一种应用于注射器的电机监控方法及系统与流程

本发明涉及药物注射领域，具体涉及一种应用于注射器的电机监控方法及系统。

背景技术：

1、目前，电动助力的自动化注射器对于电机运行精度的依赖性相对偏高。尤其是在外部负载较大时，注射器的注射稳定性很容易受到外部负载变化或电机性能的影响。

2、为了保证药物注射的精度要求，常见的方法是选用直流电机作为注射器的助力电机。

3、例如，参见申请号为cn202210625619.6的发明专利申请，其公开了一种多级闭环电机控制系统和电子注射装置。该闭环电机控制系统包括：电流环、速度环和位移环；电流环配置为实时采集电机的实际电流，并基于实际电流和电机的目标电流的差值经电流调节器调节电机的电枢电流；速度环配置为实时采集电机的实际速度，并基于实际速度和电机的目标速度的差值经速度调节器调节电机的速度；位移环配置为实时采集电机的实际推进位移，并基于实际推进位移和电机的目标推进位移的差值经位移调节器调节电机的位移。

4、又例如，参见申请号为cn201680056894.3的发明专利申请，其公开了一种泵送流体的装置。所述装置包括电机、驱动齿轮、转齿轮、环形磁体和传感器，其中，电机用于驱动可旋转的驱动轴；驱动齿轮配置成由驱动轴驱动；空转齿轮与驱动齿轮啮合；环形磁体与驱动轴同轴地设置，并且配置成随着驱动轴一起旋转；传感器用于感测环形磁体的旋转，并且产生与驱动轴的旋转位置对应的输出信号。

5、上述专利所公开的助力方案均优选直流电机作为电动助力单元。然而，直流电机一方面是造价成本较高；另一方面是在真实注射过程中，直流电机也会因为负载变化等原因发生丢步故障，为了解决这一问题，所需要部署的监控、维护成本也相对较大。因此，对于实际兽用注射需求而言，直流电机助力的综合应用成本偏高。

6、为了降低注射器的使用成本，目前也可以选择低成本的步进电机作为注射器的电动助力单元。但是，步进电机在兽用注射的应用中也存在一定的缺陷，即步进电机的注射精度、安全稳定性相对偏低。例如，当负载变化越大，步进电机出现丢步、堵转等故障的几率也越大。为了解决步进电机在注射过程中的丢步、堵转等故障，主要有以下几类方式：

7、1)开环控制电机转速

8、例如，申请号为cn202011085749.2的发明专利申请，其公开了一种连续注射器的控制方法、装置及连续注射器。该方法在电机出现丢步故障时，仅能通过减低转速的方式来调整速度，其调节能力非常有限。

9、例如，申请号为cn201710823083.8的发明专利申请，其公开了面向多品牌注射器的高精度安全微量注射泵和方法。该方法在起动加速和制动减速阶段，采用开环速度控制；匀速阶段，采用闭环位移控制。然而，这种开环控制方法也难以准确地解决因大负载变化所产生的精度误差或转动故障问题。

10、2)闭环控制电机转速

11、例如，申请号为cn201710830087.9的发明专利申请，其公开了一种基于闭环反馈的精确控制注射泵输液量的装置。该装置利用arm处理器产生脉冲信号，驱动步进电机推动注射器输注药液，位置传感器实时采集注射器推杆运动的位置值，并上传至arm处理器，微处理器经过分析、计算，得出已输药液量，根据已输量和预输量的差值，调节脉冲信号，控制电机运动，从而实现闭环精确输液。

12、又例如，申请号为cn202211596594.8的发明专利申请，其公开了一种注射笔剂量控制方法及系统。该控制方法提供了一个速度闭环控制以调节注射速度，同时提供一个监测装置以监测电机运行的转速和位置，以避免电机的运转与目标值之间出现过大的差值。

