一种直流无刷伺服系统驱动的模块化移液器及其控制方法与流程

1.本发明涉及移液器技术领域，具体涉及一种直流无刷伺服系统驱动的模块化移液器及其控制方法。


背景技术：

2.在生化领域的检测和/或实验中均涉及到将少量液体在不同容器之间的转移，在少量的样本液或其他液体转移时，采用人工方案可以实现，然而这种转移量的精确性严重依赖于操作员的经验，另外有些存在污染风险的场景下人工操作则可能对于操作人员来说存在安全风险，随着科技的进步更多的自动化设备进入了该领域内，相比而言自动化设备具有移液量一致性高，连续性好，质量可控等优势。自动型模块化移液器被设计出，以满足设备内自动化移液场景需求，该类型移液器通常还具备体积小可并行多组安装等优势。
3.早在上世纪七八十年代就开始了精确移液量控制的移液器方案研究，美国专利申请us4369665a设计了一种手持类型的移液设备，并设计了一种配套控制电路以对小体积移液量精确控制，同时配合两个极限位置的止动装置限定了移液器的活塞杆运动范围，需要注意的是在本技术中其明确地限定了移液器的驱动电机为步进电机。1984年10月递交的美国专利申请us4586546a公开了一种配置驱动运动系统的移液器，该设计将移液器配置于能横向和纵向运动的坐标轴系统内，通过步进电机的驱动能实现不同位置的以及抽吸转移的效果，需要注意的是该设计公开的移液器并非单模块化移液器，因此不适宜现代化自动设备中集成度要求高的场景中对于不同功能模块的模块化设计要求，并且这种类型移液存在不同样本孔移液量的差异，维护维修成本也更高。美国发明专利申请us5507193a则设计了一种非手持类型的模块型移液器，也为后续自动化设备中的模块化移液器设计提供了思路。美国发明专利us7314598b2则最早也最为完善地保护了模块化移液器设计方案，并公开了利用多组该类型的移液器进行并行化液体转移的方案，该方案中驱动模块化移液器的驱动电机为步进电机，当驱动脉冲信号被激活时能够利用移液器链接的一次性耗材吸取或者排除液体，同时在每个移液器模块内配置有压力传感器，其由最佳的位置连通于移液器的活塞筒内，实现移液器对液面探测和控制移液耗材插入液面深度的控制。在此基础上帝肯公司设计了一种步进电机驱动的模块化移液设备cavro adp，通过大齿轮的减速传动机构将步进驱动电机和移液器塞杆相连接能实现25nl/步的驱动精度，该类型的移液器常见于各种医疗设备上。国内的厂家也采用了步进电机进行了对标设计，这些类型的移液器包含深圳大肯设计的adp1000，其采用了步进电机带动丝杆丝母驱动柱塞，集成编码器实现闭环控制，能实现更准确的位置控制。在专利文献中也有较多的明确地表明其驱动电机为步进电机，中国实用新型专利cn204314318u公开了一种步进电机驱动带轮传动进而进行移液的方案，cn212255375u也公开了一种步进电机驱动移液器运行丝杆的方案等等。
4.由于步进电机在模块化移液器研究比较早，多数厂家也沿用了步进电机作为驱动源进行移液器设计，然而步进电机设计初衷为利用预定的步进角进行电机转子的控制，该设计可以保证精度但是其运转速度则存在着严重的局限性。步进电机有最低步数要求，为
了达到设定速度要求，一般配置减速机构提升驱动扭矩，步进电机驱动力通常存在冗余设计，其对于负载突变的情况存在不适用，例如堵塞等可能造成步进电机运行的可靠性降低，且存在功耗较大产生废热较多的问题。目前设计的移液器为了保障结构的紧凑一般只配置一个驱动电机，但是移液器涉及的工况比较复杂，在不同步骤对于电机的要求差异较大，而目前采用的步进电机对于场景的差异过大的状况适应度较差，例如移液器需要执行较快的吸液/排液动作，也需要执行扭矩需求高的移液耗材卸载动作，如此为了可靠卸载移液耗材，需要配置一些大传动比的减速机构，进而获得较大的转矩，例如蒂肯设计的移液器具有一个直径很大的齿轮传动机构，这样使得系统设计也非常复杂，另一方面使用普通的步进电机，在吸液/排液动作中又难以保证快速的需求，国内一些厂家从移液器与移液耗材的连接紧密度上进行了简化来解决这一问题，但是过松弛的连接意味着密封性能较差，难以保证移液精度同时存在转移液体过程中由于外力导致的滴液风险，为了更适应模块化移液器使用在精确移液的长时间运行等严苛条件下，对于移液器驱动源的研究非常有必要。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于：针对上述存在的问题，本发明提供一种直流无刷伺服系统驱动的模块化移液器及其控制方法，采用了直流无刷伺服系统对于移液器进行驱动，驱动控制系统能依据不同场景需求反馈直流无刷电机的转速参数，使得其能驱动所述直流无刷电机以第一预设转速运行，以使所述模块化移液器完成吸/排液动作；或所述驱动控制系统能驱动所述直流无刷电机以第二预设转速运行，以驱动所述移液耗材卸载部使所述模块化移液器完成移液耗材卸载动作。
6.本发明采用的技术方案如下：
