中药煎药机的自动挤压装置及其控制电路和压力控制方法
阅读说明：本技术 中药煎药机的自动挤压装置及其控制电路和压力控制方法 (Automatic extrusion device of traditional Chinese medicine decocting machine and control circuit and pressure control method thereof ) 是由 陈政 陈建平 于 2020-05-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种中药煎药机的自动挤压装置及其控制电路和压力控制方法。所述控制电路主要包括电流采集模块、与该电流采集模块连接的运算/控制模块,与所述运算/控制模块连接的脉冲发生模块以及与该脉冲发生模块连接的步进电机驱动器。通过采集步进电机的电流及转速来计算其输出力矩,以对所述挤压装置的压力进行控制。且进一步设有选通电路,能够实现对多个挤压装置进行控制。所述控制电路中设有通信接口,可与上位机或其他外部设备进行通信连接。本发明的挤压装置及其控制电路和压力控制方法仅靠测量电机的电流和转速即可实现压力控制,同时规避了现有的自动挤压装置中所需的各种传感器的使用,提高了设备的可靠性,降低了设备的运维成本。(The invention discloses an automatic extrusion device of a traditional Chinese medicine decocting machine, a control circuit and a pressure control method thereof. The control circuit mainly comprises a current acquisition module, an operation/control module connected with the current acquisition module, a pulse generation module connected with the operation/control module and a stepping motor driver connected with the pulse generation module. The output torque of the stepping motor is calculated by collecting the current and the rotating speed of the stepping motor so as to control the pressure of the extrusion device. And a gating circuit is further arranged, so that the control over a plurality of extrusion devices can be realized. The control circuit is provided with a communication interface and can be in communication connection with an upper computer or other external equipment. The extrusion device, the control circuit and the pressure control method thereof can realize pressure control only by measuring the current and the rotating speed of the motor, and simultaneously avoid the use of various sensors required in the existing automatic extrusion device, thereby improving the reliability of the equipment and reducing the operation and maintenance cost of the equipment.)
