摘  要： 設(shè)計(jì)了一種用于振蕩器的驅(qū)動(dòng)控制方案。簡(jiǎn)要說(shuō)明了關(guān)鍵器件選型,；介紹了以CAN總線作為通信方式的控制電路總體設(shè)計(jì),；詳細(xì)闡述了電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì),；分析了步進(jìn)電機(jī)使用時(shí)需要關(guān)注的主要問(wèn)題并提出了相應(yīng)的解決方法；針對(duì)步進(jìn)電機(jī)升降速控制,，給出了適合本系統(tǒng)的控制算法,。實(shí)驗(yàn)證明，本套驅(qū)動(dòng)控制方案能夠合理地實(shí)現(xiàn)所選步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)功能,，振蕩器能夠?qū)⑼斜P(pán)內(nèi)的液體樣品充分混勻,。

　　關(guān)鍵詞： 步進(jìn)電機(jī)；DSP,；升降速控制,；細(xì)分驅(qū)動(dòng)

0 引言

　　本文所述振蕩器是一種培養(yǎng)制備生物樣品的生化儀器，是植物,、生物,、微生物、生物制品,、遺傳,、病毒、醫(yī)學(xué),、環(huán)保等科研,、教育和生產(chǎn)部門(mén)不可缺少的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。振蕩器內(nèi)設(shè)置偏心輪結(jié)構(gòu),，采用電機(jī)輸出軸與偏心輪固聯(lián)的形式,，在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，帶動(dòng)托盤(pán)產(chǎn)生水平面圓周震動(dòng),，達(dá)到將托盤(pán)內(nèi)的液態(tài)樣品混勻的目的,。步進(jìn)電機(jī)具有精度高、慣性小,、能實(shí)現(xiàn)高精度快速開(kāi)環(huán)控制,、只有周期性的誤差而無(wú)累積誤差的特點(diǎn)，使得在速度,、位置等控制領(lǐng)域使用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制變得非常簡(jiǎn)單,，故采用步進(jìn)電機(jī)作為振蕩器的驅(qū)動(dòng)裝置。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中,，步進(jìn)電機(jī)控制的關(guān)鍵問(wèn)題是：升降速時(shí),，若脈沖頻率變化不合理，會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲,，電機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定,，還可能造成失步或者過(guò)沖，系統(tǒng)無(wú)法做到精確定位[1]；從系統(tǒng)響應(yīng)速度的角度,，電機(jī)亦要滿(mǎn)足升降速的應(yīng)用需求,，即在要求時(shí)間內(nèi)完成加減速過(guò)程[2]；確定合理的啟動(dòng)速度,。經(jīng)過(guò)對(duì)本文選用的電機(jī)性能與應(yīng)用需求綜合分析后,，確定了一種適合本系統(tǒng)的加減速實(shí)施方案，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方案的可行性,。在控制方面,，DSP較單片機(jī)集成了更為豐富的資源，是一種特別適合于進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算的微處理器,，并以其高性能及日趨低價(jià)位的特點(diǎn)，越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于信息處理,、控制系統(tǒng)中[3],，本系統(tǒng)即采用DSP實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的精確控制。使用時(shí)可以根據(jù)需要設(shè)定振蕩器振蕩速度,、時(shí)間,、方向等，同時(shí)DSP帶有自檢功能,，在初始化時(shí)便可檢測(cè)步進(jìn)電機(jī),、光電傳感器是否正常，為故障診斷提供了依據(jù),。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　1.1 核心部件選型

　　步進(jìn)電機(jī)作為系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)裝置是核心部件,，選擇步進(jìn)電機(jī)時(shí)，首先要保證步進(jìn)電機(jī)的輸出功率大于負(fù)載所需功率,，電機(jī)的矩頻特性能滿(mǎn)足電機(jī)負(fù)載并有一定的余量保證其運(yùn)行可靠,。在實(shí)際工作過(guò)程中，各種頻率下的負(fù)載力矩必須在矩頻特性曲線的范圍內(nèi),。此外,，實(shí)際還要考慮位置控制精度、使用速度范圍,、負(fù)載傳動(dòng)方式,、噪音與振動(dòng)等因素。本文所述振蕩器其負(fù)載為重97 g的托盤(pán),，振蕩速度范圍為300 rpm～1 000 rpm,，結(jié)合以上因素采用一種雙輸出軸的兩相HB型步進(jìn)電機(jī)42BYGHM47-1684B，其最大靜力矩可達(dá)0.044 kg·m,，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為6.8×10-6 kg·cm2,，步距角為1.8°，能夠滿(mǎn)足振蕩器的驅(qū)動(dòng)要求。