7.一种直流无刷伺服系统驱动的模块化移液器，包括驱动控制系统、移液模块、耗材装卸模块和传动模块，所述驱动控制系统通过传动模块可分别作用于移液模块和耗材卸载模块；所述驱动控制系统包括驱动模块、控制模块，所述控制模块与驱动模块信号连接，所述驱动模块与直流无刷电机电性连接；所述驱动模块能驱动所述直流无刷电机以第一预设转速作用于移液模块，以使移液模块完成吸/排液动作；所述驱动模块能驱动所述直流无刷电机以第二预设转速作用于耗材卸载模块，以使耗材卸载模块完成移液耗材卸载动作。
8.进一步地，所述第一预设转速为所述第二预设转速的8-500倍。
9.进一步地，所述第一预设转速为所述直流无刷电机最高允许运行转速的85％-100％。
10.进一步地，当第一预设转速运行时，所述直流无刷电机的输入功率波动变化，所述直流无刷电机的扭矩输出变化不超过40％。
11.进一步地，所述驱动控制系统还包括传感模块，所述传感模块与控制模块信号连接，所述传感模块与控制模块之间传递有采集数据值，所述控制模块能依据传感模块传递的采集数据值向驱动模块传递控制信号。
12.进一步地，所述传感模块包括电流检测单元，所述电流检测单元可采集所述直流无刷电机内的至少两相绕组的电流数据值，所述电流检测单元信号连接于控制模块，所述控制模块能依据电流检测单元传递的电流数据值向驱动模块传递控制信号。
13.进一步地，所述传感模块包括编码感测单元，所述编码感测单元可采集直流无刷
电机内的永磁转子的位置信息数据，所述编码感测单元信号连接于控制模块，所述控制模块能依据编码感测单元传递的位置信息数据向驱动模块传递控制信号。
14.一种直流无刷伺服系统驱动的模块化移液器控制方法，包括如下步骤：
15.移液步骤：控制模块向驱动模块传递控制信号，驱动模块驱动直流无刷电机以第一预设转速转动，丝杆通过联轴器随直流无刷电机的电机轴一起转动，丝杆上的滑动组件带动塞杆相对移液耗材连接部移动；当塞杆朝移液耗材连接部所在的方向移动时，塞杆与移液耗材连接部之间形成的移液腔体积减小，执行排液动作，当塞杆朝远离移液耗材连接部的方向移动时，塞杆与移液耗材连接部之间形成的移液腔体积增大，执行吸液动作；
16.卸载步骤：控制模块向驱动模块传递控制信号，驱动模块驱动直流无刷电机以第二预设转速正向转动，丝杆通过联轴器随直流无刷电机的电机轴一起转动，丝杆上的滑动组件向卸载抵接件移动，滑动组件抵接于卸载抵接件后作用于卸载抵接件，使得卸载抵接件朝移液耗材所在的方向移动，同时卸载抵接件带动卸载套筒相对移液耗材连接部移动，并使得卸载套筒抵接移液耗材，继续移动直至卸载套筒与移液耗材连接部的密封连接端的下部平齐或几乎平齐，被抵接的移液耗材从移液耗材连接部的密封连接端脱落，完成移液耗材的卸载；
17.复位步骤：控制模块向驱动模块传递控制信号，驱动模块驱动直流无刷电机反向转动，丝杆通过联轴器随直流无刷电机一起转动，滑块组件向远离卸载抵接件的方向移动，直至不再作用于卸载抵接件，卸载抵接件通过复位元件带动卸载套筒一起复位，露出密封连接端，密封连接端此时可用于与新的移液耗材连接。
18.进一步地，所述第一预设转速为所述第二预设转速的8-500倍，和/或所述第一预设转速为所述直流无刷电机最高允许运行转速的85％-100％，和/或当第一预设转速运行时，所述直流无刷电机的输入功率波动变化，所述直流无刷电机的扭矩输出变化不超过40％。
19.进一步地，传感模块与所述控制模块信号连接，所述控制模块可依据传感模块传递的数据对直流无刷电机的转速进行反馈调节，并向驱动模块发送控制信号，使得驱动模块驱动直流无刷电机以预定的转速转动；所述传感模块包括电流检测单元和/或编码感测单元，所述电流检测单元可采集所述直流无刷电机内的至少两相绕组的电流数据值，所述编码感测单元可采集直流无刷电机内的永磁转子的位置信息数据。
20.综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
21.1、本发明采用了直流无刷伺服系统对于移液器进行驱动，驱动控制系统能依据不同场景需求反馈直流无刷电机的转速参数，使得其能驱动所述直流无刷电机以第一预设转速运行，以使所述模块化移液器完成吸/排液动作；或所述驱动控制系统能驱动所述直流无刷电机以第二预设转速运行，以驱动所述移液耗材卸载部使所述模块化移液器完成移液耗材卸载动作，最优地，所述第一预设转速为所述第二预设转速的8-500倍，且第一预设转速为所述直流无刷电机最高允许运行转速的85％-100％，如此能够适应不同场景运行需求，适配高速运转和高扭矩运转的不同需求。
22.2、本发明采用的移液器，驱动控制系统能以输入功率波动的状态驱动移液器驱动电机以第一预设转速运行，并使其输出扭矩变化不超过40％，如此能够平稳地控制移液器的运行，通过电流检测单元和编码感测单元的负反馈闭环控制，实现了电机运行的精确控
制，进而能大幅度降低移液器应用于医疗设备内产生的废热，并且电流检测单元独立化设置能满足问题定位简单等维护便捷性要求，并且不必担心集成化设置存在的干扰问题。
23.3、本发明所采用驱动控制系统能获知移液器当前执行状态，并依据该状态使所述模块化移液器以如下之一的模式运行：
