許金，郭慶，徐翠鋒

（桂林電子技術(shù)大學(xué)，桂林541004）

引 言

蠕動泵又稱軟管泵，廣泛應(yīng)用于水質(zhì)監(jiān)測、現(xiàn)代生化分析、醫(yī)療救護(hù)等領(lǐng)域的流路進(jìn)樣系統(tǒng)，用于精確提取水樣和化學(xué)試劑[1-2]。蠕動泵一般由4部分構(gòu)成：泵管、泵頭、步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動電路[3]。泵管的直徑、泵頭的幾何參數(shù)、步進(jìn)電機(jī)的運動參數(shù)共同決定蠕動泵泵送液體的最小分辨率及取樣精確度。泵管、泵頭、步進(jìn)電機(jī)都屬于標(biāo)準(zhǔn)件，因此步進(jìn)電機(jī)的運行參數(shù)決定了蠕動泵的取樣精度。

本文針對水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)中所用的蠕動泵兩相步進(jìn)電機(jī)，基于ARM微處理器設(shè)計步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動系統(tǒng)，提出軟硬件設(shè)計方案，解決步進(jìn)電機(jī)運動過程中失步、丟步、振動等問題，提高蠕動泵的取樣精度。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

根據(jù)步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動原理，驅(qū)動器一般由環(huán)形脈沖分配器、細(xì)分?jǐn)?shù)據(jù)產(chǎn)生器、PWM波形產(chǎn)生器、功率放大器、電機(jī)繞組電流檢測器5部分組成[4]。目前細(xì)分驅(qū)動多采用FPGA或者CPLD產(chǎn)生環(huán)形脈沖、細(xì)分?jǐn)?shù)據(jù)和PWM波形等，再加上外部功率放大及繞組電流采樣等外圍電路[5]。但由于FPGA、CPLD等內(nèi)部沒有集成DAC、ADC，需要外接DAC才能完成波形發(fā)生器的設(shè)計，在繞組電流采樣中也必須結(jié)合外部ADC集成芯片。本系統(tǒng)摒棄FPGA等常規(guī)解決方案，以基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103VET6微處理器為核心，構(gòu)成一個外圍電路少、CPU消耗小的兩相步進(jìn)電機(jī)均勻細(xì)分驅(qū)動器。

系統(tǒng)原理框圖如圖1所示，核心處理器STM32103VET6產(chǎn)生細(xì)分參考電壓，與繞組的反饋采樣電壓共同送入電壓比較器。通過邏輯與門連接電壓比較器的輸出和環(huán)形脈沖分配器生成的極性脈沖，產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)各相脈寬調(diào)制信號（PWM），輸出至H全橋驅(qū)動電路，控制H全橋中各功率管的通斷，以閉環(huán)細(xì)分驅(qū)動控制方式實現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)相電流的精確控制。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

對相繞組進(jìn)行電壓采樣得到的反饋電壓，一方面與微處理器輸出的細(xì)分參考電壓進(jìn)行比較，另一方面通過ADC接入核心處理器，處理器根據(jù)電壓反饋情況對細(xì)分參考電壓進(jìn)行實時調(diào)節(jié)，提高步進(jìn)電機(jī)運行的穩(wěn)定性。

針對自激式斬波恒流引起功率開關(guān)管損耗嚴(yán)重的問題，系統(tǒng)采用恒頻斬波恒流技術(shù)，通過觸發(fā)器和恒頻脈沖使開關(guān)管通斷頻率處于人為可控狀態(tài)，兼顧恒流效果和芯片溫升，提高系統(tǒng)可靠性。

2 硬件設(shè)計

2.1 細(xì)分控制電路

根據(jù)恒力矩均勻步距角細(xì)分驅(qū)動原理，要使電機(jī)內(nèi)部形成圓形旋轉(zhuǎn)磁場，需對空間角相差90°的兩相繞組分別通以電氣角相差90°的正弦波電流[6]。圖2顯示了步進(jìn)電機(jī)相繞組中雙極性正弦波電流與環(huán)形分配脈沖之間的關(guān)系。