　　控制電機(jī)的微處理器也是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,。TMS320F2812 DSP是TI公司推出的32位定點(diǎn)電機(jī)專(zhuān)用控制芯片,，提供兩個(gè)事件管理器EVA和EVB模塊，可極為方便地實(shí)現(xiàn)電機(jī)數(shù)字化控制,，工作頻率可達(dá)150 MHz[4],，其哈佛總線結(jié)構(gòu)和指令流水線技術(shù)能在一個(gè)周期內(nèi)并行完成取指令、讀數(shù)據(jù)和寫(xiě)數(shù)據(jù),，保證了信號(hào)處理的快速性和實(shí)時(shí)性,，因此本系統(tǒng)選用該型號(hào)DSP作為主控芯片。

　　1.2 控制電路總體設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)控制對(duì)象包括步進(jìn)電機(jī),、定位光電開(kāi)關(guān)和夾鉗開(kāi)關(guān),，系統(tǒng)控制所需完成的功能是：實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，包括升降速過(guò)程和勻速運(yùn)轉(zhuǎn),；采集光電開(kāi)關(guān)信號(hào),，作為原點(diǎn)定位；控制夾鉗開(kāi)關(guān),，緊固托盤(pán),，確保在高速振蕩時(shí)無(wú)相對(duì)滑動(dòng)；通過(guò)CAN總線實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與振蕩器之間的通信,。實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的控制設(shè)計(jì)如圖1所示,。

　　由于本系統(tǒng)可作為生物樣本制備平臺(tái)中的一個(gè)功能模塊，故采用CAN總線通信方式,，方便實(shí)現(xiàn)多個(gè)功能模塊之間的串行通信,。TMS320F2812內(nèi)部集成了增強(qiáng)型CAN總線控制器，兼容CAN2.0總線標(biāo)準(zhǔn),，只需增加CAN總線收發(fā)器即可實(shí)現(xiàn)與總線的物理連接,。本方案選用了CTM1051AT隔離收發(fā)器，該芯片特別適合＋3.3 V系統(tǒng)的CAN控制器,，在以往的設(shè)計(jì)方案中需要光耦,、DC-DC電源隔離、收發(fā)器等元器件才能實(shí)現(xiàn)帶隔離的CAN收發(fā)電路,，而一片CTM1051AT接口芯片就可以實(shí)現(xiàn),。如圖1所示，為了保持與外圍電路的電平一致,，設(shè)計(jì)外部I/O擴(kuò)展電路,，采用74LVTH16244電平轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行3.3 V與5 V之間的電平轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)光電開(kāi)關(guān)信號(hào)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)等信號(hào)于DSP I/O口的輸入輸出,。

　　1.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

　　步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片選用TB6560HQ,，該芯片是東芝公司推出的兩相雙極性步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，具有脈沖輸入、方向控制,、細(xì)分控制,、使能控制、復(fù)位等豐富的控制功能和高達(dá)3.5 A的相電流驅(qū)動(dòng)能力[5],，完全滿(mǎn)足步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)要求,，而且?guī)в休敵霰O(jiān)控功能和過(guò)熱保護(hù)電路。由TB6560HQ構(gòu)成的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示,。引腳ENABLE使能電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片,；CW/CCW控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)；M1與M2設(shè)置電機(jī)細(xì)分?jǐn)?shù),；RESET復(fù)位芯片,；OUT_AP、OUT_AM,、OUT_BP,、OUT_BM接步進(jìn)電機(jī)兩相繞組的自由端直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)；PROTECT是過(guò)熱保護(hù)輸出,，該信號(hào)與DSP輸出的PWM信號(hào)相與后輸入CLK引腳來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，一旦電流過(guò)大引起芯片過(guò)熱,，此輸出引腳由高電平變?yōu)榈碗娖奖憧芍袛嚯姍C(jī)運(yùn)轉(zhuǎn),。DSP的事件管理器EVB模塊設(shè)置為通用I/O口（GPIO1～GPIO7）輸出以上控制信號(hào)，EVA模塊的通用定時(shí)器1比較操作輸出PWM波驅(qū)動(dòng)電機(jī),。

