ARM处理器的蠕动泵步进电机细分驱动系统※＊

许金，郭庆，徐翠锋

（桂林电子技术大学，桂林541004）

引 言

蠕动泵又称软管泵，广泛应用于水质监测、现代生化分析、医疗救护等领域的流路进样系统，用于精确提取水样和化学试剂[1-2]。蠕动泵一般由4部分构成：泵管、泵头、步进电机、驱动电路[3]。泵管的直径、泵头的几何参数、步进电机的运动参数共同决定蠕动泵泵送液体的最小分辨率及取样精确度。泵管、泵头、步进电机都属于标准件，因此步进电机的运行参数决定了蠕动泵的取样精度。

本文针对水质监测系统中所用的蠕动泵两相步进电机，基于ARM微处理器设计步进电机细分驱动系统，提出软硬件设计方案，解决步进电机运动过程中失步、丢步、振动等问题，提高蠕动泵的取样精度。

1 系统方案设计

根据步进电机细分驱动原理，驱动器一般由环形脉冲分配器、细分数据产生器、PWM波形产生器、功率放大器、电机绕组电流检测器5部分组成[4]。目前细分驱动多采用FPGA或者CPLD产生环形脉冲、细分数据和PWM波形等，再加上外部功率放大及绕组电流采样等外围电路[5]。但由于FPGA、CPLD等内部没有集成DAC、ADC，需要外接DAC才能完成波形发生器的设计，在绕组电流采样中也必须结合外部ADC集成芯片。本系统摒弃FPGA等常规解决方案，以基于ARM Cortex-M3内核的STM32F103VET6微处理器为核心，构成一个外围电路少、CPU消耗小的两相步进电机均匀细分驱动器。

系统原理框图如图1所示，核心处理器STM32103VET6产生细分参考电压，与绕组的反馈采样电压共同送入电压比较器。通过逻辑与门连接电压比较器的输出和环形脉冲分配器生成的极性脉冲，产生步进电机各相脉宽调制信号（PWM），输出至H全桥驱动电路，控制H全桥中各功率管的通断，以闭环细分驱动控制方式实现对步进电机相电流的精确控制。

图1 系统原理框图

对相绕组进行电压采样得到的反馈电压，一方面与微处理器输出的细分参考电压进行比较，另一方面通过ADC接入核心处理器，处理器根据电压反馈情况对细分参考电压进行实时调节，提高步进电机运行的稳定性。

针对自激式斩波恒流引起功率开关管损耗严重的问题，系统采用恒频斩波恒流技术，通过触发器和恒频脉冲使开关管通断频率处于人为可控状态，兼顾恒流效果和芯片温升，提高系统可靠性。

2 硬件设计

2.1 细分控制电路

根据恒力矩均匀步距角细分驱动原理，要使电机内部形成圆形旋转磁场，需对空间角相差90°的两相绕组分别通以电气角相差90°的正弦波电流[6]。图2显示了步进电机相绕组中双极性正弦波电流与环形分配脉冲之间的关系。

图2 细分电流过程分解图

图2表示，周期为T/2的正向单极性正弦电流波和换向通电脉冲，可以在绕组上合成一个周期为T的正弦波电流。在0～T/2时段，A相绕组A＋端为H，A-端为L，电流通电方向为A＋→A-，通电电压以周期为T/2的正弦波变化，绕组上形成正半轴正弦波电流；在T/2～T时段，A相绕组A＋端为L，A-端为H，电流通电方向为A-→A＋，通电电压同样以周期为T/2的正弦波变化，绕组上则形成负半轴正弦波电流，由此合成周期为T的双极性正弦波电流。具体实现电路原理图如图3所示，微处理器STM32F103VET6自带的DAC输出周期为T/2的正弦细分参考电压（DAC1），通过电压比较器LM339和相绕组反馈电压（SAM＿VOL＿A）进行比较；比较器输出结果经过逻辑与门集成芯片74 HC08，分别与不同的环形分配脉冲（TIM1＿CH1、TIM1＿CH1N）产生正反方向自激式PWM波；D触发器74AC74通过恒频脉冲（TIM4＿CH1、TIM4＿CH2）输出恒频斩波PWM波，控制H桥功率驱动电路，实现步进电机的细分控制。

图3 单相驱动控制电路原理图

2.2 功率驱动电路

在细分驱动中，电机相绕组通电是双极性的，相绕组通以双极性正弦波电流而实现步距角的细分，其中双极性通电的实现需要使用IGBT或MOSFET等构成H全桥功率驱动电路[7]。系统使用2片半桥驱动芯片IR2110和4片MOS管CSD18531Q5A构成H全桥功率驱动电路，具体电路原理图如图4所示。当控制信号A＋为H、A-为L时，Q2、Q5导通，Q3、Q4截止，A相绕组正向通电；当控制信号A＋为L、A-为 H时，Q3、Q4导通，Q2、Q5截止，A相绕组反向通电。另外，电路实时对采样电阻（R42）进行电压采样，经过滤波放大等处理电路反馈回控制端，实现闭环调节。