技术领域
本发明属于中药煎药机领域，具体为中药煎药机的自动挤压装置，及其控制电路和压力控制方法。
背景技术
中药的煎制是中药最为常用的加工方法之一。在中药煎制过程中，适度地挤压有助于药材的有效成分释放到药液中。药材的剂量、类型的差异要求挤压力度应当适配，挤压不充分或者过度挤压不利于中药药材的煎制甚至导致设备工作异常。
现有中药煎药机主要采用手动挤压和自动挤压两种控制方式。手动挤压方式是传统的方式，手动挤压主要依靠操作工的经验控制挤压力度，劳动强度很大，且在现代化的中药煎药生产过程中很难保证必要的稳定性；目前主要的发展方向是自动挤压方式。现已有部分中药煎药机配置自动挤压装置来完成所述挤压操作。目前现有中药煎药机的自动挤压装置能够完成挤压操作，但并不提供对挤压力度的控制，且存在诸多缺陷：
1、需要配置若干传感器及配套机构以获取挤压装置的位移、位置等信息并加以控制。而煎药机工作环境具有温度高、湿度大等种种不利因素。这些传感器和配套机构的存在导致煎药机的复杂性增加，可靠性降低，运维成本增加。
2、一般控制方案均以控制正反转和启停为主要目的。实际上煎药机的挤压过程是煎药过程中的一个重要环节。反复挤压并根据药材的类型、剂量的差异要求配以合适的挤压力度是自动挤压装置的主要任务。而正反转和启停应该仅仅是自动挤压装置的必需满足的基本要求。
发明内容
本发明的第一个目的是提供一种中药煎药机的自动挤压装置的控制电路。本发明的一种中药煎药机的自动挤压装置的控制电路包括电流采集模块、与该电流采集模块连接的运算/控制模块，与所述运算/控制模块连接的脉冲发生模块以及与该脉冲发生模块连接的步进电机驱动器，其中：
所述电流采集模块包括采样元件，与该采样元件连接的放大电路，与所述放大电路连接的模数转换器；所述采样元件用于采集步进电机的电流，通过所述放大电路放大后输入所述模数转换器，以将所述步进电机的电流的模拟量转换为数字量数据；
所述模数转换器通过并行I/O(输入/输出)接口与所述运算/控制模块连接，用于将所述数字量数据输入所述运算/控制模块；
所述运算/控制模块与所述脉冲发生模块通过I/O接口连接，进而将用于控制所述步进电机的参数发送给所述脉冲发生模块，所述参数包括脉冲数、加速/减速信号等；
所述脉冲发生模块的一I/O接口与所述步进电机驱动器的脉冲信号输入端CP连接，用于向所述步进电机驱动器发送脉冲信号；
所述运算/控制模块的一I/O接口与所述步进电机驱动器的方向信号输入端DIR连接，用于向所述步进电机驱动器发送方向信号。
根据一个优选实施例，所述采样元件为一采样电阻，该采样电阻串联于所述步进电机驱动器的电源端，所述采样电阻的一端还与所述放大电路的第一输入端导线连接，所述采样电阻的另一端还与所述放大电路的第二输入端导线连接。
根据一个优选实施例，所述放大电路为二级放大电路。
进一步的，所述运算/控制模块的一个I/O接口与一急停装置导线连接，且接收所述急停装置产生的急停信号，以在异常情况下控制所述步进电机停止运转。
进一步的，所述控制电路中还设有选通电路，该选通电路包括若干光电耦合电路及若干继电器，一路所述光电耦合电路对应连接并控制一个所述继电器；所述继电器的四个触点端与所述步进电机驱动器的输出端对应连接，所述继电器的另外四个触点端则用于与步进电机连接。以选通控制的方式控制多个步进电机。
进一步的，所述运算/控制模块还设有一I/O拓展电路，且借助该I/O拓展电路与所述光电耦合电路连接，用于拓展所述运算/控制模块的I/O接口，以支持更多的选通控制对象。
根据一个优选实施例，所述I/O拓展电路为译码器。
进一步的，所述运算/控制模块还通过I/O接口与一通信接口装置连接，通过该通信接口可与外部设备进行通信。
本发明的第二个目的是提供一种中药煎药机的自动挤压装置。本发明的一种中药煎药机的自动挤压装置，包括一步进电机、受该步进电机驱动的传动机构、执行机构及所述步进电机的控制电路，其中：
所述步进电机的控制电路为所述中药煎药机的自动挤压装置的控制电路；
所述传动机构包括一主动齿轮、与该主动齿轮相啮合的从动齿轮、以及一丝杆，所述丝杆的顶部与所述从动齿轮固定连接；
所述步进电机的输出轴与所述主动齿轮固定连接；
所述执行机构在所述丝杆的转动时，受该丝杆驱动进而向上/下运动；