　　對(duì)于本系統(tǒng),，步進(jìn)電機(jī)使用時(shí)面對(duì)的各種問(wèn)題中，振動(dòng)噪聲是首要解決的問(wèn)題,。由驅(qū)動(dòng)電路引起的步進(jìn)電機(jī)的振動(dòng)噪聲一般是由定子電流的高次諧波含量,、相電流的不平衡或者是電源的波動(dòng)引起的，其中高次諧波為主要原因,。步進(jìn)電機(jī)使用方波電流驅(qū)動(dòng),，必然含有大量的高次諧波，由此產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲,。因此驅(qū)動(dòng)電流最好為正弦波,。接近正弦波的驅(qū)動(dòng)方法有步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分步進(jìn)驅(qū)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)在1/4細(xì)分,、半步,、整步驅(qū)動(dòng)時(shí)，其振動(dòng)是依次增加的[6],。本驅(qū)動(dòng)控制設(shè)計(jì)中,，通過(guò)數(shù)字輸入輸出端口GPIOB來(lái)傳輸電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，通過(guò)設(shè)置GPIO4、GPIO5（細(xì)分驅(qū)動(dòng)輸出）的高低電平狀態(tài)即可控制步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分,。經(jīng)過(guò)比較1/4細(xì)分與1/8細(xì)分驅(qū)動(dòng)電機(jī)后,，決定采用1/8細(xì)分。采用高細(xì)分不僅對(duì)于減噪有效,，而且在微處理器輸出頻率足夠高的情況下,，合理使用高細(xì)分，有利于電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn),，能提高控制精度,。

　　此外，確定合理的啟動(dòng)頻率也是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的一個(gè)關(guān)鍵,。步進(jìn)電機(jī)有一個(gè)技術(shù)參數(shù)——空載啟動(dòng)頻率,，即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動(dòng)的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于空載啟動(dòng)頻率,，電機(jī)則不能正常啟動(dòng),，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下,，啟動(dòng)頻率應(yīng)更低,。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動(dòng)，脈沖頻率應(yīng)該有加速過(guò)程,，即啟動(dòng)頻率較低,，然后按一定加速度升到所希望的高頻，電機(jī)轉(zhuǎn)速由低速升到高速,。根據(jù)所用電機(jī)的矩頻特性曲線及以往經(jīng)驗(yàn),，通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)探索到適合本套系統(tǒng)的最佳啟動(dòng)速度為<250 rpm。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　2.1 步進(jìn)電機(jī)升降速控制算法

　　電機(jī)由啟動(dòng)速度加速到目標(biāo)速度的過(guò)程中,，若每步運(yùn)行的速度差距過(guò)大,，會(huì)使電機(jī)輸出力矩不足，無(wú)法正常運(yùn)行,；加減速過(guò)程過(guò)短,，則需要更多的運(yùn)行時(shí)間來(lái)使其穩(wěn)定運(yùn)行。根據(jù)對(duì)系統(tǒng)的要求并結(jié)合系統(tǒng)性能,，設(shè)計(jì)出一套可行的步進(jìn)電機(jī)升降速方案,，一直是電機(jī)控制設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)。

　　目前,，步進(jìn)電機(jī)的升降速曲線多采用4種,，分別是階梯加減速曲線、直線加減速曲線,、指數(shù)加減速曲線和S形加減速曲線,。這些加減速曲線各有優(yōu)缺點(diǎn),，應(yīng)用場(chǎng)合也不盡相同。本文采用將線性加減速過(guò)程離散后,，用階梯曲線來(lái)逼近線性加減速曲線的控制方法,。線性加減速曲線如圖3所示。步進(jìn)電機(jī)以頻率f0啟動(dòng)后,，以加速度a加速,，至t1時(shí)刻后達(dá)到最高運(yùn)行頻率fh，然后勻速運(yùn)行,，至t2時(shí)刻以加速度-a減速,，在t3時(shí)刻電機(jī)停轉(zhuǎn)。其中,，在加速階段,，頻率與時(shí)間的關(guān)系為：

　　f=f0+at（1）

　　其中，f是瞬時(shí)頻率,，f0是啟動(dòng)頻率,，a是加速度，t是加速時(shí)間,。采用離散法將加減速曲線離散化,，如圖4所示。得到的加速階梯曲線速度是分擋上升的,，而且每升一擋都在該擋保持一段時(shí)間,，以當(dāng)前的速度運(yùn)動(dòng)若干個(gè)脈沖后再升一擋，這種方法克服了步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量所引起的速度滯后,，使得局部速度誤差得到自動(dòng)糾正,。當(dāng)最高運(yùn)行頻率為fh時(shí),，由式（1）可得加速時(shí)間為：