3 软件设计

在软件设计中，比较重要的是A、B相绕组极性控制脉冲和细分电压的产生以及两者的同步控制。由H全桥驱动原理可知：①两相步进电机A＋（B＋）和A-（B-）控制信号频率相同、极性相反；②A相和B相两对控制信号频率相同、相位相差90°；③A＋（B＋）与A-（B-）如同时导通，电流将从电源正极直接经过两个驱动管返回电源负极，形成短路，烧毁驱动管并损坏电源。因此，为了完成H全桥驱动控制，系统需构建两对频率相同、相位相差90°，并 带 死 区 控 制 的 互 补 对 称 极 性 控 制 脉 冲[8]。STM32F103VET6内部集成两个高级定时器（TIM1和TIM8），能输出带死区控制的互补对称PWM脉冲，为构成两相步进电机驱动信号提供了便利，但一个定时器的计数方式只能有一种，不能同时产生A、B两组信号。系统软件中使用定时器主从模式，设置两个高级定时器工作在从定时器模式，其中TIM1工作模式为向上计数模式，TIM8工作模式为中间对齐计数模式。为了完成两组极性脉冲的输出同步，系统使用一个普通定时器TIM2作为两个定时器的同步信号和更新时钟。定时器主从关系如图5所示，设置TIM2为主定时器，其时钟由系统时钟提供；TIM1和TIM8作为从定时器，其同步信号和更新时钟由TIM2的更新事件提供；TIM2每发生一次更新事件（更新事件在TRGO1上表现为上升沿信号），TIM1和TIM8才发生时钟跳变，从而计数一次，由此输出同步的PWM控制信号。

图4 单相功率驱动电路原理图

图5中显示了主定时器TIM2更新信号同时也作为芯片内部直接内存存储器DMA2的时钟，以此实现正余弦细分信号与极性脉冲信号同频同相。为了分别产生正弦、余弦细分电压波形，系统使用了STM32F103VET6内部集成的2个DAC，并采用独特的双通道DAC模式，把两个通道的细分数据按一定格式送入一个32位的寄存器中。TIM2事件更新产生后，12位的DAC1和DAC2从这个寄存器中获取各自的12位细分数据并转换输出，由此实现一个TIM2更新事件，同时更新DAC1和DAC2的输出，同步两个通道的细分信号。其中DMA内存存储区存储的数据是各个角度对应的正余弦值通过移位并右对齐整合后的细分电压数值，DMA外设地址选用DAC＿DHR12RD寄存器的地址。

图5 极性脉冲及细分数据产生示意图

4 系统测试

实验所使用的蠕动泵为保定兰格公司的BT100-2J，其步进电机为42BYGH602-27AE。本细分系统和上位机之间采用CAN总线进行通信，通过命令设置蠕动泵的启停、内部步进电机细分数、运行速率等参数。将系统硬件电路连接步进电机，通过上位机更改步进电机细分数，分别对电路中比较器输出和绕组相电流进行测量，测量结果略——编者注。

波形图表现出每一级细分电流台阶都有细微的斩波恒流痕迹，通过斩波恒流使电流恒定在某一个细分值，由此实现正弦变化趋势的细分电流，完成步进电机步距角的均匀细分驱动。

结 语

在水样预处理环节，蠕动泵的精准控制是流路进样系统中很重要的一环。本文根据海洋水样监测实际应用中的具体要求，提出了基于ARM单芯片步进电机细分驱动解决方案，设计并完成了均匀细分驱动系统的软硬件。测试结果表明，系统能较好地完成步进电机步距角的均匀细分，实现步进电机的精准控制，具有细分数可变、细分精度高、驱动电路体积小、功耗低等特点，适用于其他微型步进电机精准控制的场合。

编者注：本文为期刊缩略版，全文见本刊网站www.mesnet.com.cn。

[1]刘显军.蠕动泵的结构原理及其应用[J].流体机械，1998（12）：38-40.

[2]陈安斌，王苗苗，邹远文.蠕动泵控制软件的设计及应用[J].实验科学与技术，2010（6）：44-46.

[3]高慧莹，刘涛，孙振杰.蠕动泵原理及在化学机械抛光过程中的应用[J].电子工业专用设备，2010（9）：48-51.

[4]陈学军.步进电机细分驱动控制系统的研究与实现[J].电机与控制应用，2006（6）：48-50.

[5]张萍.基于FPGA的步进电机SPWM细分驱动系统的设计[J].制造业自动化，2014（4）：115-119.

[6]张小杭.基于DSP的两相混合式步进电机细分控制及转矩矢量控制[D].杭州：浙江工业大学，2004.

[7]张明，章国宝.IR2110驱动电路的优化设计[J].电子设计工程，2009（12）：66-67.

[8]任勇.基于FPGA的两相步进电机细分驱动器设计[D].杭州：杭州电子科技大学，2011.