用于电动机的从动移动部的位置的无接触判定方法、电动机和使用该电动机抽吸和分配移液液体的移液系统
阅读说明：本技术 用于电动机的从动移动部的位置的无接触判定方法、电动机和使用该电动机抽吸和分配移液液体的移液系统 (Method for contactless determination of the position of a driven displacement part of an electric motor, electric motor and pipetting system for aspirating and dispensing pipetting liquids using said ) 是由 雷托·埃廷格 于尔格·拉斯特 弗里多林·吉塞尔 于 2018-05-03 设计创作，主要内容包括：提供一种通过多个磁场传感器(8)用于电动机(2)的从动移动部(4)的位置的无接触判定方法,其中,移动部相对于定子(6)可移动地布置并且具有产生具有多个周期性间隔开的最大值的移动部磁场的多个永磁体(40),和其中,多个磁场传感器沿着移动部的移动路径(43)布置。该方法包括以下步骤：通过多个磁场传感器,判定由多个永磁体产生并取决于移动部位置的瞬时磁场的多个测量值(70),从多个测量值(70)判定特定频谱信号分量(74),特定频谱信号分量具有对应于移动部磁场的相邻相似最大值之间的距离的空间频率,和通过特定频谱信号分量判定从动移动部的位置。(A contactless determination method for the position of a driven moving part (4) of an electric motor (2) by means of a plurality of magnetic field sensors (8) is provided, wherein the moving part is movably arranged with respect to a stator (6) and has a plurality of permanent magnets (40) which generate a moving part magnetic field having a plurality of periodically spaced-apart maxima, and wherein the plurality of magnetic field sensors are arranged along a movement path (43) of the moving part. The method comprises the following steps: determining a plurality of measured values (70) of the instantaneous magnetic field generated by the plurality of permanent magnets and depending on the position of the moving part by means of the plurality of magnetic field sensors, determining a specific spectral signal component (74) from the plurality of measured values (70), the specific spectral signal component having a spatial frequency corresponding to the distance between adjacent similar maxima of the magnetic field of the moving part, and determining the position of the driven moving part by means of the specific spectral signal component.)
技术领域
本发明涉及电动机领域。特别地，本发明涉及判定电动机的移动部的位置。更特别地，本发明属于由电动机驱动的移液系统领域。
背景技术
移液系统是技术系统的一个示例，技术系统中，移动元件(通常是可移动活塞)可以高精度移动。在移液系统中，通过活塞的移动，移液液体分别地通过移液器头被抽吸和分配。对于许多应用，特别是在实验室自动化领域，液体的释放和吸收，即液体的分配和抽吸，必须被非常精确地完成。这导致总体上尽力用活塞执行尽可能准确的移动。因此，当通过电动机驱动活塞时，期望电动机的移动部的准确移动。在现有技术中，存在判定移液系统中的活塞的位置并相应地控制电动机的方法。但是，这种涉及位置判定的现有系统并不令人满意。在许多其他技术领域中也有技术系统，在该技术系统中，由电动机驱动的部件应准确地移动。
因此，期望提供一种改进的位置判定方法、一种改进的电动机以及一种改进的移液系统。
发明内容
本发明的示例性实施例包括一种通过多个磁场传感器用于电动机的从动移动部的位置的无接触判定方法，其中，移动部相对于定子可移动地布置并且具有产生具有多个周期性间隔开的最大值的移动部磁场的多个永磁体，和其中，多个磁场传感器沿着移动部的移动路径布置。该方法包括以下步骤：通过多个磁场传感器，判定由多个永磁体产生并取决于移动部的位置的瞬时磁场的多个测量值；从多个测量值判定特定频谱信号分量，特定频谱信号分量具有对应于移动部磁场的相邻相似最大值之间的距离的空间频率；和通过特定频谱信号分量判定从动移动部的位置。
本发明的示例性实施例允许对电动机的移动部的位置直接且有效的判定，即直接地在移动源头的位置判定。由于移动部的位置的无接触判定，因此没有作用在电动机上的以附加驱动质量的形式出现的附加负载。与电动机的移动部或下游从动部件机械地驱使传感器的先前方法相比，位置的无接触判定可以支撑更大的动力、防止部件磨损并使整个系统更坚固。
