高精度高可靠步进电机控制系统的设计及应用的概述

摘要： 介绍了一种高精度高可靠步进电机驱动控制系统的设计。该设计充分利用TMC260智能驱动芯片的优势，结合FPGA自由编程特点，设计了两相步进电机驱动电路。电路实现了电机在宽频内256细分的高精度步进，并具有电机过载检测、堵转报警等功能，作为血液分析仪的核心驱动部件在临床应用取得了很好的效果。

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。由于这一线性关系，且无累积误差等特点，使其在速度、位置等控制领域得到了广泛应用［1］。

血液分析仪是医院临床检验广泛应用的仪器之一，目前大多数分析仪均采用步进电机作为血样微升定量、转盘定位、液路压力产生的核心执行元件，其典型驱动电路多以L297+L298、A3977和LG9110等芯片搭建。这些驱动电路中分立元件多［2］、驱动电流小、发热量大，电机堵转等故障极易造成系统核心部件损坏报废；另外，由于电机芯片脉冲频率范围窄，细分数低，导致电机定位、定量精度低［3-4］。

本文介绍了一种开环高精度高可靠步进电机驱动电路。该电路充分利用TMC260智能芯片的优点，结合流行的FPGA和自动控制技术，不但实现了步进电机的高精度高可靠运行，还具有堵转报警等功能。本电路集成度高、驱动电流大、设计简洁，在血液分析仪的应用中满足了高精度定位（误差≤1 mm）、定量（偏差≤0.01 μL）的技术指标要求，同时提高了分析仪检测精度，拓展了仪器智能检测报警功能，对提高国内乡镇、社区基层医院的整体医疗诊断水平具有重要的现实意义。

1 步进电机驱动控制系统的工作原理

本文设计的步进电机驱动控制系统主要包括FPGA主控制器、TMC260智能电机驱动芯片、两相混合式直线步进电机等，其基本框图如图1所示。

由图1可知，主控制器FPGA通过SPI接口对TMC260电机驱动芯片进行初始化配置。然后，FPGA发出控制信号和脉冲信号，由TMC260芯片将信号转化为两相驱动电流，驱动电机带动微量进样器运行。电机运行中，TMC260芯片智能检测负载情况并实时反馈到FPGA；当负载过大或造成电机堵转时，FPGA控制电机停止运行并提示报警。

2 步进电机驱动控制系统组成

2.1 FPGA

FPGA器件具有高密度、低功耗等优点，在航空航天、通信、工业控制等方面得到大量应用［5-6］。本文采用Altera公司Cyclone III系列EP3C40F484C8芯片［7］，具有功耗低、集成度高等特点。

2.2 TMC260芯片

本电机驱动电路设计中，选择德国Trinamic公司的双全桥驱动芯片TMC260［8］，其内部集成MOSFETs，驱动电流高达1.7 A，同时采用独特的Low-RDS-ON技术达到低功耗、高效率的性能。另外，芯片内部集成专利技术StallGuard无传感器失速检测功能。芯片可实现对电机256细分的高精度控制。

TMC260芯片不仅具有高细分、低功耗、高效率等特点，还有短路、过温、过载等保护功能。由其搭建的驱动电路简洁、控制灵活，适用于双极性步进电机驱动的高可靠性场合。

2.3 步进电机

对于血液分析仪而言，待检血样的定量精度直接决定仪器性能。而血样定量是由步进电机、传动机构和微量进样器配合完成的，因此，吸血样定量机构的电机步进精度尤为关键。

4.2 FPGA配置脉冲细分数

鉴于步进电机传统的细分驱动控制系统存在电子电路设计复杂、细分数固定和灵活性差的缺陷，特设计电机细分配置模块，高达256细分，实现电机微步距控制，具有设计简单、细分数自由编程等特点。同时，软件设计分频模块，发出不同频率、不同占空比的PWM脉冲［10］，驱动电机在宽频范围内高、低速平滑步进。

4.3 步进电机负载检测报警

考虑到电机故障极易造成系统核心部件损坏，本系统特别设计针对步进电机停止运行、检测报警的保护功能。

主控制器FPGA将控制信号、PWM信号等发给TMC260，由它输出两相电流驱动电机转动。电机运行中，TMC260实时检测负载信息，FPGA通过SPI接口实时读取电机状态信息，根据该信息实时控制电机启停、故障报警等。

5 芯片TMC260初始化配置效果图

完成系统电子线路设计后，加载运行FPGA固化程序系统，初始化TMC260，其中SMARTEN寄存器配置0XA0004数值波形如图5所示。图中从上向下分别是TMC260的配置时钟SCK、输入数据SDI和选通信号CSN。

6 实验运行效果及分析

在系统的性能测试实验中，驱动对象采用常州运控公司的42BYG型1.8°两相混合式直线步进电机。

步进电机在驱动芯片TMC260的STEP/DIR模式下运行。图 6 是PWM脉冲信号和A相绕组采样电阻的电压波形。电机微步距行进过程中，电压波形正弦的轮廓呈阶梯式变化。

本文讨论了一种基于FPGA采用TMC260智能芯片搭建的驱动电路及自由编程控制的设计。系统创新地通过FPGA自由编程来完成步进电机细分电路和电机定位控制，在血液分析仪应用中实现了高精度0.01 μL血样定量及1 mm的定位，提高了仪器性能。同时，在电机堵转等大负载情况下，该设计能够有效报警，降低损耗，拓展了仪器智能报警功能，取得了良好效果。

参考文献

［1］ 白雪。电机与电气控制技术［M］。西安：西北工业大学出版社，2008.

［2］ MASI A，CONTE G，LOSITO R，et al.DSP-based stepping motor drivers for the LHC collimators［C］.Real-Time Conference，2007 15th IEEE-NPSS，2007：1-8.

［3］ 范磊磊，庹先国，王洪辉，等.L297+L298芯片在步进电动机中的应用［J］。微特电机，2012，40（10）：58-61.

［4］ 李慧，李海霞，冯显英。基于MCU和CPLD的智能移动机器人控制系统［J］。机电工程，2009，26（8）：100-103.

［5］ 唐博，李锦明，李士照。基于FPGA的激光陀螺信号高速精确解调系统［J］。电子技术应用，2013，39（3）：74-76.

［6］ 聂银燕，林晓焕，石娟，等。基于FPGA的织机远程监测系统的设计与实现［J］。微型机与应用，2012，31（13）：25-27.

［7］ Altera Corporation.Cyclone III device handbook，volume 1［Z］。 2012.

［8］ Trinamic Corporation.TMC260/TMC261/TMC262 datasheet，V1［Z］.2010.

［9］ 夏宇闻.Verilog数字系统设计教程［M］。北京：北京航空航天大学出版社，2008.

［10］ 吴玉昌，胡荣强，王文娟。基于CPLD/FPGA的多功能分频器的设计与实现［J］。世界电子元器件，2007，3：42-44.

编辑：jq