CN206490611U - 直流电机的转速控制装置以及使用其的切片机 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种直流电机的转速控制装置以及使用其的切片机，属于直流电机控制技术领域。本实用新型的直流电机的转速控制装置包括安装在直流电机上的转速器、模数转换器、数字控制器和直流电机驱动电路。转速控制装置成本低，用于控制直流电机时直流电机的转速误差小、转速稳定性好。

Description

直流电机的转速控制装置以及使用其的切片机

技术领域

本实用新型属于直流电机控制技术领域，涉及直流电机的转速控制装置，还涉及使用该直流电机及其转速控制装置的切片机。

背景技术

直流电机作为驱动装置在精密仪器等领域广泛使用，精确并稳定地控制直流电机的转速是非常具有意义的，尤其是在低转速情况下。

举例而言，在切片机（microtome）上通常使用直流电机来控制切刀的切割过程，从而完成对诸如柔韧的软组织样品的切割、形成每一片状样品；为形成高品质的片状样品，要求切割过程中的切割速度低且保持相对稳定；例如，典型的切割速度是要求精确保持在10微米/秒，并且每2毫秒的切割距离需要被监测控制，要求每2毫秒的切割距离误差小于或等于±10%，这样，要求直流电机的转速精确控制在低转速下的某一预定值，并且要求直流电机转速在较小时间间隔下基本不发生波动，也即对转速的稳定性要求高；例如，要求每隔较小时间段（诸如0.3毫秒）测量获得直流电机的当前转速信号并基于当前转速信号调整或修改对直流电机的驱动信号，从而防止转速波动过大。

为实现对直流电机的转速的稳定性监测控制，现有技术中存在两种方案：第一种是，通过转速器实时测量直流电机的转速并输出反映该转速的模拟信号，然后通过模拟PID（Proportion Integration Differentiation，比例积分微分）控制器输出驱动信号来调整直流电机的转速；第二种是，使用数字编码器实时测量直流电机的转速并输出反映该转速的数字信号，然后通过数字控制器输出驱动信号来调整直流电机的转速。

以上第一种方案的缺点是，模拟PID控制器自身容易差生误差输出，因此，非常依赖于人工的专业校准来保证模拟PID控制器的自身精度，大大增加人力成本。

以上第二种方案的缺点是，数字编码器昂贵，并且，数字编码器的输出信号的脉冲频率一般在10000Hz以下，以直流电机的转速为1.2RPM（转每分钟）为例，每个脉冲周期将达到5ms，意味着从测量电机的转速至将该转速对应的数字信号传输到数字控制器已经逝去了5ms，从而难以满足较小时间间隔（诸如0.3毫秒）下控制电机的转速稳定性的要求，实际使用时直流电机转速的误差也较大、转速稳定性差。

实用新型内容

为解决以上技术问题的至少一方面或者其他技术问题，本实用新型提供以下技术方案。

按照本实用新型的一方面，提供一种直流电机的转速控制装置，包括直流电机驱动电路，并且还包括：

安装在所述直流电机上的转速器，其用于实时测量所述直流电机的转速并输出反映该转速的模拟信号；

模数转换器，其用于将所述转速器输出的模拟信号转换为数字信号；以及

数字控制器，其用于基于所述数字信号输出驱动信号至所述直流电机驱动电路。

根据本实用新型一实施例的转速控制装置，其中，所述转速控制装置还包括设置于所述转速器的输出端与所述模数转换器的输入端之间的分压电路和单向滤波电路；

其中，所述分压电路用于将所述模拟信号进行分压处理，所述单向滤波电路用于对分压处理后的模拟信号进行单向滤波处理后输出至所述模数转换器。

具体地，所述单向滤波电路可以通过二极管实现。

具体地，所述数字控制器可以为微处理器控制器。

根据本实用新型一实施例的转速控制装置，其中，所述转速控制装置被配置为控制所述直流电机的转速保持在（X±10%）转每分钟，其中，X表示预定的恒定转速值，X大于或等于1。

根据本实用新型一实施例的转速控制装置，其中，所述数字控制器被配置为每隔0.3-0.65毫秒基于当前的所述数字信号调整输出所述驱动信号。

在之前所述实施例的转速控制装置中，所述转速器和所述模数转换器共同地被配置为使得从所述转速器测量所述直流电机的转速至所述模数转换器输出相应的数字信号的时间间隔小于或等于0.05毫秒。