该方法可以使用始终存在的用于驱动移动部的永磁体用于移动部的无接触位置判定。在这方面，利用以下事实：由永磁体产生的磁场不仅用作移动部的移动的基础，而且沿移动部的移动路径可测量地存在。永磁体产生的磁场构成判定移动部的位置的基础。然而，也可能存在除驱动磁体之外还存在的仅用于判定位置被设置的永磁体，其中其磁场被测量并被用于位置判定。在这种情况下，附加的永磁体也被驱动地连接移动部，并且磁场传感器沿着附加的永磁体的移动路径被布置。
多个永磁体布置在移动部中，从而形成具有多个周期性间隔开的最大值的移动部磁场。表述“移动部磁场”是指存在于移动部的参考系统中的磁场，且该磁场在该系统中由于永磁体的固定布置呈静态。最大值是局部最大值，即与直面的环境相比，分别是局部磁南极和磁北极。表述“周期性间隔开的最大值”清楚地表明，移动部磁场具有交替的南极和北极，其南极和北极的顺序和间隔至少对于部分移动部磁场是重复的。因此，永磁体产生具有交替的南极和北极以及强大振荡分量的移动部磁场。移动部磁场在定子的参考系统中产生瞬时磁场，该磁场的瞬时形式取决于移动部的位置。由于移动部磁场具有多个周期性间隔开的最大值，所以由多个永磁体产生并施加到多个磁场传感器的瞬时磁场具有强信号分量，该强信号分量具有与移动部磁场的相邻相似最大值之间的距离相对应的空间频率。该信号分量在本文中被称为特定频谱信号分量，其通过磁场传感器判定的测量值来判定。利用该特定频谱信号分量，可以有效地判定从动移动部的位置。由永磁体产生并利用该空间频率有针对性地判定特定频谱信号分量的存在于磁场中的强周期性分量，允许直接和有效地判定电动机移动部的位置。
该方法适用于线性电动机和具有旋转转子的电动机，以及任何其他类型的电动机。在线性电动机中，移动部具有线性移动路径。转子的移动路径可以由转子的特定部件(例如与气隙相邻的组件)在运行过程中通过的所有点的总和来描述。因此，具有旋转转子的电动机中的移动部的移动路径可以描述为圆形路径。沿着移动部的移动路径的磁场传感器的布置可以使得该布置具有相同的几何基本结构，即，例如线性或圆形布置，而该布置相对于移动部的移动路径偏移。然而，其他布置也是可能的。例如，在线性电动机中，磁场传感器可以围绕移动部的移动路径布置在螺旋路径中。
在线性电动机中，移动部可包括多个条形磁体，这些条形磁体彼此相反地安装在移动部的移动路径上。在这种情况下，各个永磁体的长度可对应于局部北极和局部南极之间的距离，或者对应于移动部磁场的相邻相似最大值之间的距离的一半。
多个永磁体被布置以产生具有多个周期性间隔开的最大值的移动部磁场。既不需要使周期性间隔开的最大值具有相等量的磁场值，也不必使所有最大值均等地间隔开。例如，移动部磁场有可能向其端部磨损，使得在最大值之间而不是在移动部磁场的中间还有其他距离。重要的是，移动部磁场具有多个均匀间隔开的最大值。移动部磁场的两个最大值之间的距离也可以称为极距或螺距。极距与永磁体的空间布置有关，也可能与永磁体之间的距离有关。可以理解，在几何意义上，移动部磁场的最大值之间的距离不是精确的距离。由于生产公差和其他的不准确，特别是在永磁体的定位，移动部磁场的最大值之间的距离可能会略有变化。多个周期性间隔开的最大值之间的距离是标称距离。
多个测量值是基本上同时测量的测量值。因此，多个测量值表示在特定的测量时间由多个永磁体产生的磁场的空间分布。多个测量值是瞬时磁场的采样点。特别地，多个测量值是当前存在于定子的参考系统中并且由移动部的永磁体产生的磁场的采样值。然后相对于以上讨论的特定频谱信号分量的空间频率分析特定测量时间的磁场的空间分布。频谱特定信号分量是指示多个永磁体的位置的信号分量，因为其空间频率对应于移动部磁场的相邻最大值之间的距离。在这方面，表述“空间频率对应于移动部磁场的相邻相似最大值之间的距离”可能意味着，精确地针对该空间频率来分析采样点。但是，有可能的，特定频谱信号分量也可能具有空间频率，该空间频率除了相邻的最大值之间的距离之外，还考虑了磁场传感器相对于永磁体的偏移。空间频率仅与相对于永磁体的磁场传感器布置的几何形状匹配。表述“基本上同时取得的测量值”指出，测量值尽可能地代表磁场的快照。然而，该表述还包括测量值可以彼此具有一定的时间偏移。例如，当测量值属于一系列连续的测量时(例如，当使用模拟磁场传感器时，其输出被相继施加到模数转换器，因此数字化的测量数据表示在稍微不同的时间进行的测量)，可能就是这种情况。通常，在信号处理链中可能存在实际的局限性，由于这些局限性，在特定的应用场景中，由于更高的复杂度/并行度，不可能或不希望实现测量值的完全时间同步。
定子可设置有多个电磁体，通过该电磁体来驱动电动机的移动部。电磁体可以是线圈，也可以是具有绕组的线圈，通过这些线圈可以通过适当的控制来产生时变磁场。
根据另一实施例，通过特定频谱信号分量的相位角来执行判定从动移动部的位置。有可能的，通过相位角来判定由多个永磁体产生的磁场的最大值与已知位置(例如，从特定磁场传感器的位置开始)相距多远。以这种方式，可以以特别准确和有效的方式判定从动移动部的位置。与通过特定频谱信号分量的振幅来判定从动移动部的位置相比，通过相位角来进行判定更加可靠。振幅相对于永磁体和磁场传感器之间的距离变化非常迅速，而在距永磁体一定距离的情况下，也可以准确和可靠地判定最大值的彼此相对位置。还有，与将永磁体的磁化保持在非常窄的限制内相比，获取永磁体的非常精确的位置可以在制造移动部上花费更少的精力。因此，借助于相位角的位置判定可以允许在尝试/复杂性和准确性之间更好的折衷。
根据另一实施例，判定从动移动部的位置包括将特定频谱信号分量的相位角转换成从动移动部相对于已知位置的偏移。在这方面，已知位置可以通过当前测量的变量结合整个系统的生产数据来获知。例如，可以通过最接近移动部的特定点的磁场传感器的判定，并结合揭示该磁场传感器布置在哪里的生产数据，来获知已知位置。可以测量与磁场传感器标称位置相关的与生产相关的公差，并将其包括在从动移动部的位置计算中。也可以从定子的电磁体的控制中获知已知位置。换句话说，可以通过电磁体的控制来估计移动部的位置，该位置被认为是已知位置，并且移动部的确切位置可以根据基于特定频谱信号分量的相位角的所述偏移量来判定。
