运动控制技术的医学和实验室应用趋势

介绍

在这篇文章中，我们将着眼于运动控制技术应用于医疗和实验室设备的四个重要趋势。这些应用包括用于手术、患者治疗、患者成像的自动化设备，以及在实验室操作的各种机器，如血液分析仪、DNA测序仪、化学和生物分析仪等。

这四种趋势的背后都是计算能力和放大器电子设备成本的快速和根本性变化，以至于我们现在所处的运动控制技术时代可以称为后小型化、后规范时代。

通过这一点，我们的意思是，电子已经变得如此小，能够驱动如此高的电流，运动控制电子现在很少限制控制器包的大小。相反，尺寸往往受到连接器和安装在机器上的控制器维修的实际限制。

我们指的是后规范时代运动控制器和电机放大器现在常规提供伺服环率，PWM(脉宽调制)频率和电流控制频率如此之高，由于电机的物理限制，进一步改善这些规格将导致性能的改善，如果不是消失，也会逐渐减少。

那么，在一个运动控制电子设备如此小巧、控制器速度尽可能快的世界里，接下来会发生什么呢?这就是我们将在这篇文章中探讨的，专注于四种运动控制技术，使我们超越原始的性能，并提供真实而有意义的新能力，医疗和实验室机械的设计师可以在他们的下一代设计中利用。

1)新的编码器技术正在激增

旧的备用正交编码器加入了一系列新的位置传感技术和数据传输格式，为医疗机械制造商提供了新的封装和控制器选项

对于定位运动控制应用，一种反馈装置，带正交输出的增量式光学编码器，长期以来一直是首选。凭借低成本和“足够好”的分辨率，这种编码器在今天的运动控制市场上以单位体积占主导地位。但在过去的十年里，新的编码器传感技术出现了爆炸式增长，同样重要的是，还有将位置数据发送到运动控制器的新方法。

传感位置的基础从将要测量的电机和机构开始。一般来说，位置传感器有旋转或线性配置，反映了两种主要类型的电机执行器，旋转和线性。

图1：增量旋转式光电编码器

图1描绘了基本的旋转光学编码器，它使用两条线(称为A和B)以正交格式输出位置信息，还提供了一个每次旋转一次的索引脉冲(称为I或Index)。一个指数脉冲提供一个简短的输出信号，每一次旋转的电机。此信号可用于寻的过程中，或自动计数损失校正。

在大多数正交编码器中，A、B和Index信号是差分驱动的，以减少通过外部电噪声丢失计数的机会。但这远非万无一失，尤其是在工业设备恶劣的环境中。

我绝对使用绝对编码器

除了在移动过程中可能的计数损失外，增量系统的另一个含义是编码器在唤醒时不知道它在哪里。对于许多系统来说，这很容易通过在启动过程中执行归航顺序来纠正，但对于其他应用程序来说，有必要随时知道您所处的位置。

这将我们带到位置编码器的第二大类，绝对位置编码器，其中光学绝对位置传感器是最常见的。顾名思义，这些编码器随时都知道自己在哪里。对于旋转电机，它们有单圈或多圈版本，输出数字字为二进制格式，或一种特别适用于称为灰色编码的编码器的替代格式。

在过去，绝对编码器有很厚的线束来携带14位、16位、18位或更多的位置信息。然而，越来越多的绝对编码器使用串行格式，如bis或SSI(同步串行接口)，以减少所需的电线的负载，以通信的位置运动控制器．我们将在本文中进一步讨论用于编码器的各种类型的串行数据格式。

我想坚持与众不同

除了光学增量和绝对编码器之外，还有一系列不断扩展的创新技术，以更低的成本提供更高的分辨率位置。除了光学传感技术外，磁传感也越来越流行，一些编码器采用电容传感。

磁编码器使用电磁或磁电阻传感元件，通常以正交格式输出。这种技术的早期模型的分辨率类似于低端的光学正交编码器，但随着技术的成熟，这种分辨率也在迅速变化，现在可以随时获得更高分辨率的单元。

图2：直接集成到PCB上的磁性编码器传感元件

磁编码器最大的优点是传感器和编码盘/表面是无触点的，因此可以完全密封，导致对污垢和其他干扰的容忍。另一个很大的优点是编码面和传感元件的对齐相对来说是非关键的。这打开了将传感元件直接集成到运动控制器PCB(印刷电路板)的可能性，从而允许新的和非常紧凑的封装选项。如上面的图2所示。

另一种快速发展的编码器技术是所谓的Sin/Cos编码器，其输出波形如图3所示。本质上是标准的A, B正交编码方案的编码变化，Sin/Cos编码器输出正弦变化的A和B信号，而不是二进制的A和B输出。然后这些正弦输出被电子外推以获得更多的位置信息。根据信号的质量，分辨率可以从16倍一直扩展到1000倍。

图3:Sin/Cos编码器输出波形

Sin/Cos编码器之所以如此流行，特别是对于XYZ级等高分辨率线性应用，是因为它们能够实现1纳米或更高的分辨率，但成本较低。因为它们在传感器中需要最少的额外电子设备，并且因为它们提供了一个简单的控制器友好接口，该接口由四个差分编码的模拟信号（sin+、sin-、cos+和cos-）组成，所以在传感器和控制器中实现它们都是经济高效的。

一个通过陆地，两个通过数字串行接口

随着用于医疗应用的运动控制变得对尺寸和重量更加敏感，高速串行和基于网络的编码器数据格式得到了广泛的应用。对于高端的绝对编码器，它们已经从提供16位、20位、24位甚至更多，串行网络是事实上的标准，因为并行编码器的并行线方法太笨拙了。

数字串行编码器数据网络最常见的标准是SSI(同步串行接口)和它的大哥bis(双向串行同步接口)。这些接口的核心是使用一个SPI(串行外围接口)连接两个数据信号和一个时钟信号来从编码器向主控制器传输位置数据。

Endat串行接口是一种较新的串行网络，概念上类似于SSI，但增加了一些曲折，比如更高的数据速率和对Sin/Cos编码器的直接支持。虽然它越来越受欢迎，但是否会成为一个广泛采用的开放标准仍有待观察。

最后，还有一个很大的类别编码器格式驻留在各种流行的机器控制网络中，如Profibus、CANOpen、Modbus、Devicenet等。如果运动控制器已经在使用其中一个网络，那么这些接口也是编码器连接的逻辑选择。但是，作为一个仅用于编码器的接口，可能不会。

总结

对于医疗设备设计人员在旋转和线性编码器传感技术和信号传输格式的新选择，使产品变得更紧凑、可靠、坚固和更便宜。目前，编码器技术创新是运动控制发展中最活跃的领域之一，这一趋势似乎将持续到未来。

Prodigy/CME机器控制器

PMD的神童®/ CME电机控制器电路板为医疗、科学、自动化、工业和机器人应用提供高性能运动控制。这些多功能一体式控制器支持正交、正弦/余弦和SSI编码器格式，并提供1、2、3和4轴配置，支持直流电刷、无刷直流和步进电机。Prodigy/CME机器控制器具有车载阿特拉斯放大器这样就不需要外部放大器了。