步进电机自动化控制系统设计的生化分析仪

1、步进电机自动化控制系统设计的生化分析仪汪许黄开征许斌东北大学，辽宁110004中国摘要：自动生化分析仪是一个必要的临床诊断仪器。在本文中，提出一项基于 FPGA （现场可编程门阵列）全自动生化的分析仪集中控制系统的新计划。作为 全自动生化分析仪一个重要组成部分，电机控制系统的关键部件之一。基于步进电机的应用问题，如在低频率的激增，在高频的低扭矩率和坏频率特性，提出了一种基于FPGA不断流动斩波细分驱动的实用方法 。该方案解决了振荡步进电机，提高了 生化分析仪控制系统。关键词：全自动生化分析仪 涉进电机；细分驱动；FPGA。1简介作为21世纪一个新的科研领域，生化分析仪器开发和应用是高科技部门医

2、疗部 门应该关注的，如海关防疫，生物工程，生命科学。在步进电机控制系统的基础 上改进，作为分生化分析仪器的一个重要组成部，正向着的高精度，高质量发展。自动电子控制系统生化分析仪是非常的复杂的硬件，其中有许多输入和输出。此外，调度操作要求非常严格。该控制系统不仅实现了调度控制和检测仪表的地位， 而且还收集许多当前数据的模拟信号。根据这一特点，前者控制系统是多CPU控制系统，由一个电脑组成，两个主供应链管理系统和七个子供应链管理系统。 在这设计中运动控制器子属于供应链管理系统，该系统能善于处理多任务和实时 控制系统。其缺点之一是庞大的硬件系统。一个基于 FPGA新的集中控制系统 在方案中被提出研究

3、。图1显示了新的硬件模块控制系统项目。 所有供应链管理 系统前分布式系统中的功能被 FPGA取代。此外，步进电机的分开操纵控制电路 可以用FPGA实现。采用FPGA，可以将简化复杂的电路系统和提高其抗电磁 干扰能力。FMM图1新的控制系统项目硬件模块生化分析仪系统的执行都是基于步进电机，因为设备高性价比和良好的运动特 征，当系统保持简单，它的规模仍然很小的时候在开环的控制电路，仍保证控制精度高。因此，移动速度和定位重复性的步进电机的驱动系统的基础上该提高仪 器方案上是提高控制精密，步进电机是开环控制无需位置和速度传感器， 这使得它一种工业上普遍使用的电 机。但其缺点也是显而易见的：吵闹，纹波转

4、矩和速度，在某些共鸣频域，而最 差的亏损步骤。步进电机的振荡，加速和减速性能影响步进电机系统运行质量和 快速响应的关键因素。微步进驱动器能够解决和改善步进电机的阶跃振荡响应。首先，本文简要介绍了细分驱动和步进电机恒转矩理论。 因此，基于电流控制的 两相混合微步进驱动技术被研究。本文提出了一种实用方法为步进电机驱动。 也就 是说，用切割波恒定电流来驱动基于 FPGA的步进电机流动问题。通过数D/A换 器逐步改进步进电机的电压信号实现细分技术 。在分析了快速电流回流和慢电流回流的控制方法后，一个新的混合的方法是 使电流回流前进。这个设计解决了 目前经常发生分歧的分开驱动下降过于缓慢以及实 现分开电

5、流等经常发生的分歧问题。2基于FPGA的步进电机的细分驱动系统有两种类型的电机实施细分驱动：恒流斩波细分驱动和脉冲宽度调制细分驱 动，两者各有优势和缺点。前者提供了较低的精密，易于实施，成本低和小规模 的硬件。而后者具有更高的精度，它需要一个反转电路来实现恒压源和电源驱动。 基于改进的要求的全自动生化分析仪驱动系统，以及上面的恒转矩传动原理，使用了斩波细分驱动的恒流方式。整个系统涉及到代参考波数据，细分驱动控制器和主电路。（1）代参考波数据步进电机有广泛的角分辨率。通常最粗电机每步转90度，而高清晰度永久永磁电机通常能够每步处理1.8或0.72度。微型步进控制器在控制器上有别于常规 的步进电机

6、。为此，在两个绕组的电流必须同时控制在离散的水平。随着明显的增加步进分辨率，微步能降低振荡和共振发生的驱动和负载组合的优 势，它推动在其自然共振频率或分次谐波。 通过取代用微型步骤，这两个优势得 到了充分表现。相较于全步电机，微型电机运行更平稳，更安静。我们要产生每一个步骤都基本相等的扭矩以实现恒转矩驱动和保持在最大输出值，满足各阶段电流为。其中，n是细分数，s为步数。以微步1/4-full-step模式混合两相为例，其电流 波形如图2所示。我们需要的是加强交流电流，离散正弦和余弦波驱动电流。 我们已经看到，通电 不等的两个阶段电流，转子位置将转向了强极。这种效应通过目前在这两个绕组的基 本电

7、机细分化的微步进驱动器的利用。在这种情况下，在当前格局绕组非常类似于用两个正弦波90。之间的相移。电机驱动很就像它是一个传统的 AC同步电动机。 这样，步长减少和低速平稳性显着改善。 在这个设计中，当前的数据位于嵌入式 记忆体的FPGA作为查询表图2微型步进电机四分之一全步模式2）细分驱动控制器为了控制力矩以及限制在绕组电阻损耗，电流必须被控制或限制。有两个原则限 制电流，电阻限制驱动器和斩波驱动器。这给直升机驾驶员提供了一个最佳的解决方案既电流控制和快速电流积累和逆 转。其基本思路是使用的电源电压高出几倍的标称的电动机电压。目前的增长速度是可能的大幅增加。通过控制占空比， 产生等电动机的于额