所述步进电机驱动所述主从齿轮转动，同时带动所述从动齿轮和所述丝杆转动，进而驱动所述执行机构向下挤压药材或者向上复位；
所述步进电机与所述控制电路导线连接。通过所述控制电路向该步进电机输送的驱动信号控制该步进电机，所述控制电路通过采集所述步进电机的电流以控制该步进电机的输出力矩。所述控制电路通过判断所述步进电机的输出力矩是否达到控制阈值，来判定是否使所述步进电机停转，即可实现所述挤压机构的下限位和上限位。
进一步的，所述步进电机的输出轴与所述主动齿轮之间设有一缓冲扭簧，该缓冲扭簧的一端与所述步进电机的输出轴固定连接，另一端与所述主动齿轮固定连接；所述步进电机借助该缓冲扭簧带动所述主动齿轮转动。所述缓冲扭簧能够缓解所述挤压机构的刚性碰撞。
本发明的第三个目的是提供一种中药煎药机的自动挤压装置的压力控制方法。本发明的一种中药煎药机的自动挤压装置的压力控制方法，包括以下步骤：
S1、在电机空载时，测得步进电机的电流i0，同时获取该步进电机的转速n，进而得到该步进电机的电流-转速特性曲线i0(n)；在不丢步的情况下，所述步进电机的转速n可根据公式n＝Kf计算得到，式中，f为电机驱动器输出的步进电机工作频率，K为常数，且由所述步进电机输出轴旋转一周所需的脉冲数和细分参数决定；
S2、根据所述曲线i0(n)，获得所述步进电机自启动运转到停止运转过程中转速n的范围，且选取所述步进电机的转速的线性工作区所对应的转速区间[n1,n2]；
S3、在电机空载时，在定转速n1下，测得所述步进电机的输出力矩曲线T0[n1,i]；在定转速n2下，测得所述步进电机的输出力矩曲线T0[n2,i]；
S4、根据所述两条输出力矩曲线T0[n1,i]及T0[n2,i]，采用插值拟合算法得到在转速区间[n1,n2]范围内的输出力矩曲线T0[n,i]；
S5、所述挤压装置对药材进行挤压时，采集所述步进电机的电流i及转速n并根据所述输出力矩曲线T0[n,i]计算出所述电机的实时输出力矩T，当电机的实时输出力矩T的值达到设定的阈值Ts时，控制所述步进电机停转，进而实现压力控制。
进一步的，根据煎药工艺要求设定所述阈值Ts和所需挤压次数进行挤压操作；所述挤压装置复位时根据所述步进电机的输出力矩，判断并控制其复位动作是否停止。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)所述控制电路可以控制步进电机输出力矩从而可以根据煎药药方的工艺要求控制挤压压力，满足不同药方的不同挤压要求。
2)挤压装置内没有任何位移及位置传感器及配套机构，从而大大提高了设备的可靠性，降低了设备的运维成本。
3)所述挤压装置的控制电路中设有通信接口，可与外部设备进行通信连接；且设有选通电路，可实现对多个步进电机进行选通控制，从而一个所述的控制电路可以控制多个煎药机的挤压装置。
4)所述挤压装置中设有缓冲扭簧，可缓冲设备运行中出现的刚性碰撞，避免设备故障或损毁，同时借助对步进电机的输出力矩的监控，即可实现对所述挤压装置的执行机构的上/下限位，降低了设备的机械结构的复杂性，有利于提高设备的可靠性和稳定性。
附图说明
图1为实施例的中药煎药机的自动挤压装置的控制电路的结构框图。
图2为图1的包含电流采集模块的局部结构框图。
图3为图1的包含步进电机驱动器与运算/控制模块、脉冲发生模块之间的局部结构框图。
图4为图1的运算/控制模块、脉冲发生模块与急停装置/外部急停信号结构框图。
图5为图1的步进电机与步进电机驱动器之间增设的，且由运算/控制模块控制的选通电路的结构框图。
图6为图5的选通电路的详细结构框图。
图7为在图5的基础上增加I/O拓展电路及通信接口装置的结构框图。
图8为实施例的中药煎药机的自动挤压装置的控制电路的详细电路图。
图9为实施例中的步进电机驱动器与继电器、步进电机的电路连接示意图。
图10为实施例的中药煎药机的自动挤压装置的剖面示意图。
图11为实施例的中药煎药机的自动挤压装置的压力控制方法的流程示意图。
图12为步进电机的电流-转速特性曲线i0(n)的示意图。
图13为步进电机的输出力矩曲线T0[n1,i]及T0[n2,i]的示意图。
图号说明：
110.电流采集模块，111.采样元件，112.放大电路，113.模数转换器，114.第一运算放大器，115.第二运算放大器，116.放大电路的第一输入端，117.放大电路的第二输入端，118.放大电路的输出端。