在之前所述实施例的转速控制装置中，所述模数转换器被配置为对所述模拟信号的采样频率大于或等于0.1兆赫兹。

根据本实用新型一实施例的转速控制装置，其中，所述数字控制器为数字比例积分微分控制器。

按照本实用新型的又一方面，提供一种切片机，用于对软组织样品进行切片，其包括：

切刀；

用于驱动控制所述切刀对所述软组织样品的切割动作的直流电机；

位于所述切刀和所述直流电机之间的传动部件；和

以上任一所述的转速控制装置，其用于控制所述直流电机的转速。

本实用新型的直流电机的转速控制装置采用输出模拟信号的转速器并搭配模数转换器，从而能够输出反映转速的数字信号至数字控制器，避免模拟控制器，不需要人工专业校准，整体实现成本低；而且，转速控制装置使用的上述各个部件的反映处理速度快，容易实现在较小时间间隔下不断调整输出直流电机的驱动信号，从而可以在较小时间间隔下不断调整控制直流电机的转速以使其保持在预定值，因此，直流电机的转速误差小、转速稳定性好。

使用本实用新型的直流电机的转速控制装置的切片机的切刀的切割动作速度均匀、稳定，切出的片状样品质量好，并且，有利于降低切片机的整体成本。

附图说明

从结合附图的以下详细说明中，将会使本实用新型的上述和其他目的及优点更加完整清楚，其中，相同或相似的要素采用相同的标号表示。

图1是按照本实用新型一实施例的直流电机的转速控制装置的结构示意图。

图2示意图1所示实施例的转速控制装置的工作原理。

图3是按照本实用新型一实施例的切片机的结构示意图。

图4是图3所示实施例的切片机的每2ms切割速度/电机转速误差测试结果示意图。

具体实施方式

下面介绍的是本实用新型的多个可能实施例中的一些，旨在提供对本实用新型的基本了解，并不旨在确认本实用新型的关键或决定性的要素或限定所要保护的范围。容易理解，根据本实用新型的技术方案，在不变更本实用新型的实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出可相互替换的其他实现方式。因此，以下具体实施方式以及附图仅是对本实用新型的技术方案的示例性说明，而不应当视为本实用新型的全部或者视为对本实用新型技术方案的限定或限制。

图1所示为按照本实用新型一实施例的直流电机的转速控制装置的结构示意图，图2示意图1所示实施例的转速控制装置的工作原理。结合图1和图2所示，本实用新型实施例的转速控制装置用于控制直流电机10的转速，以使直流电机10的转速稳定并精确地保持在某一预定的速度，因此，转速控制装置需要基本实时地测量直流电机10的转速、并基于测量的转速反馈结果来调整控制直流电机10的转速，以上每次调整控制过程需要在较小时间间隔下完成，从而保证直流电机转速在较小时间间隔下波动较小，例如直流电机的转速在较小时间间隔下控制在±10%误差波动范围内。

如图1和图2所示，直流电机10的转速控制装置主要地包括转速器110、模数转换器（ADC）120、数字控制器130和直流电机驱动电路140。以直流电机10工作在切片机中为示例进行说明，在该实施例中，切片机要求切刀的切割工作缓慢且稳定，例如具体要求切刀的切割速度为10微米/秒、在每2毫秒内的切割距离误差小于或等于±10%，因此，对于驱动切刀进行切割动作的直流电机10，要求其转速基本恒定在1.2RPM、每0.3ms能够完成一次直流电机转速的调整控制过程，即要求直流电机10能在较慢的恒定转速下持续稳定地工作。

继续如图1和图2所示，转速器110用于实时测量直流电机10的转速并输出反映该转速的模拟信号111，转速器110被安装在直流电机10上，在直流电机10转动时，转速器110上的线圈可以感应转动的直流电机10中的磁场变化，从而产生交流信号，也即获得模拟信号111。在一实施例中，模拟信号111是峰值为±20V的交流信号，其能反映直流电机10的当前实际转速，也即包含有直流电机10的当前转速信息。需要理解的是，在直流电机10持续转动的情况下，转速器110能持续输出这种模拟信号111。

需要说明的是，转速器110的具体类型和工作原理并不限于以上具体实施例，任何能够测量直流电机转速并输出反映直流电机10的当前实际转速的模拟信号111的转速测量装置均可以应用于此。

需要理解的是，以上实施例中，由于转速器110是输出模拟信号111，将直流电机110的转速信息采集作为模拟信号111输出的过程一般相对较快，例如，可以在0.01ms内完成，容易满足以较快速度提供速度反馈信号（即模拟信号111）的要求；并且，这种类型的转速器110一般成本低，例如相对数字编码器130美元左右的价格，转速器110的成本可以控制在20美元左右。