根据另一实施例，通过将Goertzel算法应用于多个测量值中的至少一部分来执行判定特定频谱信号分量的操作。Goertzel算法从瞬时磁场的采样点或采样点的子集中提取单个频谱信号分量。因此，可以判定特定频谱信号分量，而无需对由采样点形成的信号的频谱进行全面分析。因此，Goertzel算法有助于对特定频谱信号分量进行非常高效、快速且节省资源的判定。Goertzel算法也称为Goertzel函数。Goertzel算法本身的描述以及使用Goertzel算法判定任何频谱分量的描述可以被找到，例如，在以下出版物中：将Goertzel算法推广到基本频率的非整数倍数(作者：Petr Sysel和Pavel Rajmic)，关于信号处理的进展EURASIP期刊，2012年。该文献的内容通过参考全部结合到本专利申请中。
根据另一实施例，通过将快速傅立叶变换(FFT)应用于多个测量值中的至少一部分来执行判定特定频谱信号分量的操作。快速傅立叶变换是离散傅立叶变换的有效实现，它可以对采样点定义的信号进行频谱分析。通过频谱分析，可以判定特定频谱信号分量。因此，快速傅立叶变换代表了上述Goertzel算法的替代方案，用于根据采样点或采样点的子集判定特定频谱信号分量。
根据另一实施例，该方法还包括以下步骤：选择多个测量值的子集。在这种情况下，在多个测量值的子集中判定特定频谱信号分量。换句话说，仅瞬时磁场的采样点的子集用于判定特定频谱信号分量。选择多个测量值的子集作为采样点允许将测量值限制为相对相关的测量值的子集，从而使得在随后判定特定频谱信号分量和随后判定从动移动部的位置时具有高精度。
根据另一实施例，多个测量值的子集取自彼此相邻布置的磁场传感器。以这种方式，选择了一组连贯的测量值，从中可以以特别可靠的方式判定特定的频谱信号分量。
根据另一个实施例，多个测量值的子集包括4至10个测量值，特别是5至8个测量值，还更特别是6个测量值。所提及的测量值数量允许在判定特定频谱信号分量时在高可靠性和准确性以及容易控制的复杂度之间进行特别好的折衷。
根据另一实施例，选择多个测量值的子集包括以下步骤：根据沿着移动部的移动路径的磁场传感器的空间布置来组织多个测量值；判定其绝对值超过预定阈值的第一测量值；选择所述第一测量值和相邻的测量值作为所述多个测量值的所述子集。以这种方式，可以确保将尽可能相关的那些测量值用于判定特定频谱信号分量，从而通过选择相邻的测量值来实现高度的可靠性。该选择还以特别有效的方式进行，因为仅通过对测量值的具体分析来挑选出第一测量值，并且通过与磁场传感器的关联来选择所述子集的其他测量值。在判定其绝对值超过预定阈值的第一测量值的步骤中，可以针对特定应用适当地判定搜索所述第一测量值的方向。
根据另一实施例，从传递第一测量值的磁场传感器的位置以及由特定频谱分量的相位角表示的从动移动部的偏移来计算从动移动部的位置。换句话说，根据从动移动部相对于传递第一测量值的所述“那个”磁场传感器的偏移来判定移动部的精确位置。传递第一测量值的磁场传感器的位置是已知位置的示例，在该已知位置上增加了偏移量或从中减去了偏移量。
根据替代实施例，多个测量值的子集被选择为预定数量的相邻磁场传感器的测量值中具有最大总和绝对值的子集。这样，选择那些描述最强磁场区域的测量值，从而保证位置判定的高度可靠性。
根据另一个实施例，判定多个测量值包括以下步骤：由多个磁场传感器提供测量数据；以及通过校准测量数据来生成多个测量值，其中所述校准包括补偿驱动磁场分量，该驱动磁场分量在运行期间由电动机的驱动元件，特别是电动机的载流线圈产生。因此，也可以将对驱动磁场分量的补偿视为由定子的电磁铁而不是由移动部的永磁体产生的信号分量的消除。以这种方式，可以特别可靠的方式判定特定频谱信号分量。驱动磁场分量的补偿可以以算法的方式来执行，例如通过相应的过滤器或通过使用查找表，有可能使用电动机的驱动元件的瞬时控制，即电动机的电磁体的控制作为输入。
根据另一个实施例，所述校准还包括：对多个磁场传感器的偏移的补偿；和/或对生产不准确的补偿，特别由不准确放置磁场传感器引起的测量误差的补偿。以这种方式，无论是通过磁场传感器的传感器固有偏移还是通过相对于标称位置定位不准确的磁场传感器，都可以补偿磁场传感器固有的不准确测量。以这种方式，又可以以特别可靠的方式判定特定频谱信号分量。
根据另一实施例，在移动部移动期间重复执行判定多个测量值、判定特定频谱信号分量以及判定从动移动部的位置的步骤。通过在操作中重复地执行所述步骤，可以在不同的时间判定从动移动部的位置，从而优选以规则的间隔获得移动部的更新位置。在特定实施例中，所述步骤每毫秒至少执行一次。换句话说，这些步骤每秒至少执行一千次，从而使移动部的更新位置至少每秒一千次可用。在另一个实施例中，所述步骤至少每100毫秒执行一次。结果，甚至更多的最新位置数据可用于移动部。当在一实施例中执行选择多个测量值的子集和/或校准测量数据的步骤时，这些步骤或这些步骤之一可以类似地重复执行。这也适用于本文所述方法的所有其他步骤或修改。
本发明的示例性实施例还包括一种使电动机从动移动部移动的方法，该方法包括以下步骤：如以上任一实施例所述，根据无接触判定从动移动部的位置的方法来判定从动移动部的位置；根据判定的从动移动部的位置来移动从动移动部。这样，使得从动移动部的受控移动成为可能，其中从动移动部的所述移动取决于从动移动部的判定位置。因此，提供了一个封闭的控制环，由于该控制环，从动移动部的移动可以非常高精度地进行。
根据又一实施例，电动机包括沿着移动部的移动路径布置的多个线圈，其中移动从动移动部的步骤包括向多个线圈的受控电流供应。以此方式，电动机的线圈形成多个电磁体，通过该电磁体可以使移动部高精度地移动。
根据另一实施例，从动移动部是移液装置的活塞，其中，通过活塞的移动来抽吸或分配移液液体。在替代实施例中，从动移动部连接移液装置的活塞，使得从动移动部的移动影响活塞的移动。可以以相对较小的复杂度来实现该连接，例如，通过在线性电动机的移动部和移液装置的活塞之间的活塞杆，或通过比较复杂的联轴器，例如在可旋转移动的转子和移液装置的活塞之间的齿轮装置。