24.所述驱动控制系统能驱动所述直流无刷电机以第一预设转速运行，以使所述模块化移液器完成吸/排液动作；所述驱动控制系统能驱动所述直流无刷电机以第二预设转速运行，以驱动所述移液耗材卸载部使所述模块化移液器完成移液耗材卸载动作，也同样可靠地保障移液器对于不同场景需求的差异化运行需求，实现方法简单可靠。
附图说明
25.图1是本发明提供的直流无刷伺服系统与其驱动的模块化移液器示意图；
26.图2是本发明移液器内部结构示意图；
27.图3是本发明直流无刷伺服系统驱动示意框图；
28.图4是本发明直流无刷电机控制驱动电路示意图；
29.图5是本发明直流无刷电机永磁转子旋转原理示意图；
30.图6是本发明一种直流无刷伺服系统电路示意图；
31.图7是本发明另一种直流无刷伺服系统电路示意图；
32.图8是本发明直流无刷电机运行范围示意图；
33.图9是本发明校正元件的结构示意图。
34.图中标记：10-壳体，100-移液耗材，101-直流无刷电机，102-联轴器，103-移液耗材连接部，104-移液耗材卸载部，105-丝杆，106-滑块组件，107-塞杆，20-驱动控制系统，201-传感模块，202-控制模块，203-驱动模块，2022-电流检测单元，2023-编码感测单元，401-密封连接端，331-压紧件，332-校正元件，333-塞杆帽，502-卸载连接件。
具体实施方式
35.下面结合附图，对本发明作详细的说明。
36.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
37.实施例1
38.一种直流无刷伺服系统驱动的模块化移液器，如图2、图9所示，包括驱动控制系统20、移液模块、耗材装卸模块和传动模块，所述驱动控制系统20通过传动模块可分别作用于移液模块和耗材卸载模块；所述驱动控制系统20包括驱动模块203、控制模块202，所述控制模块202与驱动模块203信号连接，所述驱动模块203与直流无刷电机101电性连接；所述驱动模块203能驱动所述直流无刷电机101以第一预设转速作用于移液模块，以使移液模块完成吸/排液动作；所述驱动模块203能驱动所述直流无刷电机101以第二预设转速作用于耗材卸载模块，以使耗材卸载模块完成移液耗材100卸载动作。所述移液模块包括塞杆107、移液耗材100连接部和移液耗材100，所述移液耗材100连接部的一端与塞杆107匹配、另一端与移液耗材100可拆卸连接，所述塞杆107的一端至少部分插入所述移液耗材100连接部的
内部；所述耗材装卸模块包括卸载抵接件和卸载套筒，所述卸载套筒包裹地设置于所述移液耗材100连接部外壁，所述卸载抵接件可在传动模块的作用下带动卸载套筒相对移液耗材100连接部移动；所述传动模块包括丝杆105和滑动组件，所述丝杆105通过联轴器102连接于直流无刷电机101，所述丝杆105上设有滑块组件106，所述塞杆107连接于滑块组件106，所述滑块组件106可抵接于卸载抵接件，并在直流无刷电机101的驱动下带动卸载抵接件相对壳体10滑动。
39.所述驱动控制系统20还包括传感模块201，所述传感模块201与控制模块202信号连接，所述传感模块201与控制模块202之间传递有采集数据值，所述控制模块202能依据传感模块201传递的采集数据值向驱动模块203传递控制信号。
40.所述传感模块201包括电流检测单元2022，所述电流检测单元2022可采集所述直流无刷电机101内的至少两相绕组的电流数据值，所述电流检测单元2022信号连接于控制模块202，所述控制模块202能依据电流检测单元2022传递的电流数据值向驱动模块203传递控制信号。
41.所述传感模块201包括编码感测单元2023，所述编码感测单元2023可采集直流无刷电机101内的永磁转子的位置信息数据，所述编码感测单元2023信号连接于控制模块202，所述控制模块202能依据编码感测单元2023传递的位置信息数据向驱动模块203传递控制信号。
42.所述丝杆105的一端通过连接轴承与体连接形成承载端、另一端通过联轴器102与直流无刷电机101连接形成悬臂端。丝杆105连接联轴器102的一端为悬臂端，所述丝杆105的悬臂端穿过壳体10上的装配孔与联轴器102匹配，所述丝杆105与装配孔之间形成有环隙。更优地，该环隙具有的最小间隙尺寸范围为0.5-2.5mm，如此保障了即使有一定的轴向载荷也不至于使丝杆105与壳体10之间产生摩擦的可能性，丝杆105的运行也更可靠，如此设计也不至于存在丝杆105两个端部约束造成的内应力过大等问题。丝杆105的一端通过连接轴承与所述壳体10连接，连接轴承设置为两个，当然也可以为更多个，此处并不限定，多个连接轴承是为了保证在轴向载荷分担中具有更高的可靠性，如果在承载端仅设置一个连接轴承，在移液耗材100卸载时，仅依靠该连接轴承承担轴向载荷，容易产生连接轴承被拉坏、内环拉脱等安全和可靠性问题。