13、上述闭环控制方法虽然能够在一定程度上对注射的剂量或者速度进行调节。但是，对于兽用药物注射场景来说，尤其是针对猪、牛、马等体型较大的养殖动物，药物注射过程中的负载变化非常大。因此，越到注射的后期阶段，步进电机的调节难度会越大，极容易出现速度达标剂量不准，或者剂量达标当速度不准等问题。

14、因此，当前亟需一种能够对注射器的注射过程进行稳定调节的调节方案。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种用于注射器的监控方法，部分地解决或缓解现有技术中的上述不足，能够在外部负载变化较快的情况下，使得电机能够保持稳定、安全运行。

2、为了解决上述所提到的技术问题，本发明具体采用以下技术方案：

3、本发明的第一方面，在于提供一种应用于注射器的电机监控方法，包括步骤：

4、s101获取预先输入的所述注射器的目标注射位置d1、目标注射时长t1、调整注射时长t3；

5、s102通过位置监测模块监控所述注射器的注射推杆的实际注射位置d2；

6、s103通过速度监测模块监控所述注射器的电机的实际注射速度v2；

7、s104根据所述目标注射位置d1、目标注射时长t1、实际注射位置d2中的至少一个参数通过预设的第一调整规则确定所述注射器在调整注射时长t3下的期望注射位置d3；

8、s105将所述期望注射位置d3、实际注射位置d2、调整注射时长t3以及实际注射速度v2输入预设的第一脉冲信号调整模型，所述第一脉冲信号调整模型为：

9、

10、其中，u1(t)为脉冲信号的频率，kp为第一比例增益，tt为第一积分时间常数，td为第一微分时间常数，λ为调节系数。

11、在一些实施例中，在s105之前，还包括步骤：

12、s106获取验证数据集并将其输入第一验证模型，且所述验证数据集包括：目标注射位置d1、实际注射位置d2、目标注射时长t1、实际注射时长t2；所述第一验证模型为：

13、

14、其中，δ为预设的速度阈值，v1为目标注射速度；

15、其中，当所述验证数据集符合所述第一验证模型时，则执行步骤s105；当所述验证数据集不符合所述第一验证模型时，则执行以下步骤：

16、s107获取速度调节变量，并将所述验证数据集和所述速度调节变量输入第二验证模型，所述第二验证模型为：

17、

18、

19、其中，δv为速度调节变量，δ为预设的速度阈值，δt为预设的时间阈值；

20、且当所述速度调节变量符合所述第二验证模型时，则执行步骤：

21、s108根据所述速度调节变量和所述调整注射时长t3计算出新的期望注射位置，并利用新的期望注射位置对s104中的所得的期望注射位置d3进行更新；

22、若否，则向用户和/或注射器发出提示信号。

23、在一些实施例中，还包括步骤：

24、当所述实际注射位置和所述目标注射位置之间的差值大于预设的第一阈值时，则向用户和/或所述注射器发送相应的第一警示信号。

25、在一些实施例中，还包括步骤：

26、当所述实际注射速度和目标注射速度之间的差异大于预设的第二阈值时，则向用户和/或所述注射器发送相应的第二警示信号。

27、在一些实施例中，所述方法还包括步骤：

28、s109将所述期望注射位置、实际注射位置输入至预设的第二脉冲信号调整模型，且所述第二脉冲信号调整模型为：

29、

30、其中，u2(t)为脉冲信号的数值，kp′为第二比例增益，tt′为第二积分时间常数，td′为第二微分时间常数，d3为期望注射位置，d2为实际注射位置；

31、s110将所述脉冲信号的数值输入至所述电机的驱动模块。

32、在一些实施例中，所述位置监测模块包括：设置在所述推杆上的第一磁性元件，用于形成检测磁场的第二磁性元件，以及用于检测所述检测磁场的磁感应元件；其中，当所述推杆移动时，所述检测磁场将在所述第一磁性元件的作用下产生变换，且所述磁感应元件能够检测到对应的变换。