本发明的示例性实施例还包括一种具有无接触位置判定的电动机，包括：从动移动部，其具有多个永磁体，该永磁体产生具有多个周期性间隔开的最大值的移动部磁场；定子，从动移动部相对于定子可动地配置；用于测量沿着移动路径存在的磁场并沿着移动部的移动路径布置的多个磁场传感器；和从多个磁场传感器接收测量数据的位置判定单元。位置判定单元被配置为：从测量数据中提供多个测量值，该多个测量值是由多个永磁体产生并取决于移动部的位置的瞬时磁场的采样点；从多个测量值判定特定光谱信号分量，所述特定光谱信号分量具有与移动部磁场的相邻相似最大值之间的距离相对应的空间频率；并基于特定频谱信号分量判定从动移动部的位置。
上文关于无接触判定电动机的从动移动部的位置的方法所描述的附加特征、修改和技术效果可类似地应用于具有无接触位置判定的电动机。电动机的位置判定单元尤其可以构造为执行上述方法的修改的和/或附加的步骤。
电动机的从动移动部可相对于定子和相对于多个磁场传感器移动。换句话说，移动部在称为静态的系统中移动，该系统由定子和多个磁场传感器定义。再次强调，电动机可以是线性电动机，其中，移动部相对于多个磁场传感器线性地移动。电动机也可以具有作为移动部的可旋转移动的转子，该转子在由定子和多个磁场传感器形成的系统中旋转。
根据本发明的另一实施例，相邻的永磁体具有相反的极性。移动部磁场的相邻不同最大值的间隔，即由永磁体装置产生的移动部磁场的磁南极和磁北极之间的空间距离，可以对应于永磁体的长度或相邻永磁体之间的间距。
根据另一实施例，多个永磁体串联布置，相邻的永磁体以彼此相对的相同磁极定向。特别地，永磁体可以是条形磁体。永磁体可以串联地布置在移动部的移动路径上。相邻相似最大值之间的距离可以是永磁体长度的两倍。通过这种布置，一方面可以很好地兼顾高磁场密度和电动机的高动态，另一方面可以清晰地判定移动部磁场的最大值从而可以非常精确地判定位置。
在线性电动机中，移动部可以具有多个永磁体，每个永磁体包括南极和北极，并且以彼此相邻的相同的磁极布置。换句话说，相邻的永磁体可以各自布置成使得它们的北极或南极彼此相邻。在具有可旋转移动的转子的电动机中，永磁体可以布置成使得相邻的永磁体具有在朝向气隙的方向上交替的极性。相邻永磁体的中心之间的距离于是是极距或移动部磁场的螺距。对于转子，极距可以指定为几何角度尺寸。但是，也可以将极距指定为几何长度尺寸。特定光谱信号分量的空间频率可以基于磁场传感器和永磁体之间相对于沿永磁体的移动部磁场的最大值的间距的径向偏移来调节。这是上述情况的一个示例，根据该示例，特定频谱信号分量的空间频率考虑了整个系统的几何形状，但仍与最大移动部磁场之间的距离相对应。
根据另一实施例，多个磁场传感器是多个霍尔传感器。以这种方式，可以非常直接地测量在磁场传感器上存在的磁场。
根据又一实施例，多个磁场传感器沿着移动部的移动路径大致均匀地布置。磁场传感器的基本均匀的布置允许采样点之间有规则的间隔，由此使得特定频谱信号分量的特别精确和可靠的判定成为可能。磁场传感器的规则布置还允许特别好地过滤掉电磁体产生的磁场分量。在线性电动机中，磁场传感器可以沿直线布置，这可以实现非常清晰和平坦的结构。它们也可以以不同的方式排列，例如在围绕移动部的移动路径的螺旋路径中。在具有可旋转运动的转子的电动机中，磁场传感器可以布置在圆形路径上。
根据另一实施例，从动移动部具有4至8个永磁体，特别是5或6个永磁体。指定数量的永磁体是通过定子电磁体的可移动部的有效运动与良好位置判定之间的良好折衷。特别地，指定数量的永磁体允许在判定特定频谱信号分量时在高精度和可靠性与良好控制的复杂性之间取得良好的折衷。
根据另一实施例，多个永磁体相互粘附。以此方式，通过永磁体的尺寸来限定移动部磁场的极距以简单的方式实现了，这在生产技术方面可以被很好地控制。
根据另一实施例，移动部磁场的相邻相似最大值之间的距离在10mm至20mm之间，特别是在12mm至15mm之间，还更特别地在13mm至14mm之间。所指示的值允许在移动部的尺寸、为移动部的移动获得足够的磁场密度以及判定特定频谱信号分量时需要良好处理的分辨率之间实现良好的折衷。
根据另一实施例，位置判定单元被配置为通过特定频谱信号分量的相位角来判定从动移动部的位置。就这一点而言，位置判定单元可以被配置为将特定频谱信号分量的相位角转换成从动移动部相对于已知位置的偏移。
根据另一实施例，位置判定单元被配置为通过将Goertzel算法应用于采样点来判定特定频谱信号分量。还可以通过应用快速傅立叶变换(FFT)或另一种合适种类的信号处理来判定特定频谱信号分量。
根据另一实施例，位置判定单元被配置为选择多个测量值的子集并判定多个测量值的子集中的特定频谱信号分量。
根据另一个实施例，多个测量值的子集包括4至10个测量值，特别是5至8个测量值，还更特别是6个测量值。
根据另一实施例，位置判定单元包括微控制器。使用微控制器，可以非常快速有效地判定特定频谱信号分量和从动移动部的位置。可以针对这些处理步骤优化微控制器，从而可以几乎实时地提供从动移动部的位置。但是，也可以使用通用的微控制器从测量数据判定运移动部的位置。通常，可以使用任何种类的数据处理设备，例如具有适当软件的计算机。合适的示例性微控制器是
根据另一实施例，定子具有沿着移动部的移动路径布置的多个线圈，从动移动部通过多个线圈的受控电流供应移动。
根据另一实施例，多个磁场传感器的布置匹配多个线圈的布置。在线性电动机中，磁场传感器和线圈可以沿着移动部的移动路径以相同的规则间隔布置。在具有转子的电动机中，从转子的中心的视图来看，磁场传感器和线圈可以以相同的规则角度间隔布置。磁场传感器的布置和线圈的布置的这种匹配允许从原始测量数据中特别可靠和准确地生成测量值，因为从磁场传感器的视图处来看，线圈的磁场非常规则。