43.所述塞杆107与滑块组件106之间通过具有弹性特性的校正元件332可调整连接。具体地说，塞杆107可以设置为陶瓷、塑料等等材质，最优地选择非金属材质，塞杆107的端部设置有塞杆帽333，其可与塞杆107的材质不相同，其可以为铜、铝等金属材料，所述塞杆107的一端通过具有弹性特性的校正元件332与驱动装置可调整连接、另一端至少部分插入所述移液耗材连接部103的内部，所述塞杆107可在驱动装置的作用下沿移液耗材连接部103轴向做往复直线运动，所述塞杆107相对移液耗材移动时可形成抽吸作用；所述校正元件332处设有可为校正元件332提供预紧力的压紧件331。校正元件332具有的弹性特性可以满足有调整需求的场景，压紧件331提供压紧力保证塞杆107无晃动地紧致连接于塞杆连接件。由于存在可能由于零部件的加工偏差或者装配引入的偏差以及由于内应力等引起的偏差，使得塞杆轴线l2与滑轨轴线l1不平行，产生了可能朝向不同方向的偏斜，在现有的设计中，由于该偏差较小，一些设计者选用较大扭矩的电机或者配置更大传动比的传动结构，可以克服由于此类型偏差而产生的驱动力差异，然而这种设计对于移液精度要求高的场景存
在较多问题，本实施例在滑块组件106与塞杆107的连接方式中引入了校正元件332，其为具有预定压紧力和劲度系数的弹簧元件，其本身具有弹性形变能力因此使得该连接位置有自主调整的可能性，随着滑块组件106向下运行，由于不平行度偏差将在滑块组件106与塞杆107的连接处不同位置产生不同的作用力，而不同的作用力将转变为弹簧不同位置的形变量差异，因此随着滑块组件106的向下移动该不平行度被弹簧的不同形变所弥补，因此在试剂运行中移液器具备了自主校正塞杆107不平度的功能，这样由于不平行度所产生的摩擦力变大的问题将得以改善，当然实际使用中不平行度的产生原因也很多不限于之前所举例的类型，不平行度本身也可能动态地产生，或者由于使用时长或者拆卸次数等导致。
44.所述联轴器102和直流无刷电机101设于壳体10外，所述驱动电机通过安装块限制于壳体10。直流无刷电机101包含露出电机本体的电机轴，直流无刷电机101通过电机连接螺钉连接在安装块13上，并且电机轴穿过安装块13后插入联轴器102的轴联孔内，此处的联轴器102包括用于连接直流无刷电机101的第一联轴部、以及用于连接丝杆105的第二联轴部，所述第一联轴部可通过其上的轴联孔与直流无刷电机101连接，所述第二联轴部可通过其上的轴联孔与驱动机构连接，所述联轴器102上设有孔径调节单元。孔径调节单元包括调节孔和调节螺钉，所述调节孔沿径向自联轴器102外壁贯穿至轴联孔，所述调节螺钉与调节孔螺纹连接。可以通过控制调节螺钉沿调节孔的伸入量，来限制或松开其内的直流无刷电机101或丝杆105。安装块13上还包含贯通型的连接孔，通过连接螺钉来实现安装块13与壳体10的可拆卸连接。具体地说，将联轴器102和直流无刷电机101均设置在壳体10范围外，另外装配缺口也能减少移液器的纵向尺寸，保证了设计的紧凑性。
45.实施例2
46.一种直流无刷伺服系统驱动的模块化移液器，如图1所示，是本发明所提供的直流无刷伺服系统与其驱动的模块化移液器示意图，模块化移液器由于每个移液器具有独立的驱动电机，因此能更适于多样本转移的精确化操作中，而利用一个驱动电机作为动力源驱动的多排移液器方案可能存在移液量的差异，模块化移液器通过并联也可以实现依次顺序吸排液，操作过程中紧邻的液体间污染风险更小，因此设计模块化的移液器是非常必要的，本发明的模块化移液器具有基本扁平的壳体10，其厚度尺寸远小于宽度和/或长度尺寸，外形配置为基本的立方体形，例如可以基本为长方体机构，在壳体10的一端配置有直流无刷电机101，其通过联轴器102与壳体10的内部结构传动连接，直流无刷电机101通过安装块13与壳体10固定连接，最优地壳体10上设置缺口部，直流无刷电机101和联轴器102均布置在缺口处，以实现结构紧凑和内部丝杆105跨距更小的效果。与所述直流无刷电机101相对在所述壳体10的另一端配置有至少部分伸出壳体范围外的移液耗材连接部103，移液耗材连接部103整体可配置为回转体类型，例如柱状体，其内部包含空气流道，所述移液耗材连接部103外还配置有至少部分包绕其的移液耗材卸载部104，移液耗材卸载部104包含筒体结构，筒体结构能包绕于移液耗材连接部103的外部，通过直流无刷电机101的驱动，可实现在轴向上相对所述移液耗材连接部103的相对运动，进而对移液耗材100产生抵触作用，如此可实现利用相同的直流无刷电机101对移液器不同工况需求的满足，驱动控制系统20包含控制模块202可电性连接直流无刷电机101，从而输出其旋转运动的驱动，其还包含传感模块201，其能感知不同的参数，进而实现对直流无刷电机101的适应性驱动。为了适应移液器在移液和卸载两种场景中的大扭矩输出和高速运转的需求，控制模块202内包含存储单元，
