～2 000r/min時(shí)，系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間不降反升，至2.0s以上，有所波動(dòng)。兩種脈沖轉(zhuǎn)速控制技術(shù)下系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間對(duì)比如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間對(duì)比圖

3 結(jié)束語

我國部分醫(yī)療機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了化驗(yàn)單存取的自動(dòng)化，針對(duì)當(dāng)前化驗(yàn)單存取裝置電機(jī)脈沖轉(zhuǎn)速控制技術(shù)方面的不足，本文提出了基于矢量控制技術(shù)的化驗(yàn)單存取裝置脈沖轉(zhuǎn)速控制技術(shù)，通過對(duì)脈沖頻率及轉(zhuǎn)子速度的測(cè)定，對(duì)電機(jī)脈沖轉(zhuǎn)速進(jìn)行有效控制，縮短了裝置的響應(yīng)時(shí)長，提高了裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)效率。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文提出的控制技術(shù)的優(yōu)越性和適用性，因此可以在醫(yī)療系統(tǒng)自動(dòng)化操作領(lǐng)域中進(jìn)行推廣應(yīng)用。