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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

來源：電子技術(shù)應(yīng)用2013年第12期

仝建，龍偉，李蒙，孫少杰

南昌大學(xué) 信息工程學(xué)院，江西南昌330031

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，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)過載檢測、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。

關(guān)鍵詞： FPGA TMC260 步進(jìn)電機(jī) 驅(qū)動(dòng)控制

中圖分類號： TM301.2
文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
文章編號： 0258-7998(2013)12-0041-04

Design and application of a high precision stepping motor control system with high reliability

Tong Jian，Long Wei，Li Meng，Sun Shaojie

Information Engineering School, Nanchang University，Nanchang 330031，China

Abstract： A design on stepping motor drive control system with high precision and high reliability is introduced in the paper. Making full use of intelligent driver chip TMC260, and combining with freely programmable FPGA features, a drive circuit of two phase stepping motor is designed based on this method. The drive circuit realizes the motor step with 256 segments in the broadband high precision, and achieves functions of motor overload and stall alarm. As a core drive part of blood analyzer, the method has a good effect on clinical application.

Key words : TMC260；FPGA；stepping motor；drive control

步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。由于這一線性關(guān)系，且無累積誤差等特點(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)簡潔，在血液分析儀的應(yīng)用中滿足了高精度定位(誤差≤1 mm)、定量(偏差≤0.01 μL)的技術(shù)指標(biāo)要求，同時(shí)提高了分析儀檢測精度，拓展了儀器智能檢測報(bào)警功能，對提高國內(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SPI接口對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)出控制信號和脈沖信號，由TMC260芯片將信號轉(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芯片智能檢測負(fù)載情況并實(shí)時(shí)反饋到FPGA；當(dāng)負(fù)載過大或造成電機(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)部集成專利技術(shù)StallGuard無傳感器失速檢測功能。芯片可實(shí)現(xiàn)對電機(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、過溫、過載等保護(hù)功能。由其搭建的驅(qū)動(dòng)電路簡潔、控制靈活，適用于雙極性步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的高可靠性場合。
2.3 步進(jìn)電機(jī)
   對于血液分析儀而言，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)針對步進(jìn)電機(jī)停止運(yùn)行、檢測報(bào)警的保護(hù)功能。
   主控制器FPGA將控制信號、PWM信號等發(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)檢測負(fù)載信息，F(xiàn)PGA通過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CSN。

6 實(shí)驗(yàn)運(yùn)行效果及分析
在系統(tǒng)的性能測試實(shí)驗(yàn)中，驅(qū)動(dòng)對象采用常州運(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脈沖信號和A相繞組采樣電阻的電壓波形。電機(jī)微步距行進(jìn)過程中，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FPGA自由編程來完成步進(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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