高精度高可靠步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用的概述

摘要： 介紹了一種高精度高可靠步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)充分利用TMC260智能驅(qū)動(dòng)芯片的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合FPGA自由編程特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。電路實(shí)現(xiàn)了電機(jī)在寬頻內(nèi)256細(xì)分的高精度步進(jìn)，并具有電機(jī)過(guò)載檢測(cè)、堵轉(zhuǎn)報(bào)警等功能，作為血液分析儀的核心驅(qū)動(dòng)部件在臨床應(yīng)用取得了很好的效果。

步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)環(huán)控制元件，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。由于這一線性關(guān)系，且無(wú)累積誤差等特點(diǎn)，使其在速度、位置等控制領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用［1］。

血液分析儀是醫(yī)院臨床檢驗(yàn)廣泛應(yīng)用的儀器之一，目前大多數(shù)分析儀均采用步進(jìn)電機(jī)作為血樣微升定量、轉(zhuǎn)盤(pán)定位、液路壓力產(chǎn)生的核心執(zhí)行元件，其典型驅(qū)動(dòng)電路多以L297+L298、A3977和LG9110等芯片搭建。這些驅(qū)動(dòng)電路中分立元件多［2］、驅(qū)動(dòng)電流小、發(fā)熱量大，電機(jī)堵轉(zhuǎn)等故障極易造成系統(tǒng)核心部件損壞報(bào)廢；另外，由于電機(jī)芯片脈沖頻率范圍窄，細(xì)分?jǐn)?shù)低，導(dǎo)致電機(jī)定位、定量精度低［3-4］。

本文介紹了一種開(kāi)環(huán)高精度高可靠步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。該電路充分利用TMC260智能芯片的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合流行的FPGA和自動(dòng)控制技術(shù)，不但實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)的高精度高可靠運(yùn)行，還具有堵轉(zhuǎn)報(bào)警等功能。本電路集成度高、驅(qū)動(dòng)電流大、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，在血液分析儀的應(yīng)用中滿(mǎn)足了高精度定位（誤差≤1 mm）、定量（偏差≤0.01 μL）的技術(shù)指標(biāo)要求，同時(shí)提高了分析儀檢測(cè)精度，拓展了儀器智能檢測(cè)報(bào)警功能，對(duì)提高國(guó)內(nèi)鄉(xiāng)鎮(zhèn)、社區(qū)基層醫(yī)院的整體醫(yī)療診斷水平具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的工作原理

本文設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)主要包括FPGA主控制器、TMC260智能電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片、兩相混合式直線步進(jìn)電機(jī)等，其基本框圖如圖1所示。

由圖1可知，主控制器FPGA通過(guò)SPI接口對(duì)TMC260電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行初始化配置。然后，F(xiàn)PGA發(fā)出控制信號(hào)和脈沖信號(hào)，由TMC260芯片將信號(hào)轉(zhuǎn)化為兩相驅(qū)動(dòng)電流，驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)微量進(jìn)樣器運(yùn)行。電機(jī)運(yùn)行中，TMC260芯片智能檢測(cè)負(fù)載情況并實(shí)時(shí)反饋到FPGA；當(dāng)負(fù)載過(guò)大或造成電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)，F(xiàn)PGA控制電機(jī)停止運(yùn)行并提示報(bào)警。

2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)組成

2.1 FPGA

FPGA器件具有高密度、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、通信、工業(yè)控制等方面得到大量應(yīng)用［5-6］。本文采用Altera公司Cyclone III系列EP3C40F484C8芯片［7］，具有功耗低、集成度高等特點(diǎn)。

2.2 TMC260芯片

本電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中，選擇德國(guó)Trinamic公司的雙全橋驅(qū)動(dòng)芯片TMC260［8］，其內(nèi)部集成MOSFETs，驅(qū)動(dòng)電流高達(dá)1.7 A，同時(shí)采用獨(dú)特的Low-RDS-ON技術(shù)達(dá)到低功耗、高效率的性能。另外，芯片內(nèi)部集成專(zhuān)利技術(shù)StallGuard無(wú)傳感器失速檢測(cè)功能。芯片可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)256細(xì)分的高精度控制。