存储单元内可以存储对应于场景的电机转速，所述驱动模块203能驱动所述直流无刷电机101以第一预设转速运行，以使所述移液模块完成吸/排液动作，此时由于一般转移液粘度不会太大，直流无刷电机101的输出扭矩不需要太大，因此驱动模块203输出的第一预设转速可以很高，以完成快速移液的目的，如此也能尽量避免因移液速度较慢而造成的挂壁问题，此处所述第一预设转速为所述直流无刷电机101最高允许运行转速的85％-100％，例如当最高允许转速为35000r/min时此时的第一预设转速可以选择为29750-35000r/min之间值，如果最高允许转速更大时相应第一预设转速也可以更大，例如最高转速可以为40000r/min，50000r/min等等，如果最高允许转速更小时第一预设转速也可以更小，例如最高转速可以为30000r/min、20000r/min、10000r/min、6000r/min甚至是3000r/min等此处并不限定，第一预设转速与最高转速的比值不应低于85％是为了保证高速移液效率，另一方面也能保证移液过程中液体获得足够的驱动力，从而避免较低速度存在的残留挂壁等问题。当完成吸/排液操作后，需要卸载移液耗材100时，所述驱动模块203能驱动所述直流无刷电机101以第二预设转速运行，以使耗材卸载模块完成移液耗材100卸载动作，此时直流无刷电机101需要对于移液耗材卸载部104施加抵触力作用，而为了保证移液耗材100与移液耗材连接部103良好的密封连接，移液耗材卸载部104需要施加足够大的卸载力，如此则要求直流无刷电机101输出相当大的扭矩，此时如果为步进电机需要借助于减速机构来实现高扭矩输出，而本发明的直流无刷电机101只需要以远低于第一预设转速的第二转速运行即可输出足够的抵触力，此处第一预设转速为第二预设转速的8-500倍，例如可以为10、15、20、30、50、75、80、90、100、130、150、190、220、300、350、400、500等等的倍数，当然在部分较低速直流无刷电机101的场景中第一预设转速为第二预设转速的八倍以上，来保证足够的扭矩对移液耗材卸载部104施加作用力。
47.图2示意了本发明的移液器内部结构示意图，直流无刷电机101通过联轴器102与壳体10内部结构的丝杆105相连接，丝杆105具有预定的螺纹间距，螺纹间距可以依据移液精度进行确定，丝杆105上连接有滑块组件106，与丝杆105轴线基本平行地布置有滑块组件106的导向滑轨，使得滑块组件106能够沿着丝杆105的轴线方向进行滑移运动，滑块组件106跨越滑轨在另一端连接有塞杆107，其至少部分地插入移液耗材连接部的内部空腔内，形成类似活塞的运动结构，通过滑块组件106带动，塞杆107可以在移液耗材连接部的腔室内往复运动进而实现对于液体抽吸的吸排液动作，在壳体10内部最下侧位置布置有移液耗材卸载部104的抵触触头，当需要卸载移液耗材100时直流无刷电机101驱动丝杆105转动，直流无刷电机101可以先以比较高的速度旋转，而当滑块组件106接触到抵触触头时，直流无刷电机101则以第二预设转速进行运转，如此可以获得足够大的抵出驱动力，当然此处的第二预设转速也不一定为恒定转速，其可以为递减或者递增甚至是在某转速区间内波动的转速，此处并不限定，如此可以实现快速且可靠地卸载移液耗材100的目的，为了保证移液器结构的紧凑和合理性，所述移液器的控制模块202的控制元件、驱动模块203的驱动电路元件和传感模块201的电路元件设置在相同的移液器电路背板200上，电路背板200具有与移液器外形近似的结构也同时具有缺口部，其能够完全覆盖住移液器的内部结构，并通过螺钉与壳体10的内部框架相连接，也满足了拆卸方便维护方便等的特性，在其外侧可以连接壳体10的侧板，如此构成了封闭的内部空间满足洁净度、电磁屏蔽等的要求。
48.图3为本发明的直流无刷伺服系统部分电路原理图，传感模块201包含传感信号处
理器，其电性连接至不同的传感器单元，气压传感器与移液耗材连接部103的内部空腔气流性相通，能感知在塞杆107运动过程中引起的压力变化，例如可以配合移液器进行液面探测，当移液器接触到液面或者插入液面下后移液耗材连接部103的腔室内部将产生较大的正负压波动，如此经过电路放大器的放大能够被信号处理单元识别，进而通过压力曲线的分析可以获知液面位置，当然气压传感器也可以辅助精确移液，一般情况下空气置换型移液器的工作原理决定了其为惯性系统的基本属性，当塞杆107快速运动到指定位置后在腔室内产生负压，在外部大气压的作用下液体被压入移液耗材100内，通过气压传感器探测到内部压力变化可以更准确地判定移液过程已经完成，能够更精确地给出移液结束时间，从此处也能看出移液耗材100与移液耗材连接部103可靠性密封连接的重要性，如果连接不太可靠可能导致移液器丧失移液的精密度。光电传感器，在一些场景中在滑块组件106上设置光电传感器的感应单元，能够限定滑块组件106运动的极限位置，保证塞杆107运动的可靠性，另外光电传感器也可进行移液耗材的正确连接与否检测。温度传感器，可以获知环境温度，当然在温升要求严格的部位也可以设置温度传感器，如此实现了对于重点部件的保护，环境温度的检测也能给出移液器运行的最佳参数，当然传感模块201还可包含更多的传感器单元，此处并不限定。传感模块与控制模块202信号连接，可以满足移液器的智能化操作需求，控制模块202能够进行信号处理和运算并输出直流无刷电机101最终运行的控制指令，控制指令可以通过电路传递至驱动模块203，驱动模块203内的电路元件能将控制指令解析为电路元件的导通控制时序，最终加载在直流无刷电机101的驱动相绕组上，完成直流无刷电机101的驱动控制，直流无刷电机101运行中永磁转子的位置可以通过编码感测单元进行反馈，形成闭环控制。
