摘 要： 設(shè)計了一種用于振蕩器的驅(qū)動控制方案。簡要說明了關(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；詳細闡述了電機驅(qū)動設(shè)計；分析了步進電機使用時需要關(guān)注的主要問題并提出了相應(yīng)的解決方法；針對步進電機升降速控制，給出了適合本系統(tǒng)的控制算法。實驗證明，本套驅(qū)動控制方案能夠合理地實現(xiàn)所選步進電機的驅(qū)動功能，振蕩器能夠?qū)⑼斜P內(nèi)的液體樣品充分混勻。
關(guān)鍵詞： 步進電機；DSP；升降速控制；細分驅(qū)動
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)部門不可缺少的實驗設(shè)備。振蕩器內(nèi)設(shè)置偏心輪結(jié)構(gòu)，采用電機輸出軸與偏心輪固聯(lián)的形式，在電機的驅(qū)動下，帶動托盤產(chǎn)生水平面圓周震動，達到將托盤內(nèi)的液態(tài)樣品混勻的目的。步進電機具有精度高、慣性小、能實現(xiàn)高精度快速開環(huán)控制、只有周期性的誤差而無累積誤差的特點，使得在速度、位置等控制領(lǐng)域使用步進電機來控制變得非常簡單，故采用步進電機作為振蕩器的驅(qū)動裝置。在實際應(yīng)用過程中，步進電機控制的關(guān)鍵問題是：升降速時，若脈沖頻率變化不合理，會產(chǎn)生較大的噪聲，電機運行不穩(wěn)定，還可能造成失步或者過沖，系統(tǒng)無法做到精確定位[1]；從系統(tǒng)響應(yīng)速度的角度，電機亦要滿足升降速的應(yīng)用需求，即在要求時間內(nèi)完成加減速過程[2]；確定合理的啟動速度。經(jīng)過對本文選用的電機性能與應(yīng)用需求綜合分析后，確定了一種適合本系統(tǒng)的加減速實施方案，并通過實驗驗證了方案的可行性。在控制方面，DSP較單片機集成了更為豐富的資源，是一種特別適合于進行數(shù)字信號處理運算的微處理器，并以其高性能及日趨低價位的特點，越來越廣泛地應(yīng)用于信息處理、控制系統(tǒng)中[3]，本系統(tǒng)即采用DSP實現(xiàn)對步進電機的精確控制。使用時可以根據(jù)需要設(shè)定振蕩器振蕩速度、時間、方向等，同時DSP帶有自檢功能，在初始化時便可檢測步進電機、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
1.1 核心部件選型
步進電機作為系統(tǒng)的驅(qū)動裝置是核心部件，選擇步進電機時，首先要保證步進電機的輸出功率大于負載所需功率，電機的矩頻特性能滿足電機負載并有一定的余量保證其運行可靠。在實際工作過程中，各種頻率下的負載力矩必須在矩頻特性曲線的范圍內(nèi)。此外，實際還要考慮位置控制精度、使用速度范圍、負載傳動方式、噪音與振動等因素。本文所述振蕩器其負載為重97 g的托盤，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型步進電機42BYGHM47-1684B，其最大靜力矩可達0.044 kg·m，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量為6.8×10-6 kg·cm2，步距角為1.8°，能夠滿足振蕩器的驅(qū)動要求。
控制電機的微處理器也是本系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵。TMS320F2812 DSP是TI公司推出的32位定點電機專用控制芯片，提供兩個事件管理器EVA和EVB模塊，可極為方便地實現(xiàn)電機數(shù)字化控制，工作頻率可達150 MHz[4]，其哈佛總線結(jié)構(gòu)和指令流水線技術(shù)能在一個周期內(nèi)并行完成取指令、讀數(shù)據(jù)和寫數(shù)據(jù)，保證了信號處理的快速性和實時性，因此本系統(tǒng)選用該型號DSP作為主控芯片。
1.2 控制電路總體設(shè)計
系統(tǒng)控制對象包括步進電機、定位光電開關(guān)和夾鉗開關(guān)，系統(tǒng)控制所需完成的功能是：實現(xiàn)對步進電機的驅(qū)動，包括升降速過程和勻速運轉(zhuǎn)；采集光電開關(guān)信號，作為原點定位；控制夾鉗開關(guān)，緊固托盤，確保在高速振蕩時無相對滑動；通過CAN總線實現(xiàn)上位機與振蕩器之間的通信。實現(xiàn)系統(tǒng)功能的控制設(shè)計如圖1所示。