120.运算/控制模块，121.I/O拓展电路，122.通信接口装置。
130.脉冲发生模块。
140.步进电机驱动器，141.步进电机，142.传动机构，143.主动齿轮，144.从动齿轮，145.丝杆，146.执行机构，147.缓冲扭簧，148.压盘板。
150.选通电路，151.继电器。
161.第一选通信号，162.第二选通信号，163.第三选通信号，164.第四选通信号，165.第五选通信号，166.第六选通信号，167.第七选通信号，168.第八选通信号。
170.上位机。180.光电耦合电路，181.光电耦合器。190.急停装置。
200.煎药机，201.煎药机盖子，202.内套筒，203.丝杆螺母，204.外套筒，205.电机固定座。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进一步说明。
以下实施例中，术语电源指输入电路的电源VCC，某一元器件接电源即指该元器件与所述VCC导线连接。
如图1所示，本实施例的中药煎药机的自动挤压装置的控制电路包括一电流采集模块110、与该电流采集模块110连接的运算/控制模块120，与所述运算/控制模块120连接的脉冲发生模块130以及与该脉冲发生模块130连接的步进电机驱动器140，所述步进电机驱动器140用于与步进电机141连接进而控制所述步进电机141。
如图2所示，所述电流采集模块110包括采样元件111，与该采样元件111连接的放大电路112，与所述放大电路112连接的模数转换器113。结合图8所示，优选的，所述采样元件111为一采样电阻R1，该采样电阻R1串联于所述步进电机驱动器140的电源端，所述采样电阻R1的一端还与所述放大电路的第一输入端116导线连接，所述采样电阻R1的另一端与所述放大电路的第二输入端117导线连接，所述放大电路的输出端118与所述模数转换器113的一模拟量输入端导线连接，所述模数转换器113的数字量输出端与所述运算/控制模块120连接。所述采样电阻R1与所述步进电机驱动器140的电源端串联，采集所述采样电阻R1的电压信号，通过所述放大电路112放大后输入所述模数转换器113。将所述电压信号转换为数字信号后输入所述运算/控制模块120，通过计算得到所述采样电阻R1的电流即所述步进电机141的电流。所述模数转换器113可采用例如型号为ADC0809的模数转换器。
结合图8所示，优选的，所述放大电路112为二级放大电路，包括第一运算放大器114和第二运算放大器115。
所述第一运算放大器114的反相输入端与所述放大电路的第一输入端116之间串联有一电阻R2；该第一运算放大器114的同相输入端与所述放大电路的第二输入端117之间串联有一电阻R3；该第一运算放大器114的同相输入端还与一电阻R4的一端导线连接，且该电阻R4的另一端接地；该第一运算放大器114的反相输入端及其输出端之间并联有一反馈电阻R5。所述第一运算放大器114的输出端与一电阻R6的一端导线连接，该电阻R6的另一端则同时与电容C1、C2以及电阻R7的一端导线连接，所述电容C1、C2的另一端均接地，所述电阻R7的另一端则与所述第二运算放大器115的反相输入端导线连接。
所述第二运算放大器115的同相输入端与一电阻R8的一端导线连接，该电阻R8的另一端接地；该第二运算放大器115的反相输入端还与一电阻R9的一端导线连接，该电阻R9的另一端接电源；该第二运算放大器115的输出端则与所述模数转换器113的一模拟量输入端导线连接，且该第二运算放大器115的输出端及反相输入端之间并联有一反馈电阻R10。所述第一、第二运算放大器114、115可采用例如型号为TL072的运算放大器。
所述模数转换器113的八位数字量输出端则与所述运算/控制模块120的一个八位并行I/O接口对应连接。该模数转换器113的转换结束信号端EOC与所述运算/控制模块120的一个I/O接口导线连接，该模数转换器113的地址锁存允许信号端ALE及转换启动脉冲输入端START同时与所述运算/控制模块120的另一个I/O接口导线连接，该模数转换器113的使能端ENABLE则与所述运算/控制模块120的一个I/O接口导线连接。该模数转换器113的基准电压电路以及时钟信号电路等其他的设置为公知常识，此处不再赘述。