33、在一些实施例中，所述速度监测模块包括：编码器，所述编码器与所述电机的输出轴相连接以识别所述电机的转动角度。

34、在一些实施例中，所述电机为步进电机。

35、本发明第二方面还提供了一种应用于注射器的电机监控系统，包括：

36、输入数据获取模块，被配置为用于获取预先输入的所述注射器的目标注射位置d1、目标注射时长t1、调整注射时长t3；

37、第一监测模块，被配置为用于通过位置监测模块监控所述注射器的注射推杆的实际注射位置d2；

38、第二监测模块，被配置为用于通过速度监测模块监控所述注射器的电机的实际注射速度v2；

39、期望注射位置确定模块，被配置为用于根据所述目标注射位置d1、目标注射时长t1、实际注射位置d2中的至少一个参数通过预设的第一调整规则确定所述注射器在调整注射时长t3下的期望注射位置；

40、第一信号调整模块，被配置为用于将所述期望注射位置d3、实际注射位置d2、调整注射时长t3以及实际注射速度v2输入预设的第一脉冲信号调整模型，所述第一脉冲信号调整模型为：

41、

42、其中，u1(t)为脉冲信号的频率，kp为第一比例增益，tt为第一积分时间常数，td为第一微分时间常数，λ为调节系数。

43、第一信号输出模块114，被配置为用于将所述脉冲信号的频率发送给所述电机的驱动模块。

44、在一些实施例中，所述注射器包括：

45、第一验证模块106，被配置为用于获取验证数据集并将其输入第一验证模型，且所述验证数据集包括：目标注射位置d1、实际注射位置d2、目标注射时长t1、实际注射时长t2；所述第一验证模型为：

46、

47、其中，δ为预设的速度阈值，v1为目标注射速度；

48、其中，当所述验证数据集符合所述第一验证模型时，则向所述第一脉冲信号调整模块发送相应的控制信号，所述第一信号调整模块响应于所述控制信号输出脉冲信号的频率。

49、有益技术效果：

50、对于不同的注射场景，如猪的品种、猪龄不同，需要注射不同类型或剂量的疫苗或者兽药。以成年猪的兽药注射为例，兽药的注射通常呈大剂量高速度的特点。并且，当兽药的粘度较高时，其在注射过程中的负载变化非常明显，这也将严重影响注射器的实际注射精度。此外，注射器中的驱动电路也会对电机的运行情况产生一定的干扰。

51、为了解决大剂量高速度注射过程中的负载变化大、驱动电路干扰等问题，本发明提供了一套适用于注射器的电机监控方法。与现有技术不同的是，本发明的目的并不在于控制实际工作值(如真实注射速度、位置、时间等)与目标设定值(如目标注射速度、位置、时间等)两者的完美契合，而在于在合理控制实际工作值与目标设置值之间的差异范围的基础上，以调节压力相对较小的方式(或者说，调节难度较小的方式)协调电机的丢步、堵转等故障。因此，本发明的监控方法在保证注射安全性与有效性的基础上，还在一定程度上降低了注射器对于步进电机性能的要求，进而减小了注射器的应用、维护成本。

52、并且，本发明的监控方法还可以在一定程度上增大调整注射时长t3的设置数值，从而有助于降低步进电机在真实注射过程中的转速调节压力。

53、进一步地，本发明采用第一信号调整模型和第二信号调整模型分别对脉冲信号的脉冲频率和脉冲数值进行相对独立地调节，这也在一定程度上增强了两个闭环控制路线的独立性。其中，两条相对独立的闭环控制路线可以增强整套电机监控方案的容错率(也即抗干扰性)。换句话说，与现有的单环控制或多环控制方式不同，本发明一方面是有限地选取两条闭环控制路线以控制电机运行，从而提高电机监控方案的可靠性与准确性；同时采用双调整模型分别控制的方式增强两个闭环控制路线的独立性，以增强了整套监控方案在实际注射过程中的调节应变能力。