8、定电压和电流的平均电压和平 均电流。斩波器通常配置恒流调节。微步需要一个连续可变电流。细分驱动器的 基本结构控制器如图3。主要任务细分驱动器设计涉及设计电流控制器。FPGA是控制核心的细分驱动器，其职能是执行斩波细分驱动不断流动。内部脉冲宽度 调制（PWM ）控制电路调节每个电机绕组的电流。电动机的峰值电流则是由一 个外部电流检测电阻（RS），参考电压（Vref）和数字模拟转换器（DAC ）的 数据输入。D / A转换使得可以使用片内的控制器来产生和控制的连同其他输入的Vref输入。这使有能力实现具有高度精确的扭矩微步序列。在本设计中，AD7628是用于数字控制输出电流。 DAC的输出是用于设

9、置当前检测比较器触发点恒流调节是通过切换输出电流的绕组。 这是通过遥感的峰值电流越过过线圈通过 电流感应电阻器有效地串联的电机绕组完成的。随着电流增大，电压通过比较器 发现整个感应电阻。在预定的水平，由电压定义在参考输入，比较器复位触发器， 其中关闭输出晶体管。电流一直减少直至触发时钟振荡器触发器，它的输出晶体管再次转身和周期重复。该恒流控制的优点是无论电源电压的变化都能精确地控制扭矩，。它还提供尽可能短的电流聚集和逆转的时间。功耗要像电源电流一样最小化。电源电流不像在 铜驱动器的电流。这是电机电流乘以占空比。恒定电流截止波分波驱动电流显示 图4。图3细分驱动控制器的基本结构EE. E

10、76;、图4直流斩波驱动（3）主电路主电路包括两个独立的功率 MOS全桥。请参考示意图主电路如图5。电源由电 压为24伏直流电源提供。我们选择IRF540作为功率MOS晶体管和MCR1515 作为快速续流二极管。为了确保电力 MOS晶体管的驱动正确，门源电压必须保 证了所有的MOS晶体管的N沟道为12V。低功率MOS晶体管很容易提供地面 的来源，但一门极电压大于供给电压的是必须驱动上面的晶体管。这是通过一个用来保证正确的直流传动结合自举电路的充电泵电路实现的。当进行连接到I / O管脚的FPGA，可一定要隔离好。高电压尖峰的数百伏特尽 可能步进电机线圈反电势。始终使用钳位二极管简化这些尖峰回到

11、电机功率部件 上。采用光学隔离装置将在微控制逻辑和在输出功率阶段出现高电压的潜力之间 增加又一层或保护装置。图5主电路电流感应电阻器的安置是很 重要的。电机性能，包括三流程：流程，再循环和约束。 为了保持良好的电流跟踪，电流感应电阻器应放置在循环电路及时反馈当前的品 种。为了改善汽车使用时的性能正弦微步进必要的流速剖面，该驱动程序有三个不同 电流衰减模式：慢衰减，快速腐烂，混合衰减。图5显示了 H桥配置为常数目前的配置。根据如何在H桥切换过程中的关断期 间，电源驱动关闭时电流将分发通过一个晶体管或一个二极管，以便让当前的衰减缓慢，或将电源供应器电源驱动器关掉。电源反馈的好处是电流衰减速度更快，

12、 并能够迅速减少到较低的水平。不好的是快速的电流衰减增加电流波纹可能会导 致电机损坏。当负载电流增大，慢电流衰减模式是用来限制开关在电机的驱动器和铁损的损 耗（见在图4的A- E ）。当负载电流下降，混合电流衰减模式是用来调节负载 电流到理想状态（参见图4' E-H '）。快速电流衰减时使用在负斜率下时，这是 不可能的，如果按照电流衰减速度比需求低的斜坡（参见图 4的g- H的'）。一个控制单元负责为开启和关闭旋转电机提供控制信号。 在许多情况下，控制单 元将是一台计算机或可编程接口控制器， 软件直接生成需要控制输出开关。在这 个设计中，我们选择FPGA作为控制单元。3

13、实验与结果为了验证该系统的效率，我们进行实验，检查电机的驱动电流是否接近正弦或余 弦曲线。事实上，感应电阻反映了当前的驱动电动机。在10微型步进中测试的感应电阻的实际电压波形，如图 6。有迹象表明，可用于多种方法实现与电流控制 PWM输出模式，一常用的方法 是对PWM信号幅度通过一个低通滤波器。图10在10微型步进电机中的电流感应电阻器电压波形4结论本文介绍了混合式步进电机驱动下的正弦电流控制，从这个角度来看步进电机基本上是一个多极同步电机。微型步进电机驱动器设计被成功用于生化分析中，这有效地解决和改善步进电机的振荡反应。虽然可以提高驾驶细分位置精度，基本优点是光滑的，共振自由电机的运行。正

14、弦/余弦的一致性主要取决于转子/定子依赖几何形状与建筑用的材料。对于大多 数电机，个体的偏差相对比较小，平均偏离理论值。这使得设计补偿正弦/余弦的流速剖面有效地改善微步表现在具体的设计在该方法中，为了改进BP算法有效性弱点，GA用来使网络变得一些好点。参考文献1 Xiafu Lv and Yingqiong Luo ，设计半自动生化分析仪，获取电力系统及其国 际会议，2004年，第164-1677。2 Chau, K.T., Bin Shi, Min-Qiang Hu, Jin, L., Ying Fan.。超声微步进电机控制， 符合IEEE。在行业的应用，2006年，第436-442。3 张晓东。一个微步控制方法为基于 FPGA的步骤，基于IEEE国际电机会议 对产业技术， 2005 ，页 125-130 。4 还踏嗯，建勋张，钟文勤罗。数字信号处理器的设计基于多步进电机，微步 驱动控制器，在2005年IE