圖2 細(xì)分電流過程分解圖

圖2表示，周期為T/2的正向單極性正弦電流波和換向通電脈沖，可以在繞組上合成一個周期為T的正弦波電流。在0～T/2時段，A相繞組A＋端為H，A-端為L，電流通電方向為A＋→A-，通電電壓以周期為T/2的正弦波變化，繞組上形成正半軸正弦波電流；在T/2～T時段，A相繞組A＋端為L，A-端為H，電流通電方向為A-→A＋，通電電壓同樣以周期為T/2的正弦波變化，繞組上則形成負(fù)半軸正弦波電流，由此合成周期為T的雙極性正弦波電流。具體實現(xiàn)電路原理圖如圖3所示，微處理器STM32F103VET6自帶的DAC輸出周期為T/2的正弦細(xì)分參考電壓（DAC1），通過電壓比較器LM339和相繞組反饋電壓（SAM＿VOL＿A）進(jìn)行比較；比較器輸出結(jié)果經(jīng)過邏輯與門集成芯片74 HC08，分別與不同的環(huán)形分配脈沖（TIM1＿CH1、TIM1＿CH1N）產(chǎn)生正反方向自激式PWM波；D觸發(fā)器74AC74通過恒頻脈沖（TIM4＿CH1、TIM4＿CH2）輸出恒頻斬波PWM波，控制H橋功率驅(qū)動電路，實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制。

圖3 單相驅(qū)動控制電路原理圖

2.2 功率驅(qū)動電路

在細(xì)分驅(qū)動中，電機(jī)相繞組通電是雙極性的，相繞組通以雙極性正弦波電流而實現(xiàn)步距角的細(xì)分，其中雙極性通電的實現(xiàn)需要使用IGBT或MOSFET等構(gòu)成H全橋功率驅(qū)動電路[7]。系統(tǒng)使用2片半橋驅(qū)動芯片IR2110和4片MOS管CSD18531Q5A構(gòu)成H全橋功率驅(qū)動電路，具體電路原理圖如圖4所示。當(dāng)控制信號A＋為H、A-為L時，Q2、Q5導(dǎo)通，Q3、Q4截止，A相繞組正向通電；當(dāng)控制信號A＋為L、A-為 H時，Q3、Q4導(dǎo)通，Q2、Q5截止，A相繞組反向通電。另外，電路實時對采樣電阻（R42）進(jìn)行電壓采樣，經(jīng)過濾波放大等處理電路反饋回控制端，實現(xiàn)閉環(huán)調(diào)節(jié)。

3 軟件設(shè)計

在軟件設(shè)計中，比較重要的是A、B相繞組極性控制脈沖和細(xì)分電壓的產(chǎn)生以及兩者的同步控制。由H全橋驅(qū)動原理可知：①兩相步進(jìn)電機(jī)A＋（B＋）和A-（B-）控制信號頻率相同、極性相反；②A相和B相兩對控制信號頻率相同、相位相差90°；③A＋（B＋）與A-（B-）如同時導(dǎo)通，電流將從電源正極直接經(jīng)過兩個驅(qū)動管返回電源負(fù)極，形成短路，燒毀驅(qū)動管并損壞電源。因此，為了完成H全橋驅(qū)動控制，系統(tǒng)需構(gòu)建兩對頻率相同、相位相差90°，并 帶 死 區(qū) 控 制 的 互 補(bǔ) 對 稱 極 性 控 制 脈 沖[8]。STM32F103VET6內(nèi)部集成兩個高級定時器（TIM1和TIM8），能輸出帶死區(qū)控制的互補(bǔ)對稱PWM脈沖，為構(gòu)成兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動信號提供了便利，但一個定時器的計數(shù)方式只能有一種，不能同時產(chǎn)生A、B兩組信號。系統(tǒng)軟件中使用定時器主從模式，設(shè)置兩個高級定時器工作在從定時器模式，其中TIM1工作模式為向上計數(shù)模式，TIM8工作模式為中間對齊計數(shù)模式。為了完成兩組極性脈沖的輸出同步，系統(tǒng)使用一個普通定時器TIM2作為兩個定時器的同步信號和更新時鐘。定時器主從關(guān)系如圖5所示，設(shè)置TIM2為主定時器，其時鐘由系統(tǒng)時鐘提供；TIM1和TIM8作為從定時器，其同步信號和更新時鐘由TIM2的更新事件提供；TIM2每發(fā)生一次更新事件（更新事件在TRGO1上表現(xiàn)為上升沿信號），TIM1和TIM8才發(fā)生時鐘跳變，從而計數(shù)一次，由此輸出同步的PWM控制信號。