所述运算/控制模块120与所述脉冲发生模块130通过I/O接口导线连接，此处运算/控制模块120与脉冲发生模块130的I/O连接方式采用并行I/O连接或串行I/O连接，在本发明中不受限制。所述运算/控制模块120将用于控制所述步进电机141的参数发送给所述脉冲发生模块130，所述参数包括脉冲数即频率、加速/减速信号，所述脉冲发生模块130根据所述脉冲数可得到频率。容易理解，所述运算/控制模块120可使用例如51系列单片机、PLC等运算/控制芯片，所述脉冲发生模块130可使用例如莱迪思半导体有限公司的型号为ispLSI-1032E等可编程逻辑器件。同理，其中晶振电路/时钟信号等常规电路的设置此处不再赘述。
如图3所示，并结合图8，所述脉冲发生模块130的一I/O接口与所述步进电机驱动器140的脉冲信号输入端CP连接，且向该步进电机驱动器140发送脉冲控制信号。所述运算/控制模块120的一I/O接口与所述步进电机驱动器140的方向信号输入端DIR连接，所述运算/控制模块120向该步进电机驱动器140发送方向控制信号。
如图4所示，进一步的，所述运算/控制模块120的一个I/O接口与一急停装置190导线连接，且接收所述急停装置190产生的急停信号，以在异常情况下控制所述步进电机140停止运转。所述急停装置190可以是一急停按键，通过按下该急停按键产生急停信号。
如图5和图6所示，进一步的，所述控制电路中还设有选通电路150，该选通电路150包括若干光电耦合电路180及若干继电器151，一路所述光电耦合电路180与一个所述继电器151对应连接，通过该光电耦合电路180及继电器151实现选通控制。
结合图8和图9所示，所述光电耦合电路180包括一光电耦合器181以及串联于该光电耦合器181的正极输入端的电阻R13，该电阻R13的另一端接电源，所述光电耦合器181的负极输入端与所述运算/控制模块120的一I/O接口导线连接；所述光电耦合器181的发射极输出端接地，该光电耦合器181的集电极输出端则与所述继电器151的线圈的一端连接，该继电器151的线圈的另一端接电源；所述继电器151的四个触点端5、6、7、8与所述步进电机驱动器140的四个输出端相应地一对一导线连接，所述继电器151的另四个触点端9、10、11、12则相应地用于与步进电机141连接。所述光电耦合电路180接通时，所述继电器151的线圈的电源也接通，此时该继电器的四个触点端9、10、11、12与四个触点端5、6、7、8相应地接通。进而借助所述选通电路150，以选通控制的方式控制多个步进电机141。
如图7所示，进一步的，所述运算/控制模块120还设有一I/O拓展电路121，且借助该I/O拓展电路121与所述光电耦合电路180连接，用于拓展所述运算/控制模块120的I/O接口，以支持更多的选通控制对象——步进电机141。结合图8所示，优选的，所述I/O拓展电路121为译码器，例如型号为SN74LS138的三线-八线译码器，其地址输入端与所述运算/控制模块120的I/O接口导线连接，其输出端的八个引脚中，每一个引脚对应与一路所述光电耦合电路180连接。对于该款译码器，可拓展八个选通信号——第一至第八选通信号161、162、163、…、168。
结合图8所示，进一步的，所述运算/控制模块120还通过I/O接口与一通信接口装置122连接，例如型号为MAX485的通信接口，通过该通信接口装置122可与外部设备进行通信，例如与上位机170建立通信连接。
如图10所示，本实施例的中药煎药机的自动挤压装置包括一步进电机141、受该步进电机驱动的传动机构142、执行机构146及所述步进电机141的控制电路(图中未示出)。所述步进电机141的控制电路为所述中药煎药机的自动挤压装置的控制电路。所述传动机构142包括一主动齿轮143、与该主动齿轮143相啮合的从动齿轮144、以及一丝杆145，所述丝杆145的顶部与所述从动齿轮144固定连接；
所述步进电机141的输出轴与所述主动齿轮143固定连接；
所述执行机构146在所述丝杆145转动时，受该丝杆145驱动进而向上/下运动。
所述步进电机141驱动所述主从齿轮143转动，同时带动所述从动齿轮144和所述丝杆145转动，进而驱动所述执行机构146向下挤压药材或者向上复位。