49.图4为直流无刷电机101控制驱动电路示意图，控制模块202能够通过信号输出端p1、p2、p3输出控制信号，此处其可以输出脉宽和/或频率可调的脉冲控制波，当需要的驱动电流较小时此处可以驱动将控制波的占空比调节的很小，p1控制波形连接至三极管q1的基极，而经过反相器r1的作用将其反向加载在三极管q4的基极，如此将形成可靠的互锁结构，也就是在该设计中三极管q1和q4永远不可能同时导通，类似地q2和q5，q3和q6也类似设计，只是在电路中使用不同的反相器r2和r3进行连接。驱动电压vdd能在不同三极管导通时将不同的驱动电流施加至直流无刷电机101的磁极绕组，此处直流无刷的具体结构不赘述，只示意地给出直流无刷电机101具有不同的绕组制成的定子绕组磁极示意为三组绕组a、b、c，在定子绕组间歇性轮流通电时永磁转子将在绕组合成的磁场中产生跟随性旋转运动，进而实现永磁转子跟随性转动。
50.图5示意了本发明直流无刷电机101永磁转子旋转原理示意图，为了使永磁转子在0
°‑
60
°
范围内旋转，图4中的p1端输出pwm调制信号分别输入q1的基极，经反相器反相之后与其相反的控制信号被施加至q4的基极，因此q1和q4实现了可靠的互锁p2端输出的控制信号示意为a相控制时间段内的低位截止信号，经过反相器后的q5基极端则被施加高位导通信号，而c相则处于无电流的悬空状态，其他角度范围内的转动驱动与0
°‑
60
°
的原理相似此处不再赘述，此种控制模式下只需要控制pwm脉冲信号的占空比就可以提高直流无刷电机101转速。
51.图6示意了本发明的直流无刷电机101驱动电流检测单元，在本实施例中可以在集成电路板上集成电流检测单元2022，电机驱动部分采用mos半桥驱动方式驱动直流无刷电
机101，原理不再赘述，驱动电流采集方式采用霍尔传感器采集三相驱动电流并反馈回控制板进行闭环控制，控制板接收到相路中电流大小后调整电机控制信号，使直流无刷电机101平稳运行。编码感测单元2023部分采用磁编码器方式，输出绝对值的位置信号到控制板，控制板可以根据编码感测单元2023输出的位置信号准确跟踪直流无刷电机101的确切位置，此处编码感测单元2023可以将永磁转子的旋转圆周分割为包含例如1024个位点的方案，可以实现精确的位置检测控制，本实施方案中电流传感器当然可以布置只采集两相的方式，而第三相可以通过理论运算获得，此处并不限定，编码感测单元2023和电流检测单元2022两者均与控制模块202信号连接，从而使整个驱动控制呈现闭环方式，如此也能及时精准地匹配驱动功率使得移液器的功耗更小。
52.图8是本发明直流无刷电机101运行范围示意图，不同输入功率下电机额定转速和输出扭矩之间相关特性如图中的递减曲线所示，因此为了适应移液器不同的场景需求，本发明的移液器可以通过改变直流无刷电机101运行转速范围来获得不同的扭矩输出，驱动模块203能驱动所述直流无刷电机101以第一预设转速运行，以使移液模块完成吸/排液动作(高转速低扭矩状态)；或所述驱动模块203能驱动所述直流无刷电机101以第二预设转速运行，以驱动所述移液耗材卸载部104使所述耗材装卸模块完成移液耗材卸载动作(高扭矩低转速状态)，为了保证直流无刷电机101运行的可靠性，第一预设转速为最高转速的85％-100％，第一转速不宜过小主要是由于在移液器移液时需要产生足够负压来保证吸排液速度，同时也能避免由于转速过小导致的液体挂壁产生污染风险等问题。所述第一预设转速运行时所述直流无刷电机101的输入功率波动变化，但其扭矩输出变化不超过40％，直流无刷电机101作为移液器在输出功率固定的场景下，输入功率可以波动变化，但是为了适应移液器稳定和精密移液的场景需求，在第一预设转速运行时，所述直流无刷电机101的扭矩输出变化不应超过40％。
53.为了验证本发明的移液器的优势，长时间吸/排液操作运行，温升稳定后对最终稳定温度进行比较，本发明的直流无刷电机101稳定温度为35℃左右，而相同条件下蒂肯的步进电机稳定温度为70℃左右，这也直接证明了区分场景的精确转速控制有利于精确移液器的需求设计，也不至于存在由于直流无刷电机101产生的热量较多在使用其的仪器内产生废热累积影响实验精度。
54.实施例3