根据另一实施例，电动机还包括控制单元，该控制单元耦合到位置判定单元并且被配置为基于所判定的从动移动部的位置来控制流过多个线圈的电流。以这种方式，提供了闭合控制回路，其中基于从测量数据判定的移动部的位置，经由多个线圈来控制移动部的位置。
根据另一实施例，电动机是线性电动机，其中，从动移动部可在移动路径上线性移动。
根据替代实施例，从动移动部是相对于定子可旋转地移动的转子，并移动部的移动路径基本上是圆形的。如上所述，可将移动部的移动路径定义为在一转期间转子的特定部件所通过的所有点的总和。特别地，可将移动部的移动路径定义为在一转期间面向永磁体表面的气隙的点经过的一组点。
根据另一实施例，电动机包括参考点传感器，该参考点传感器检测转子的预定部的通过。这样，可以测量转子的转数。因此，与上述移动部(即当前情况下的转子)的位置判定一起，可以判定转子的总旋转。
用于电动机的从动移动部的位置的无接触判定方法的上述实施例中的任何一个均适用于上述所有实施例中的电动机。在此明确地公开了方法的实施方式的所有特征的单独或任意组合与电动机的装置的实施方式的所有特征的单独或任意组合。
通常要注意的是，对移动部的位置的无接触判定可以涉及判定移动部的绝对位置，或者可以涉及判定移动部的相对位置。换句话说，位置判定的结果可以是相对于以某种其他方式判定的移动部的粗略位置的绝对位置或相对位置。
本发明的示例性实施例还包括用于抽吸和分配移液液体的移液系统，该移液系统包括：具有面向液体端部和远离液体端部的活塞；设置有活塞的移液通道并在移液通道的端部设置有移液器头，其中，通过移动活塞，可以通过移液器头抽吸和分配移液液体；和根据上述示例性实施例中任一项所述的电动机，其中，从动移动部是活塞或活塞的一部分，或者从动移动部被驱动地连接活塞。上文关于电动机以及关于电动机的从动移动部的位置的无接触判定方法描述的附加特征、修改和技术效果类似地适用于用于抽吸和分配移液液体的移液系统。
在移液系统中，如在上述示例性实施例中指出的，利用无接触位置判定的电动机可以特别有利地使用。所描述的电动机的位置判定以特别快速和准确的方式进行。因此，可以高动态地控制移液系统的活塞。这在移液系统中是特别有利的，因为它们例如在实验室自动化中使用时旨在在最短的时间内以最高的精度进行大量的移液操作。特别有利的是，这样的电动机可以用在相对较新的移液系统中，该移液系统以非常高的速度来回移动活塞以进行移液操作，其中，活塞的冲程比抽吸或分配的液体的体积高很多倍，并通过高动态建立的压力波进行液体抽吸或分配。特别是在这种具有高动态特性的系统中，快速而精确地判定电动机的移动部的位置非常有价值。在WO 2017/0107084 A1中公开了这种高动态移液系统。通过引用将上述申请的内容完全结合到本专利申请中。特别地，本专利申请的移液系统可以进一步以WO 2017/0107084 A1的权利要求的所有特征来单独地或以任何组合地实现。
根据另一实施例，至少活塞的面向液体端部具有相对于移液通道的密封件，由此在活塞的面向液体端部和移液器头之间的移液通道中存在密封体积。活塞的远离液体端部也可以具有相对于移液通道的密封件。通过在活塞的两端提供两个密封件，可以确保活塞在移液通道内对于两个移动方向具有基本对称的行为。
本发明的示例性实施例还包括一种包括程序指令的计算机程序或计算机程序产品，当在数据处理系统上执行该程序指令时，该程序指令执行根据上述任何实施例的方法。在这方面，该方法的各个步骤可以由程序指令启动，并且可以由其他组件执行或者可以在数据处理系统本身中执行。
附图说明
下面将参考附图描述本发明的另外的示例性实施例。
图1示出了根据本发明的示例性实施例的电动机，部分以示意性纵向剖视图且部分以框图示出；
图2示出了根据本发明的另一示例性实施例的电动机，部分以示意性横向剖视图且部分以框图示出；
图3示出了根据本发明示例性实施例的电动机中的信号处理链的框图；
图4示出了磁场传感器的示例性测量值，并且示出了特定频谱信号分量的判定的示例；
图5示出了根据本发明的示例性实施例的移液系统，部分以示意性纵向剖视图且部分以框图示出；
图6示出了示例性移动部的移动部磁场，如它可以例如在图5的移液系统中使用。
具体实施方式
图1示出了根据本发明示例性实施例的电动机2。电动机2具有定子6和转子4。另外，电动机2具有多个磁场传感器8、一个位置判定单元12和一个控制单元14。电动机2是线性电动机，其中，移动部4相对于定子6并且相对于多个磁场传感器8在线性移动路径上移动。
定子6具有由空心圆柱体61形成的通道62。在空心圆柱体61的周围布置有多个线圈60。在本示例中，12个线圈60被布置在空心圆柱体61周围。借助于三相电流驱动线圈60以使移动部4移动。为了示出三相电流，线圈60交替地设有字母U、V和W。要强调的是，三相电流的提供仅是示例性的，并且可以使用流过线圈60的任何合适类型的电流来向移动部4施加磁力。如何向定子的线圈通电以将磁力施加到移动部对本领域技术人员来说是已知的。因此，不需要关于流过线圈60的特定电流的进一步说明。
移动部4包括多个永磁体40。在本示例中，移动部4具有6个永磁体40。6个永磁体40是条形磁体，每个磁体的一端具有南极，另一端具有北极。6个永磁体40被以彼此相反的极性布置。换句话说，第一永磁体的北极被布置成与第二永磁体的北极相邻，第二永磁体的南极被布置成与第三永磁体的南极相邻，第三永磁体的北极被布置成与第四永磁体的北极相邻等。永磁体40的各个相邻的端部彼此粘接，从而6个永磁体40形成一个单元。永磁体40的布置导致交变的移动部磁场。在永磁体布置的相邻北极和南极之间，存在固定的磁极距离，该距离对应于单个永磁体的长度。移动部磁场的最大值之间的距离用D表示并相当于永磁体长度的两倍。
移动部4可沿着延伸穿过定子6的通道62的线性移动路径43移动。移动部4具有第一端盖41和第二端盖42。借助于端盖41和42，移动部4被支撑在通道62中，使得其可以沿着移动路径43移动，但是基本上不能在与移动路径43正交的方向上移动。
在图1的示例性实施例中，电动机2具有12个磁场传感器8。磁场传感器8是霍尔传感器。合适的霍尔传感器的示例是来自Asahi