继续如图1和图2所示，ADC120用于将转速器110输出的模拟信号111转换为数字信号121，从而使该反映转速的信号适于在数字控制器130中进行处理。ADC120的具体类型不是限制性的，在一实施例中，如图2所示，为满足ADC120的模拟输入信号的要求，需要在模拟信号111输入至ADC120之前进行相应的信号处理以得到模拟信号111c，其中，模拟信号111a是转速器110直接输出的模拟信号，其例如是正弦波形式的交流信号，峰值达到±20V；转速器111的输出端设置有分压电路，具体地，分压电路为两个串联的分压电阻R1和R2，例如，R1=10兆欧姆、R2=1.2兆欧姆，通过采样输出分压电阻R2上所偏置的电压信号，分压电路输出如图2中所示的模拟信号111b，此时，模拟信号的电压被降低到ADC120所能接受的水平；进一步，ADC120的输入端之前设置有单向滤波电路115，具体地，单向滤波电路115可以通过二极管实现，这样，单向滤波电路115输入得到如图2所示的模拟信号111c。模拟信号111c被直接输入至ADC120的输入端。

需要理解的是，尽管以上示例中对转速器110原始输出的模拟信号111a进行了分压、滤波等信号处理，但是，该处理过程并没有改变模拟信号111作为所测量的直流电机转速信息载体的本质，因此，模拟信号111b和模拟信号111c都属于模拟信号111的范畴，并且，在后续处理过程中，均能够从被处理过的模拟信号111上采样分析得到直流电机的转速信息。还需要理解的是，以上分压电路、单向滤波电路的实现成本非常低、处理时间也非常短，相对其他部件基本可以忽略不计，并且，ADC120成本可以控制在4美元左右。

进一步需要说明的是，ADC120还具有工作速度快的优点，对模拟信号111进行模数转换的时间可以相对容易地控制在0.01ms内，例如，可以使用采样频率大于或等于0.1兆赫兹（如1MHz）的ADC。因此，应当理解到，以上实施例中，从转速器110测量直流电机10的当前转速至ADC120输出相应的数字信号121的时间间隔容易控制在小于或等于0.05ms，甚至可以容易地控制在0.03ms（转速器110耗时0.01ms+ADC120进行转换耗时0.01ms+ ADC120输出至数字控制器0.01ms）左右。因此，相比于以上现有的第二种方案，从测量电机的转速至将该转速对应的数字信号传输到数字控制器的时间间隔大大缩短。

继续如图1和图2所示，ADC120输出的数字信号121被数字控制器130接收，数字控制器130用于基于数字信号121输出驱动信号131至直流电机驱动电路140，具体以数字控制器130为数字PID（比例积分微分）控制器进行示例说明，数字PID控制器基于数字信号121进行PID（比例积分微分）处理以输出驱动信号131至直流电机驱动电路140。在本实用新型中，使用数字控制器130而不使用现有的第一种方案中的模拟PID控制器，这是由于，数字控制器130自身的输出精度容易控制，不需要依赖于人工的专业校准来保证PID控制器的自身精度，因此，大大降低人力成本。

在一实施例中，数字控制器130与ADC120之间可以SPI（串行***接口）连接，数字控制器130具体可以使用但不限于微处理器控制器（MCU）实现，具体PID处理过程也不是限制性，例如可以基于预定的恒定转速值（例如1.2RPM）对应的信号以及反映转速的数字信号121进行PID处理，从而可以基于当前测量的转速调整或修改或更新输出的驱动信号131。

数字控制器130输出的驱动信号131具体可以为脉冲宽度调制（PWM）形式的信号，数字控制器130在PID处理过程中可以调整或修改PWM信号的脉冲宽度等，从而使直流电机10的转速从偏离的转速值复原至预定的恒定转速值；数字控制器130被配置为每隔0.3-0.65毫秒（例如，0.3ms）基于当前的数字信号121调整输出驱动信号131，从而不停地每隔较小时间段来调整驱动信号，持续保证直流电机10的转速在例如每0.3毫秒的时间间隔下相对稳定在±10%误差的范围内。

基于以上示例说明将理解到，以上实施例的转速控制装置采用输出模拟信号的转速器110并搭配ADC120，从而能够输出反映转速的数字信号至数字控制器130，避免使用模拟控制器，不需要人工专业校准，整体实现成本低；而且，转速控制装置使用的上述各个部件的反映处理速度都比较快，每完成一次直流电机转速的调整控制过程耗时非常短，例如可以在0.3ms内完成，可以在较小时间间隔下不断调整控制直流电机的转速以使其保持在预定值，因此，可以使直流电机10的转速误差小、转速稳定性好。

需要说明的是，以上实施例的直流电机10及其转速控制装置并不限于应用于以上示例的切片机中，其还可以用于其他要求每隔较小时间间隔（例如0.3ms-0.65ms）调整直流电机的转速以使转速保持稳定的设备中，直流电机10的转速也不限于在以上示例的值，例如，转速可以在1RPM-10 RPM，或者在更高转速的范围中。