圖4 單相功率驅(qū)動電路原理圖

圖5中顯示了主定時器TIM2更新信號同時也作為芯片內(nèi)部直接內(nèi)存存儲器DMA2的時鐘，以此實現(xiàn)正余弦細(xì)分信號與極性脈沖信號同頻同相。為了分別產(chǎn)生正弦、余弦細(xì)分電壓波形，系統(tǒng)使用了STM32F103VET6內(nèi)部集成的2個DAC，并采用獨特的雙通道DAC模式，把兩個通道的細(xì)分?jǐn)?shù)據(jù)按一定格式送入一個32位的寄存器中。TIM2事件更新產(chǎn)生后，12位的DAC1和DAC2從這個寄存器中獲取各自的12位細(xì)分?jǐn)?shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換輸出，由此實現(xiàn)一個TIM2更新事件，同時更新DAC1和DAC2的輸出，同步兩個通道的細(xì)分信號。其中DMA內(nèi)存存儲區(qū)存儲的數(shù)據(jù)是各個角度對應(yīng)的正余弦值通過移位并右對齊整合后的細(xì)分電壓數(shù)值，DMA外設(shè)地址選用DAC＿DHR12RD寄存器的地址。

圖5 極性脈沖及細(xì)分?jǐn)?shù)據(jù)產(chǎn)生示意圖

4 系統(tǒng)測試

實驗所使用的蠕動泵為保定蘭格公司的BT100-2J，其步進(jìn)電機(jī)為42BYGH602-27AE。本細(xì)分系統(tǒng)和上位機(jī)之間采用CAN總線進(jìn)行通信，通過命令設(shè)置蠕動泵的啟停、內(nèi)部步進(jìn)電機(jī)細(xì)分?jǐn)?shù)、運行速率等參數(shù)。將系統(tǒng)硬件電路連接步進(jìn)電機(jī)，通過上位機(jī)更改步進(jìn)電機(jī)細(xì)分?jǐn)?shù)，分別對電路中比較器輸出和繞組相電流進(jìn)行測量，測量結(jié)果略——編者注。

波形圖表現(xiàn)出每一級細(xì)分電流臺階都有細(xì)微的斬波恒流痕跡，通過斬波恒流使電流恒定在某一個細(xì)分值，由此實現(xiàn)正弦變化趨勢的細(xì)分電流，完成步進(jìn)電機(jī)步距角的均勻細(xì)分驅(qū)動。

結(jié) 語

在水樣預(yù)處理環(huán)節(jié)，蠕動泵的精準(zhǔn)控制是流路進(jìn)樣系統(tǒng)中很重要的一環(huán)。本文根據(jù)海洋水樣監(jiān)測實際應(yīng)用中的具體要求，提出了基于ARM單芯片步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動解決方案，設(shè)計并完成了均勻細(xì)分驅(qū)動系統(tǒng)的軟硬件。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)能較好地完成步進(jìn)電機(jī)步距角的均勻細(xì)分，實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的精準(zhǔn)控制，具有細(xì)分?jǐn)?shù)可變、細(xì)分精度高、驅(qū)動電路體積小、功耗低等特點，適用于其他微型步進(jìn)電機(jī)精準(zhǔn)控制的場合。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

[1]劉顯軍.蠕動泵的結(jié)構(gòu)原理及其應(yīng)用[J].流體機(jī)械，1998（12）：38-40.

[2]陳安斌，王苗苗，鄒遠(yuǎn)文.蠕動泵控制軟件的設(shè)計及應(yīng)用[J].實驗科學(xué)與技術(shù)，2010（6）：44-46.

[3]高慧瑩，劉濤，孫振杰.蠕動泵原理及在化學(xué)機(jī)械拋光過程中的應(yīng)用[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2010（9）：48-51.

[4]陳學(xué)軍.步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動控制系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2006（6）：48-50.

[5]張萍.基于FPGA的步進(jìn)電機(jī)SPWM細(xì)分驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計[J].制造業(yè)自動化，2014（4）：115-119.

[6]張小杭.基于DSP的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制及轉(zhuǎn)矩矢量控制[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2004.

[7]張明，章國寶.IR2110驅(qū)動電路的優(yōu)化設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2009（12）：66-67.

[8]任勇.基于FPGA的兩相步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動器設(shè)計[D].杭州：杭州電子科技大學(xué)，2011.