多个磁场传感器8连接位置判定单元12，其中，为清楚起见，仅示出了一个磁场传感器与位置判定单元12之间的连接。位置判定单元12从磁场传感器8接收测量数据。如下面详细描述的，从这些测量数据中，位置判定单元12判定移动部4的位置。
位置判定单元12耦合至控制单元14，并且在操作中将移动部4的位置传递至控制单元14。控制单元14将由位置判定单元12判定的移动部4的位置与移动部4的期望位置进行比较，并且控制定子6的线圈60，以使得移动部4移动到通道62内的期望位置。为此目的，控制单元14连接线圈60，再次为清楚起见，仅示出了控制单元14与线圈60中的一个线圈之间的一个连接。
下面将参照图3和图4详细描述电动机2的操作，特别是由位置判定单元12判定定子6内的移动部4的位置。
如上所述，位置判定单元12和控制单元14可以被实现为单独的单元。然而，位置判定单元12和控制单元14也可以形成为一个集成单元。位置判定单元12和控制单元14中的每一个可以包括硬件或软件或硬件和软件的组合。特别地，位置判定单元12和控制单元14以及集成单元都可以包括处理器和存储器。可以提供执行或启动用于操作电动机2的方法步骤的计算机程序，包括判定移动部4的位置。
图2示出了根据本发明的另一示例性实施例的电动机2。再次，电动机2包括具有多个永磁体40的移动部4、具有多个线圈60的定子6、多个磁场传感器8、一个位置判定单元12以及一个控制单元14。
移动部4在当前情况下是可旋转移动的转子。转子4具有转子主体44，永磁体40安装在转子主体44的外部。转子4具有12个围绕转子主体44的圆周分布的永磁体。永磁体40具有交替的极性。即，在彼此相邻布置的永磁体40中，其中一个永磁体的南极朝外布置，而另一个永磁体的北极朝外布置。移动部磁场的极距或螺距定义为相邻永磁体中心之间的距离。极距可以指定为特定径向位置的几何角度值或几何长度间隔。像移动部磁场的最大值一样，具有距离D，即极距的两倍。
定子6的线圈60布置在转子主体44周围和永磁体40周围，从而在永磁体40和线圈60之间形成气隙，通过该气隙从线圈60施加磁力到永磁体40以用于移动移动部4。多个磁场传感器8沿着转子主体44的圆周的一部分围绕线圈60布置。因此，它们沿着转子4的移动路径布置，在本示例中，转子4的移动路径被定义为在转子4旋转期间由永磁体40的表面描述的圆。图2的电动机2具有6个磁场传感器8。
线圈60和磁场传感器8布置在定子壳体中，为了清楚起见，该定子壳体在图2中未示出。由于本领域技术人员熟悉将这些部件容纳在定子壳体中并且相对于这种定子壳体可旋转地支撑转子4的许多可能性，因此在此无需进一步说明。
此外，电动机2包括参考点传感器10，该参考点传感器10在当前示例中包括布置在定子6中的第一元件10a和布置在转子主体44上的第二元件10b。在本示例中，第二元件10b是彩色表面，而第一元件10a是能够检测彩色表面10b的光学传感器。此外，第一元件10a设置有计数器，该计数器记录在操作期间彩色表面10b的通过。这样，可以测量转子4的转数。
除了判定转子4的转数之外，位置判定单元12还借助于磁场传感器8的测量值来判定转子4的精确旋转位置。然后该位置被传送到控制单元14，在操作期间，控制单元14使用该信息来相应地激励线圈60，以便将转子4旋转到期望位置。同样，为了清楚起见，在图2中仅示出了磁场传感器8和位置判定单元12之间的连接中的一个连接以及控制单元14和线圈60之间的连接中的一个连接。然而，所有磁场传感器8都连接位置判定单元12，并且所有线圈60都连接控制单元14。
下面还将参照图3和图4针对图2的电动机2描述借助于位置判定单元12进行的位置判定。
要强调的是，图1和图2仅示出了定子、移动部和磁场传感器的示例性布置。许多其他布置是可能的。例如，除了所示的用于驱动移动部的永磁体之外，还有可能存在另外的永磁体，其产生用于判定位置的移动部磁场。这些额外的永磁体可以与被提供用于驱动的永磁体以不同的间隔布置，以便可靠地判定特定频谱信号分量。例如，在具有可旋转移动的转子的电动机的情况下，可以在转子的整个圆周上布置这种附加的永磁体，并磁场传感器仅沿着转子的移动路径的一部分布置。然而，也可能的是，附加的永磁体仅围绕转子的圆周的一部分布置，并磁场传感器沿转子的整个移动路径布置。
图3示出了根据本发明示例性实施例的电动机中的信号处理链的框图。所示的信号处理链还用于提供根据本发明的示例性实施例的用于电动机的移动部的位置的无接触判定方法的详细描述。所示的信号处理链可用于图1的电动机和图2的电动机中。
图3示出了多个磁场传感器8与位置判定单元12的连接、位置判定单元12与控制单元14的连接以及控制单元14与多个线圈60的连接。下面，将特别描述位置判定单元12，同时描述根据磁场传感器8的测量数据判定移动部的位置的各个步骤。在这方面，也将参考图4进行说明。
位置判定单元12包括校准模块120、选择模块122、Goertzel算法模块124和位置计算模块126。校准模块120连接磁场传感器8，并从磁场传感器8接收测量数据。校准模块120还连接选择模块122。选择模块122依次连接Goertzel算法模块124和位置计算模块126。Goertzel算法模块124也连接位置计算模块126。位置计算模块126连接控制单元14。此外，控制单元14连接校准模块120。
校准模块120从磁场传感器8接收原始测量数据，即，校准模块120接收描述了存在于磁场传感器8的位置处的所有磁场的叠加的测量数据。磁场传感器可以各自具有它们自己的模数转换器。磁场传感器的输出也可能快速连续地连接到相同的模数转换器，然后将测量数据作为测量序列以数字形式传递给校准模型。一种示例性的合适的模数转换器是来自Analog
第一，通过磁场传感器8的偏移值校正测量数据。为了判定偏移值，在电动机正常运行之前在定子中没有移动部并且线圈中没有电流流动的情况下测量磁场传感器的测量值。这些测量值代表偏移值，并为各个磁场传感器8存储。在校准模块120中，在正常操作期间将这些偏移值相加或相减。