图3所示为按照本实用新型一实施例的切片机的结构示意图。图3所示实施例的切片机使用了如图1中所示实施例的转速控制装置，其中，该切片机可以用来对软组织样品等进行切片，从而形成片状样品90。切片机除使用直流电机10及其转速控制装置外，还使用切刀50以及切刀50与直流电机10之间的传动部件，在一实施例中，传动部件包括对应设置在直流电机10的输出端的第一螺杆20、设置在切刀50一端的第二螺杆40、滑轮组30，滑轮组30用于在第一螺杆20和第二螺杆40之间进行传动，滑轮组30的传动比可以但不限于为1：1。直流电机10带动第一螺杆20转动、并通过滑轮组30传动至第二螺杆40、第二螺杆40的转动带动切刀50进行切割动作，因此，直流电机10的转动将间接地驱动控制切刀50对软组织样品的切割动作。由于片状样品90通常质量要求高，在该实施例中，要求控制切刀50的切割速度控制在较小的预定值，例如，控制在7-20微米/秒范围内的某一预定值（例如10微米/秒、15微米/秒等），并且，要求控制切刀50的切割速度在每2-5ms内（例如，2ms、3ms等）的切割距离误差小于或等于±10%，这将体现在对直流电机10的转速控制要求，例如，要求直流电机10的转速基本恒定在1.2RPM、每0.3ms能够完成一次直流电机转速的调整控制过程，使直流电机10的转速的误差始终控制在±10%范围内。

如上所述，通过使用以上实施例的转速控制装置，可以较好地满足上述对切刀的切割动作控制要求，切刀的切割动作速度均匀、稳定，使用本实用新型实施例的切片机也相对容易获得质量稳定的片状样品90。并且，有利于降低切片机的整体成本。

图4所示为图3所示实施例的切片机的每2ms切割速度/电机转速误差测试结果示意图。图4中反映了每2ms所测量反馈得到的切割速度误差，也即每2ms的直流电机10的电机转速的误差，可以看到，转速控制装置不但可以实现切割速度/电机转速稳定地控制在±10%的误差范围内。

以上例子主要说明了本实用新型的直流电机的转速控制装置以及使用该装置的切片机。尽管只对其中一些本实用新型的实施方式进行了描述，但是本领域普通技术人员应当了解，本实用新型可以在不偏离其主旨与范围内以许多其他的形式实施。因此，所展示的例子与实施方式被视为示意性的而非限制性的，在不脱离如所附各权利要求所定义的本实用新型精神及范围的情况下，本实用新型可能涵盖各种的修改与替换。

Claims (10)

1.一种直流电机的转速控制装置，包括直流电机驱动电路，其特征在于，还包括：

安装在所述直流电机上的转速器，其用于实时测量所述直流电机的转速并输出反映该转速的模拟信号；

模数转换器，其用于将所述转速器输出的模拟信号转换为数字信号；以及

数字控制器，其用于基于所述数字信号输出驱动信号至所述直流电机驱动电路。

2.如权利要求1所述的转速控制装置，其特征在于，所述转速控制装置还包括设置于所述转速器的输出端与所述模数转换器的输入端之间的分压电路和单向滤波电路；

其中，所述分压电路用于将所述模拟信号进行分压处理，所述单向滤波电路用于对分压处理后的模拟信号进行单向滤波处理后输出至所述模数转换器。

3.如权利要求2所述的转速控制装置，其特征在于，所述单向滤波电路通过二极管实现。

4.如权利要求1所述的转速控制装置，其特征在于，所述数字控制器为微处理器控制器。

5.如权利要求1所述的转速控制装置，其特征在于，所述转速控制装置被配置为控制所述直流电机的转速保持在X±10%转每分钟，其中，X表示预定的恒定转速值，X大于或等于1。

6.如权利要求1所述的转速控制装置，其特征在于，所述数字控制器被配置为每隔0.3-0.65毫秒基于当前的所述数字信号调整输出所述驱动信号。

7.如权利要求6所述的转速控制装置，其特征在于，所述转速器和所述模数转换器共同地被配置为使得从所述转速器测量所述直流电机的转速至所述模数转换器输出相应的数字信号的时间间隔小于或等于0.05毫秒。

8.如权利要求7所述的转速控制装置，其特征在于，所述模数转换器被配置为对所述模拟信号的采样频率大于或等于0.1兆赫兹。

9.如权利要求1所述的转速控制装置，其特征在于，所述数字控制器为数字比例积分微分控制器。

10.一种切片机，用于对软组织样品进行切片，其特征在于，包括：

切刀；

用于驱动控制所述切刀对所述软组织样品的切割动作的直流电机；

位于所述切刀和所述直流电机之间的传动部件；和

如权利要求1至9中任一项所述的转速控制装置，其用于控制所述直流电机的转速。