　　將加速段均勻地離散為n段,，可知相鄰兩次速度變化的時(shí)間間隔為：

　　n即為階梯加速的分擋數(shù)，每一擋的頻率為：

　　各分擋內(nèi)運(yùn)行的步數(shù)為：

　　本方案中,，采用微處理器具有的事件管理器來(lái)輸出脈沖驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī),，加減速實(shí)際上是靠不斷改變通用定時(shí)器的周期寄存器T1PR裝載值的大小，也就是改變輸出脈沖的時(shí)間間隔來(lái)實(shí)現(xiàn)的,。定時(shí)器1提供基準(zhǔn)時(shí)鐘,，采用連續(xù)增減計(jì)數(shù)模式，其時(shí)鐘源取自外部輸入信號(hào)TCLKIN（30 MHz晶振）,，經(jīng)預(yù)定標(biāo)后外設(shè)時(shí)鐘頻率為15 MHz,。電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算公式為：

　　其中，V為電機(jī)轉(zhuǎn)速（r/s）,，P為脈沖頻率（Hz）,，θe為電機(jī)固有步距角（1.8°）,，m為細(xì)分?jǐn)?shù)（8細(xì)分）。V與f之間的關(guān)系為：

　　f=200×V（7）

　　控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)鍵因素周期寄存器T1PR裝載值與電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系為：

　　根據(jù)應(yīng)用速度范圍300 rpm～1 000 rpm,，升降速時(shí)間要求為不大于2 s,，若電機(jī)以200 rpm啟動(dòng)，由式（7）得f0為667步/s,，運(yùn)行至最高速度1 000 rpm,，即fh為3 333步/s，由式（2）,、式（3）和式（4）可得每上升一個(gè)階梯增速Δf為27步/s,，故全過(guò)程分為100擋，即每0.02 s增速一擋,，再由式（8）得到每擋的周期寄存器T1PR裝載值,。本系統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)加速過(guò)程如圖5所示。減速過(guò)程方法同加速過(guò)程,。

　　2.2 功能實(shí)現(xiàn)及故障診斷

　　本系統(tǒng)通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)了振蕩器的初始化,、振蕩暫停與繼續(xù)，以及設(shè)置振蕩時(shí)間,、方向,、速度等功能。程序運(yùn)行流程為：在上電后首先執(zhí)行初始化操作,，以檢測(cè)步進(jìn)電機(jī),、光電開(kāi)關(guān)和夾鉗開(kāi)關(guān)功能是否正常，之后再設(shè)定參數(shù)執(zhí)行振蕩操作,，其中若有部件故障則通過(guò)CAN總線向上報(bào)錯(cuò),。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　經(jīng)過(guò)系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，實(shí)現(xiàn)了振蕩器有效地將樣品混勻功能,，并證明了本系統(tǒng)的加減速實(shí)施方案可行,，圖6是步進(jìn)電機(jī)加速、勻速及減速過(guò)程的驅(qū)動(dòng)脈沖,。電機(jī)減速后制動(dòng)是通過(guò)檢測(cè)光電傳感器電平實(shí)現(xiàn)的,，圖6中下方的波形是減速－制動(dòng)階段的放大效果，當(dāng)接收到傳感器的高電平信號(hào)后電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn),，以保證每次停留在相同的位置,。

4 結(jié)論

　　經(jīng)過(guò)對(duì)系統(tǒng)應(yīng)用要求和受控對(duì)象的分析，合理選用驅(qū)動(dòng)部件及主控制器,，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明,，基于CAN總線的系統(tǒng)控制電路實(shí)現(xiàn)了對(duì)振蕩器的多種功能控制；步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)細(xì)分的設(shè)計(jì)有效控制了噪聲,，并實(shí)現(xiàn)了電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行,，保證了托盤(pán)內(nèi)的液體樣品充分混勻,；此外，電機(jī)加減速驅(qū)動(dòng)控制采用將線性加減速過(guò)程離散的控制方案,，實(shí)際操作驗(yàn)證了此方案的可行性,，電機(jī)能夠在系統(tǒng)要求時(shí)間內(nèi)平穩(wěn)地完成加減速過(guò)程。

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