第二，由定子的线圈产生的磁场的信号分量被滤除。为此，在测试操作中向线圈施加已知的电压，并测量所产生的磁场，并存储测试的测量数据。在正常操作中，控制单元14将信号发送到校准模块120，控制单元14通过该信号告知施加到线圈60的电压。校准模块访问测量的测试数据并消除测量数据中的相应成分。
第三，补偿了磁场传感器8的不准确放置。每个磁场传感器8具有根据电动机的设计将其放置在的标称位置。但是，在生产中可能会出现不准确，从而导致一个或多个磁场传感器的实际位置偏离标称位置。因此，一个或多个磁场传感器不测量标称位置处的磁场，而是测量实际位置处的磁场。通过在测试模式下的测量，产生相应的校正因子或算法，通过该校正因子或算法，将测量数据转换成针对标称位置估算的磁场。
作为输出，校准模块为由多个永磁体产生并存在于定子的参考系统中的瞬时磁场提供一组测量值。要强调的是，校准可能是不完善的，并且由多个永磁体产生的瞬时磁场的测量值是估计值。这甚至可能是正常情况。因此，也可以将由多个永磁体产生的瞬时磁场的测量值描述为基于实际测量的估计值。
测量值被发送到选择模块122。在图4中，测量值用圆圈表示，并提供有附图标记70。尽管测量值的数量以及因此磁场传感器的数量与图1的电动机不一致，但是仍然可以清楚地想像到，图4中从左到右所示的测量值可能属于如图1所示的磁场传感器沿着线性电动机的布置。图4的x轴示出了单位cm，其中x值指示相对于电动机的参考点的距离，例如，相对于线性电动机的通道的端部。为了判定图2中的电动机的位置，还可以省略选择模块。由于图2的电动机仅具有6个磁场传感器，并且由于永磁体围绕转子主体的整个圆周的布置，一部分移动部磁场始终施加于所有磁场传感器，因此，减小测量值可能是不希望的。
选择模块122接收来自校准模块120的测量值70的集合，并选择相关测量值的子集。此时，选择模块122针对每个测量值计算由多个永磁体产生的磁场的绝对值。绝对值定义为与传感器参考值的绝对误差，该传感器参考值表示在距永磁体很远的距离处的磁场传感器的测量值。在图4的图中，传感器参考值定义为0。
选择模块122从与在位置0cm处的磁场传感器相关联的绝对值开始依序地检查所得的绝对值，该绝对值高于预定阈值。在图4的示例性实施例中，预定阈值为800，该值被认为是无量纲的输出值，并且具有纯粹的示例性值。对于图4所示的测量值，选择模块122判定与3.7cm位置处磁场传感器相关联的测量的绝对值是高于预定阈值的第一绝对值。基于该判定，选择模块122选择与3.7cm位置处磁场传感器相关联的测量值和相邻的五个测量值作为相关子集。所选的测量值在图4中带有叉号以示说明，并用附图标记72表示。
六个选定的测量值72被传输到Goertzel算法模块124。另外，选择模块122将该磁场传感器的位置传输到位置计算模块126，该位置计算模块126的测量值具有大于预定阈值的第一绝对值。在本示例中，选择模块122将位置3.7cm传输到位置计算模块126。通过该传输，位置计算模块126被告知移动部的预定分量，如下所述，在位置3.7cm附近。3.7cm的位置称为已知位置。然后，可以通过链接此已知位置和Goertzel算法模块124的结果来计算移动部的确切位置。
Goertzel算法模块124接收6个选择的测量值72作为Goertzel算法的基础。换句话说，6个选择的测量值72是采样点，通过该采样点执行Goertzel算法。Goertzel算法从采样点判定频谱信号分量，这些采样点的空间频率对应于两个相邻的移动部磁场最大值之间的距离D。因此，在本示例中，Goertzel算法针对空间频率判定由采样点形成的信号的频谱内容，该空间频率对应于移动部的永磁体的极距的两倍。对于特定空间频率的所述频谱信号分量或所述频谱内容也称为特定频谱信号分量。在所示示例中，两个相邻相似最大值之间的距离D为1.38cm。
关于特定频谱信号分量的采样点的分析是基于这样的考虑，即，具有限定的极螺距的永磁体会产生磁场，该磁场在空间频率是极螺距的两倍时具有强的振荡分量。换句话说，所描述的分析是基于这样的考虑，即，具有限定的极螺距的多个永磁体在很大程度上也产生磁场，该磁场随着该限定的极螺距而变化。通过相对于特定光谱信号分量的光谱分析来判定该磁场的位置。
特定频谱信号分量在图4中提供有附图标记74，并在整个长度上显示为正弦曲线。如图4所示，特定频谱信号分量74可以描述为连续曲线。但是，也可以用两个特性值来描述，即振幅和相位角。在这种情况下，振幅描述了由永磁体产生并以特定空间频率振荡的磁场分量的强度。相位角描述了振荡磁场分量相对于已知位置(例如，相对于其测量值具有大于预定阈值的绝对值的第一磁场传感器的位置，或者相对于电动机的端部或其他参考值的位置)的偏移。在图4的本示例中，将偏移定义为其测量值具有高于预定阈值的第一绝对值的磁场传感器的位置(在本示例中为3.7cm)和特定频谱信号分量74的下一个局部最大值或最小值的位置两者之间的距离。在本示例中，偏移量为-0.1cm。
Goertzel算法模块124将偏移量传输到位置计算模块126，位置计算模块126根据偏移量和从选择模块122接收的已知位置来计算从动移动部的位置。在本示例中，从动移动部的位置为3.6cm，对应于3.7cm和-0.1cm之和。因此，位置计算模块126已经判定了移动部的位置，并且将该信息传输到控制单元14。
移动部的哪个部件或哪个部分被建立在移动部的判定位置处是由于电动机的特定设计和上述信号处理的特定实施而导致的。在图3和图4的示例中，通过上述信号处理判定的移动部的位置是沿着移动部的移动路径的第二极的位置。识别第二极位置的背景是要考虑到第二极比第一极更容易识别，因为第一极产生的磁场由于没有其他极而进一步延伸并因此较弱。从图4的测量值中可以看出，在位置3.7cm处的磁场传感器的测量值之前，在另一个方向上已经存在一个强度较小的峰值。选择预定阈值，使得第二极的磁场的绝对值超过预定阈值。基于移动部的已知几何形状，然后可以判定移动部的任何部分的位置。要强调的是，除了判定这里描述的第二极的位置之外，还有其他可能性来判定移动部的特定部件的位置。对于给定的系统，本领域技术人员可以根据具体情况选择和决定其位置被准确可靠地判定的组件。