所述步进电机141与所述控制电路导线连接，通过所述控制电路向该步进电机141输送的驱动信号控制该步进电机141。所述控制电路可以控制该步进电机141的输出力矩。所述控制电路通过判断所述步进电机的输出力矩是否达到控制阈值，来判定是否使所述步进电机停转，即可实现所述挤压机构的下限位和上限位，进而停止向下挤压；或者判断所述执行机构已完成复位，进而停止向上运动。所述挤压机构可采用任何合适的现有技术实现。所述执行机构146主要包括设于煎药机200内部的压盘板148、穿过所述煎药机盖子201的一内套筒202，及所述内套筒202的顶部的一丝杆螺母203。所述丝杆145套设于所述丝杆螺母203的中部且通过螺纹互相配合，所述执行机构146与其外侧的外套筒204之间通过滑条-滑槽(图中未示出)配合的方式限制其周向运动，所述滑槽开设于所述外套筒204的内侧壁上，所述滑条固定连接在所述丝杆螺母203上。因此所述丝杆145转动时，所述丝杆螺母沿该丝杆145上下运动，进而带动整个执行机构146向上/下运动。
进一步的，所述步进电机141的输出轴与所述主动齿轮143之间设有一缓冲扭簧147，该缓冲扭簧147的一端与所述步进电机141的输出轴固定连接，另一端与所述主动齿轮143固定连接；所述步进电机141借助该缓冲扭簧147带动所述主动齿轮143转动。
进一步的，所述步进电机141通过一固定连接在所述外套筒204的顶部外侧的电机固定座205进行固定安装。
如图11所示，本实施例的中药煎药机的自动挤压装置的压力控制方法，包括以下步骤：
结合图12所示，S1、在电机空载时，测得步进电机的电流i0，同时获取该步进电机的转速n，进而得到该步进电机的电流-转速特性曲线i0(n)；在不丢步的情况下，所述步进电机的转速n可根据公式n＝Kf计算得到。
S2、根据所述曲线i0(n)，获得所述步进电机自启动运转到停止运转过程中转速n的范围，且选取所述步进电机的转速的线性工作区所对应的转速区间[n1,n2]。相应的，所述挤压装置执行挤压操作时，步进电机工作在该转速区间[n1,n2]内。
由于步进电机的输出力矩受到多个参数的影响，且存在非线性关系。因此，采取以下步骤，找出步进电机的电流与其输出力矩之间的关系。
结合图13所示，S3、在电机空载时，在定转速n＝n1n＝n下，测得所述步进电机的输出力矩曲线T0[n1,i]；在定转速n＝n2下，测得所述步进电机的输出力矩曲线T0[n2,i]；
S4、根据所述两条输出力矩曲线T0[n1,i]及T0[n2,i]，采用插值拟合算法得到在转速区间[n1,n2]范围内的输出力矩曲线T0[n,i]。
步进电机的转速可通过该步进电机的控制器所输出的工作频率获得，同时采集该步进电机的电流参数，再通过所述输出力矩曲线T0[n,i]，即可计算该步进电机的输出力矩。对所述挤压装置的压力进行控制时，需要实时获得的参数有电流i及转速n，其中，电流i通过所述采样元件采集，转速n通过对所述运算/控制模块向所述脉冲发生模块发送的脉冲数/频率参数进行计算即可获得。
根据挤压力度的需要，设定所述步进电机的输出力矩阈值Ts，作为所述步进电机的控制参数。
S5、所述挤压装置对药材进行挤压时，采集所述步进电机的电流i及转速n并根据所述输出力矩曲线T0[n,i]计算出所述电机的实时输出力矩T，当电机的实时输出力矩T的值达到所述阈值Ts时，控制所述步进电机停转，进而实现压力控制。
所述步进电机完成一次挤压后，复位，根据挤压任务设定挤压次数。该过程中，不需要直接采集压力参数，因此无需设置压力传感器，简化了执行装置的结构，尤其是在煎药机内部空间的结构。
进一步的，根据煎药工艺要求设定所述阈值Ts和所需挤压次数进行挤压操作；所述挤压装置复位时根据所述步进电机的输出力矩，判断并控制其复位动作是否停止。
以上实施例详细介绍了本发明的中药煎药机的自动挤压装置及其控制电路的结构和工作原理、压力控制方法，但不应视为对本发明的限制。容易理解，本领域技术人员还可以在本发明的技术方案的基础上进行修改、替换和进一步改进，但任何的修改或等同替换都将落入本发明的权利要求书所要求保护的范围内。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：一种花生油压榨系统