由于本系統(tǒng)可作為生物樣本制備平臺中的一個功能模塊，故采用CAN總線通信方式，方便實現(xiàn)多個功能模塊之間的串行通信。TMS320F2812內(nèi)部集成了增強型CAN總線控制器，兼容CAN2.0總線標準，只需增加CAN總線收發(fā)器即可實現(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)計方案中需要光耦、DC-DC電源隔離、收發(fā)器等元器件才能實現(xiàn)帶隔離的CAN收發(fā)電路，而一片CTM1051AT接口芯片就可以實現(xiàn)。如圖1所示，為了保持與外圍電路的電平一致，設(shè)計外部I/O擴展電路，采用74LVTH16244電平轉(zhuǎn)換芯片進行3.3 V與5 V之間的電平轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)光電開關(guān)信號和電機驅(qū)動等信號于DSP I/O口的輸入輸出。
1.3 電機驅(qū)動設(shè)計
步進電機的驅(qū)動芯片選用TB6560HQ，該芯片是東芝公司推出的兩相雙極性步進電機驅(qū)動器，具有脈沖輸入、方向控制、細分控制、使能控制、復(fù)位等豐富的控制功能和高達3.5 A的相電流驅(qū)動能力[5]，完全滿足步進電機的驅(qū)動要求，而且?guī)в休敵霰O(jiān)控功能和過熱保護電路。由TB6560HQ構(gòu)成的步進電機驅(qū)動電路如圖2所示。引腳ENABLE使能電機驅(qū)動芯片；CW/CCW控制電機正反轉(zhuǎn)；M1與M2設(shè)置電機細分數(shù)；RESET復(fù)位芯片；OUT_AP、OUT_AM、OUT_BP、OUT_BM接步進電機兩相繞組的自由端直接驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)；PROTECT是過熱保護輸出，該信號與DSP輸出的PWM信號相與后輸入CLK引腳來控制電機轉(zhuǎn)速，一旦電流過大引起芯片過熱，此輸出引腳由高電平變?yōu)榈碗娖奖憧芍袛嚯姍C運轉(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，EVA模塊的通用定時器1比較操作輸出PWM波驅(qū)動電機。
對于本系統(tǒng)，步進電機使用時面對的各種問題中，振動噪聲是首要解決的問題。由驅(qū)動電路引起的步進電機的振動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引起的，其中高次諧波為主要原因。步進電機使用方波電流驅(qū)動，必然含有大量的高次諧波，由此產(chǎn)生振動和噪聲。因此驅(qū)動電流最好為正弦波。接近正弦波的驅(qū)動方法有步進電機的細分步進驅(qū)動。步進電機在1/4細分、半步、整步驅(qū)動時，其振動是依次增加的[6]。本驅(qū)動控制設(shè)計中，通過數(shù)字輸入輸出端口GPIOB來傳輸電機驅(qū)動信號，通過設(shè)置GPIO4、GPIO5（細分驅(qū)動輸出）的高低電平狀態(tài)即可控制步進電機的細分。經(jīng)過比較1/4細分與1/8細分驅(qū)動電機后，決定采用1/8細分。采用高細分不僅對于減噪有效，而且在微處理器輸出頻率足夠高的情況下，合理使用高細分，有利于電機運行平穩(wěn)，能提高控制精度。
此外，確定合理的啟動頻率也是步進電機驅(qū)動的一個關(guān)鍵。步進電機有一個技術(shù)參數(shù)——空載啟動頻率，即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于空載啟動頻率，電機則不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負載的情況下，啟動頻率應(yīng)更低。如果要使電機達到高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率應(yīng)該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻，電機轉(zhuǎn)速由低速升到高速。根據(jù)所用電機的矩頻特性曲線及以往經(jīng)驗，通過反復(fù)實驗探索到適合本套系統(tǒng)的最佳啟動速度為<250 rpm。
2 系統(tǒng)軟件設(shè)計
2.1 步進電機升降速控制算法