参照图3，位置判定单元12被描述为多个模块的组合。这些模块是逻辑单元，每个逻辑单元执行信号处理操作的特定步骤。可以看出，实际实施中各个步骤的分离可能不太清晰，或者处理步骤或其子步骤可以不同地分组。位置判定单元可以是微控制器或用于信号处理的任何其他合适的设备。
因此，在图4的示例性实施例中，位置判定单元12需要30μs至40μs之间的时间，以根据磁场传感器的测量数据来判定移动部的位置。这意味着移动部的位置可非常快地，特别是几乎实时地供控制单元14使用。位置判定单元12的高动态即使在快速移动的情况下也有助于有效地控制移动部的位置。
图5示出了根据本发明示例性实施例的移液系统100。移液系统100包括电动机2，其原则上与图1的电动机2非常相似。模拟组件具有相同的附图标记，并且将不再描述。特意参考图1的描述。电动机2垂直地布置在图5的移液系统100中。
由空心圆柱体61形成的通道62是移液系统100的移液通道62。电动机2的移动部4是移液系统100的活塞4，其可移动地容纳在移液通道62中。移动部的第一端盖41是活塞的下端盖，移动部的第二端盖42是活塞的上端盖。第一和第二端盖41、42是相对于移液通道62密封活塞的密封件。
在本示例中，移动部4包括5个永磁体40，它们如图1所示成对布置，并具有彼此面对的相似的磁极。在本示例中，还存在10个霍尔传感器8和10个线圈60。可以看出，永磁体的数量、线圈的数量和磁场传感器的数量可以适合于具体实施例。
端盖41、42优选地由包括石墨的低摩擦材料形成，如例如从Airpot Corporationof Norwalk,Connecticut,(US)获得的活塞中得知的。为了最大程度地利用由这种材料提供的低摩擦，空心圆柱体61优选设计为玻璃圆柱，使得在活塞4沿着移动路径43移动期间，含石墨的材料在玻璃表面以非常低的磨擦滑动。
参照图1至图4如上所述，磁场传感器8将测量数据传输到位置判定单元12，位置判定单元12随后判定活塞4的位置，并将活塞4的位置传输到控制单元14，控制单元14随后基于活塞4的位置控制线圈60。关于该控制的细节，参考如上描述。
在移液通道的加液侧端部，移液器头26以本身已知的方式可释放地附接。移液器头26在其内部限定移液空间28，该移液空间28在远离移液通道的端部仅可通过移液口30进入。在分配过程之前的示例性状态中，如图5所示，在移液空间28中存在一定剂量的定量液体32。该数量已被先前执行的抽吸过程吸收。
在移动部4和定量液体32之间永久存在工作气体34，该工作气体在移动部4和定量液体32之间用作力传递器。即使当移液器头26完全排空时，在移动部4和定量液体32之间也存在工作气体34，因为移液器头26被浸入相应的定量液体供应中以抽吸定量液体，以致于在这种状态下至少在移液口30处存在定量液体的弯液面。因此，在与移液过程有关的每种状态下，工作气体34永久且完全存在于移动部4和定量液体32之间，并使它们彼此分离。
基于图5所示的状态，下面将描述移液系统100的两种分配过程。一方面，可以通过相对略微增加工作气体34的压力而使移动部4相对缓慢地移动，并通过移液口30推出相应量的移液液体32。另一方面，可以使移动部4以相对较快的、鞭状移动(whip-likemovement)，并且可以利用所产生的压力波通过移液口30推出所需量的移液液体32。在该实施例中，为了分配非常少量的液体，例如约1μI的定量液体32，可以以较大的行程引起移动部4的移动，使得第一端盖41的端面通过的体积是非常少量液体的体积的倍数，例如约20倍。结果，形成了压力波。在非常迅速的连续过程中，移动部4在移向移液液体32之后缩回，移动部4在其相对于对应于非常少量液体的体积的初始位置的位置变化的位置处停止。通过移动部4的返回移动，产生抵消压力波的压降。压力波在消失之前将非常少量的液体从移液口30推出。
对于所述的两种分配过程，参考图1至图4可如上文所述以可控的方式移动移动部。特别是在第二实施例中，由于移动部4的移动比较快，因此上述位置判定方法非常有用，因为可以非常快速地判定移动部4的位置，并且对移动部4的位置的控制可以对应于移动部4移动的高动态。类似地适用于抽吸过程。
图6示出了多个永磁体40，因为它们可以设置在例如图5的移液系统100的移动部中，也可以是移动部磁场45的一部分。特别地，图6示出了5个永磁体40，其分别以彼此相反极性的极彼此面对地布置，如上文对应于图1和图5所详细描述的。因此，移动部磁场的相邻最大值之间的距离D对应于两个永磁体40的长度。
图6中示出了来自移动部磁场45，由虚线包围的部分。移动部磁场45由多条磁力线表示。图6表明，在每种情况下，若干磁力线在永磁体之间的边界处会聚，这表示各自的磁场最大值。在永磁体之间的边界处，形成具有强磁场分量的磁场，该磁场与永磁体的方向正交，并且因此在旋转对称系统中呈径向。可以很好地检测到这样的强磁场分量。
要强调的是，图6和之前的图均未按比例绘制。它们用来说明本发明的示例性实施例的功能原理。可以看出，例如，移动部磁场的强度以及永磁体和磁场传感器之间的距离可以相互匹配，以实现特别有效和可靠的位置判定。
图5的移液系统可包括WO 2017/017084 A1中所示的任何部件和修改。通过参考将所述专利申请的内容整体并入本专利申请中。
所描述的位置判定方法和所描述的电动机也适用于移液系统，该移液系统中活塞直接抵接移液液体。
此外，所描述的位置判定方法和所描述的电动机适用于任何其他技术系统，该任何其他技术系统中由电动机驱动的部件以高精度运动。
尽管已经参考示例性实施例描述了本发明，但是对于本领域技术人员将显而易见的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行各种改变并且可以采用等同方式。本发明不应受到所描述的具体实施例的限制。相反，它涵盖了落入所附权利要求书内的所有实施例。
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