TMC260芯片不僅具有高細(xì)分、低功耗、高效率等特點(diǎn)，還有短路、過(guò)溫、過(guò)載等保護(hù)功能。由其搭建的驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)潔、控制靈活，適用于雙極性步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的高可靠性場(chǎng)合。

2.3 步進(jìn)電機(jī)

對(duì)于血液分析儀而言，待檢血樣的定量精度直接決定儀器性能。而血樣定量是由步進(jìn)電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和微量進(jìn)樣器配合完成的，因此，吸血樣定量機(jī)構(gòu)的電機(jī)步進(jìn)精度尤為關(guān)鍵。

4.2 FPGA配置脈沖細(xì)分?jǐn)?shù)

鑒于步進(jìn)電機(jī)傳統(tǒng)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)存在電子電路設(shè)計(jì)復(fù)雜、細(xì)分?jǐn)?shù)固定和靈活性差的缺陷，特設(shè)計(jì)電機(jī)細(xì)分配置模塊，高達(dá)256細(xì)分，實(shí)現(xiàn)電機(jī)微步距控制，具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、細(xì)分?jǐn)?shù)自由編程等特點(diǎn)。同時(shí)，軟件設(shè)計(jì)分頻模塊，發(fā)出不同頻率、不同占空比的PWM脈沖［10］，驅(qū)動(dòng)電機(jī)在寬頻范圍內(nèi)高、低速平滑步進(jìn)。

4.3 步進(jìn)電機(jī)負(fù)載檢測(cè)報(bào)警

考慮到電機(jī)故障極易造成系統(tǒng)核心部件損壞，本系統(tǒng)特別設(shè)計(jì)針對(duì)步進(jìn)電機(jī)停止運(yùn)行、檢測(cè)報(bào)警的保護(hù)功能。

主控制器FPGA將控制信號(hào)、PWM信號(hào)等發(fā)給TMC260，由它輸出兩相電流驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。電機(jī)運(yùn)行中，TMC260實(shí)時(shí)檢測(cè)負(fù)載信息，F(xiàn)PGA通過(guò)SPI接口實(shí)時(shí)讀取電機(jī)狀態(tài)信息，根據(jù)該信息實(shí)時(shí)控制電機(jī)啟停、故障報(bào)警等。

5 芯片TMC260初始化配置效果圖

完成系統(tǒng)電子線路設(shè)計(jì)后，加載運(yùn)行FPGA固化程序系統(tǒng)，初始化TMC260，其中SMARTEN寄存器配置0XA0004數(shù)值波形如圖5所示。圖中從上向下分別是TMC260的配置時(shí)鐘SCK、輸入數(shù)據(jù)SDI和選通信號(hào)CSN。

6 實(shí)驗(yàn)運(yùn)行效果及分析

在系統(tǒng)的性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，驅(qū)動(dòng)對(duì)象采用常州運(yùn)控公司的42BYG型1.8°兩相混合式直線步進(jìn)電機(jī)。

步進(jìn)電機(jī)在驅(qū)動(dòng)芯片TMC260的STEP/DIR模式下運(yùn)行。圖 6 是PWM脈沖信號(hào)和A相繞組采樣電阻的電壓波形。電機(jī)微步距行進(jìn)過(guò)程中，電壓波形正弦的輪廓呈階梯式變化。

本文討論了一種基于FPGA采用TMC260智能芯片搭建的驅(qū)動(dòng)電路及自由編程控制的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)創(chuàng)新地通過(guò)FPGA自由編程來(lái)完成步進(jìn)電機(jī)細(xì)分電路和電機(jī)定位控制，在血液分析儀應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)了高精度0.01 μL血樣定量及1 mm的定位，提高了儀器性能。同時(shí)，在電機(jī)堵轉(zhuǎn)等大負(fù)載情況下，該設(shè)計(jì)能夠有效報(bào)警，降低損耗，拓展了儀器智能報(bào)警功能，取得了良好效果。

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