電機由啟動速度加速到目標速度的過程中，若每步運行的速度差距過大，會使電機輸出力矩不足，無法正常運行；加減速過程過短，則需要更多的運行時間來使其穩(wěn)定運行。根據(jù)對系統(tǒng)的要求并結(jié)合系統(tǒng)性能，設(shè)計出一套可行的步進電機升降速方案，一直是電機控制設(shè)計中的難點。
目前，步進電機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，應(yīng)用場合也不盡相同。本文采用將線性加減速過程離散后，用階梯曲線來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。步進電機以頻率f0啟動后，以加速度a加速，至t1時刻后達到最高運行頻率fh，然后勻速運行，至t2時刻以加速度-a減速，在t3時刻電機停轉(zhuǎn)。其中，在加速階段，頻率與時間的關(guān)系為：
f=f0+at（1）
其中，f是瞬時頻率，f0是啟動頻率，a是加速度，t是加速時間。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間，以當前的速度運動若干個脈沖后再升一擋，這種方法克服了步進電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量所引起的速度滯后，使得局部速度誤差得到自動糾正。當最高運行頻率為fh時，由式（1）可得加速時間為：
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輸出脈沖驅(qū)動步進電機，加減速實際上是靠不斷改變通用定時器的周期寄存器T1PR裝載值的大小，也就是改變輸出脈沖的時間間隔來實現(xiàn)的。定時器1提供基準時鐘，采用連續(xù)增減計數(shù)模式，其時鐘源取自外部輸入信號TCLKIN（30 MHz晶振），經(jīng)預(yù)定標后外設(shè)時鐘頻率為15 MHz。電機轉(zhuǎn)速計算公式為：
其中，V為電機轉(zhuǎn)速（r/s），P為脈沖頻率（Hz），θe為電機固有步距角（1.8°），m為細分數(shù)（8細分）。V與f之間的關(guān)系為：
f=200×V（7）
控制電機轉(zhuǎn)速的關(guān)鍵因素周期寄存器T1PR裝載值與電機轉(zhuǎn)速的關(guān)系為：
根據(jù)應(yīng)用速度范圍300 rpm～1 000 rpm，升降速時間要求為不大于2 s，若電機以200 rpm啟動，由式（7）得f0為667步/s，運行至最高速度1 000 rpm，即fh為3 333步/s，由式（2）、式（3）和式（4）可得每上升一個階梯增速Δf為27步/s，故全過程分為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)電機驅(qū)動加速過程如圖5所示。減速過程方法同加速過程。
2.2 功能實現(xiàn)及故障診斷
本系統(tǒng)通過軟件實現(xiàn)了振蕩器的初始化、振蕩暫停與繼續(xù)，以及設(shè)置振蕩時間、方向、速度等功能。程序運行流程為：在上電后首先執(zhí)行初始化操作，以檢測步進電機、光電開關(guān)和夾鉗開關(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CAN總線向上報錯。
3 實驗結(jié)果
經(jīng)過系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，實現(xiàn)了振蕩器有效地將樣品混勻功能，并證明了本系統(tǒng)的加減速實施方案可行，圖6是步進電機加速、勻速及減速過程的驅(qū)動脈沖。電機減速后制動是通過檢測光電傳感器電平實現(xiàn)的，圖6中下方的波形是減速－制動階段的放大效果，當接收到傳感器的高電平信號后電機停止運轉(zhuǎn)，以保證每次停留在相同的位置。
4 結(jié)論
經(jīng)過對系統(tǒng)應(yīng)用要求和受控對象的分析，合理選用驅(qū)動部件及主控制器，通過實驗證明，基于CAN總線的系統(tǒng)控制電路實現(xiàn)了對振蕩器的多種功能控制；步進電機驅(qū)動細分的設(shè)計有效控制了噪聲，并實現(xiàn)了電機平穩(wěn)運行，保證了托盤內(nèi)的液體樣品充分混勻；此外，電機加減速驅(qū)動控制采用將線性加減速過程離散的控制方案，實際操作驗證了此方案的可行性，電機能夠在系統(tǒng)要求時間內(nèi)平穩(wěn)地完成加減速過程。
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