55.实施例3替换了实施例2中的电流检测单元2022的实现方式，是实施例2的替换方案；进一步说明，相同的部件这里不再赘述，如图7所示，在此附图中通过检测采样电阻上电流引起的电压大小也可以反馈线路中电流大小，在a相电路中将分压电阻r11两端分别接入比较器的正负两端，将比较结果通过负反馈线引回控制系统中，同样利用r12和r13可以获得其他两相电流并反馈，当然也可只在两相电路中设置分压检测点，而第三相可以通过理论计算获得。
56.实施例4
57.一种直流无刷伺服系统驱动的模块化移液器控制方法，如图2、图9所示，包括如下步骤：
58.移液步骤：控制模块202向驱动模块203传递控制信号，驱动模块203驱动直流无刷电机101以第一预设转速转动，丝杆105通过联轴器102随直流无刷电机101的电机轴一起转
动，丝杆105上的滑动组件带动塞杆107相对移液耗材100连接部移动；当塞杆107朝移液耗材100连接部所在的方向移动时，塞杆107与移液耗材100连接部之间形成的移液腔体积减小，执行排液动作，当塞杆107朝远离移液耗材100连接部的方向移动时，塞杆107与移液耗材100连接部之间形成的移液腔体积增大，执行吸液动作；
59.卸载步骤：控制模块202向驱动模块203传递控制信号，驱动模块203驱动直流无刷电机101以第二预设转速正向转动，丝杆105通过联轴器102随直流无刷电机101的电机轴一起转动，丝杆105上的滑动组件向卸载抵接件移动，滑动组件抵接于卸载抵接件后作用于卸载抵接件，使得卸载抵接件朝移液耗材100所在的方向移动，同时卸载抵接件带动卸载套筒相对移液耗材100连接部移动，并使得卸载套筒抵接移液耗材100，继续移动直至卸载套筒与移液耗材100连接部的密封连接端401的下部平齐或几乎平齐，被抵接的移液耗材100从移液耗材100连接部的密封连接端401脱落，完成移液耗材100的卸载；
60.复位步骤：控制模块202向驱动模块203传递控制信号，驱动模块203驱动直流无刷电机101反向转动，丝杆105通过联轴器102随直流无刷电机101一起转动，滑块组件106向远离卸载抵接件的方向移动，直至不再作用于卸载抵接件，卸载抵接件通过复位元件带动卸载套筒一起复位，露出密封连接端401，密封连接端401此时可用于与新的移液耗材100连接。
61.所述第一预设转速为所述第二预设转速的8-500倍；所述第一预设转速为所述直流无刷电机101最高允许运行转速的85％-100％；当第一预设转速运行时，所述直流无刷电机101的输入功率波动变化，所述直流无刷电机101的扭矩输出变化不超过40％。
62.传感模块201与所述控制模块202信号连接，所述控制模块202可依据传感模块201传递的数据对直流无刷电机101的转速进行反馈调节，并向驱动模块203发送控制信号，使得驱动模块203驱动直流无刷电机101以预定的转速转动；所述传感模块201包括电流检测单元2022和/或编码感测单元2023，所述电流检测单元2022可采集所述直流无刷电机101内的至少两相绕组的电流数据值，所述编码感测单元2023可采集直流无刷电机101内的永磁转子的位置信息数据。
63.驱动控制系统20能获知移液器当前执行状态，此处移液器当前执行状态可以为吸液状态、排液状态、液面探测状态、卸载移液耗材状态等等，可以配合霍尔位置传感单元、压力传感单元等的检测结果综合判定，驱动控制系统20依据该状态使模块化移液器以如下之一的模式运行，需要注意的是驱动控制系统20内可能存储有多种运行模式，而在驱动控制系统20获知的当前执行状态的前提下，驱动控制系统20则以两种之一的方式运行。当驱动控制系统20获知当前执行状态为快速吸/排液时，驱动控制系统20能驱动所述直流无刷电机101以第一预设转速运行，以使移液模块完成吸/排液动作，如此能保证移液效率和减小挂壁污染风险；当驱动控制系统20获知当前执行移液耗材卸载动作且移液器内的滑块组件106接触到移液器卸载部的状态时，驱动控制系统20能驱动所述直流无刷电机101以第二预设转速运行，以驱动所述移液耗材卸载部104使所述耗材装卸模块完成移液耗材卸载动作，最终驱动控制系统20持续输出驱动完成对应动作。当然当驱动控制系统20也可获知移液器当前状态为其他状态，例如可以为跟随性移液状态，此时控制系统输出的转速可能与移液器z轴直流无刷电机101驱动整个移液器下降速度相关联；当然也可以为执行移液耗材卸载动作但滑块组件106未接触到移液器卸载部的状态，此时控制系统输出电机的转速可以为
与第一预设转速接近或者相同的转速，以保证整个移液耗材100的卸载速度更快。
64.本文中应用了具体的实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
65.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
66.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

技术特征：
1.一种直流无刷伺服系统驱动的模块化移液器，其特征在于，包括驱动控制系统、移液模块、耗材装卸模块和传动模块，所述驱动控制系统通过传动模块可分别作用于移液模块和耗材卸载模块；所述驱动控制系统包括驱动模块、控制模块，所述控制模块与驱动模块信号连接，所述驱动模块与直流无刷电机电性连接；所述驱动模块能驱动所述直流无刷电机以第一预设转速作用于移液模块，以使移液模块完成吸/排液动作；所述驱动模块能驱动所述直流无刷电机以第二预设转速作用于耗材卸载模块，以使耗材卸载模块完成移液耗材卸载动作。2.如权利要求1所述的直流无刷伺服系统驱动的模块化移液器，其特征在于，所述第一预设转速为所述第二预设转速的8-500倍。3.如权利要求1所述的直流无刷伺服系统驱动的模块化移液器，其特征在于，所述第一预设转速为所述直流无刷电机最高允许运行转速的85％-100％。4.如权利要求1所述的直流无刷伺服系统驱动的模块化移液器，其特征在于，当第一预设转速运行时，所述直流无刷电机的输入功率波动变化，所述直流无刷电机的扭矩输出变化不超过40％。5.如权利要求1所述的直流无刷伺服系统驱动的模块化移液器，其特征在于，所述驱动控制系统还包括传感模块，所述传感模块与控制模块信号连接，所述传感模块与控制模块之间传递有采集数据值，所述控制模块能依据传感模块传递的采集数据值向驱动模块传递控制信号。6.如权利要求5所述的直流无刷伺服系统驱动的模块化移液器，其特征在于，所述传感模块包括电流检测单元，所述电流检测单元可采集所述直流无刷电机内的至少两相绕组的电流数据值，所述电流检测单元信号连接于控制模块，所述控制模块能依据电流检测单元传递的电流数据值向驱动模块传递控制信号。7.如权利要求5所述的直流无刷伺服系统驱动的模块化移液器，其特征在于，所述传感模块包括编码感测单元，所述编码感测单元可采集直流无刷电机内的永磁转子的位置信息数据，所述编码感测单元信号连接于控制模块，所述控制模块能依据编码感测单元传递的位置信息数据向驱动模块传递控制信号。8.一种直流无刷伺服系统驱动的模块化移液器控制方法，其特征在于，包括如下步骤：移液步骤：控制模块向驱动模块传递控制信号，驱动模块驱动直流无刷电机以第一预设转速转动，丝杆通过联轴器随直流无刷电机的电机轴一起转动，丝杆上的滑动组件带动塞杆相对移液耗材连接部移动；当塞杆朝移液耗材连接部所在的方向移动时，塞杆与移液耗材连接部之间形成的移液腔体积减小，执行排液动作，当塞杆朝远离移液耗材连接部的方向移动时，塞杆与移液耗材连接部之间形成的移液腔体积增大，执行吸液动作；卸载步骤：控制模块向驱动模块传递控制信号，驱动模块驱动直流无刷电机以第二预设转速正向转动，丝杆通过联轴器随直流无刷电机的电机轴一起转动，丝杆上的滑动组件向卸载抵接件移动，滑动组件抵接于卸载抵接件后作用于卸载抵接件，使得卸载抵接件朝移液耗材所在的方向移动，同时卸载抵接件带动卸载套筒相对移液耗材连接部移动，并使得卸载套筒抵接移液耗材，继续移动直至卸载套筒与移液耗材连接部的密封连接端的下部平齐或几乎平齐，被抵接的移液耗材从移液耗材连接部的密封连接端脱落，完成移液耗材的卸载；
复位步骤：控制模块向驱动模块传递控制信号，驱动模块驱动直流无刷电机反向转动，丝杆通过联轴器随直流无刷电机一起转动，滑块组件向远离卸载抵接件的方向移动，直至不再作用于卸载抵接件，卸载抵接件通过复位元件带动卸载套筒一起复位，露出密封连接端，密封连接端此时可用于与新的移液耗材连接。9.如权利要求8所述的直流无刷伺服系统驱动的模块化移液器控制方法，其特征在于，所述第一预设转速为所述第二预设转速的8-500倍，和/或所述第一预设转速为所述直流无刷电机最高允许运行转速的85％-100％，和/或当第一预设转速运行时，所述直流无刷电机的输入功率波动变化，所述直流无刷电机的扭矩输出变化不超过40％。10.如权利要求8所述的直流无刷伺服系统驱动的模块化移液器控制方法，其特征在于，传感模块与所述控制模块信号连接，所述控制模块可依据传感模块传递的数据对直流无刷电机的转速进行反馈调节，并向驱动模块发送控制信号，使得驱动模块驱动直流无刷电机以预定的转速转动；所述传感模块包括电流检测单元和/或编码感测单元，所述电流检测单元可采集所述直流无刷电机内的至少两相绕组的电流数据值，所述编码感测单元可采集直流无刷电机内的永磁转子的位置信息数据。

技术总结
本发明公开了一种直流无刷伺服系统驱动的模块化移液器及其控制方法，涉及移液器技术领域。本发明提供的直流无刷伺服系统驱动的模块化移液器及其控制方法，用了直流无刷伺服系统对于移液器进行驱动，驱动控制系统能依据不同场景需求反馈直流无刷电机的转速参数，使得其能驱动所述直流无刷电机以第一预设转速运行，以使所述模块化移液器完成吸/排液动作；或所述驱动控制系统能驱动所述直流无刷电机以第二预设转速运行，以驱动所述移液耗材卸载部使所述模块化移液器完成移液耗材卸载动作。使所述模块化移液器完成移液耗材卸载动作。使所述模块化移液器完成移液耗材卸载动作。


技术研发人员：龚大江 邢伟琪 孙瑶 刘欢 李明
受保护的技术使用者：西安天隆科技有限公司
技术研发日：2023.04.13
技术公布日：2023/8/22