摘要： 介紹了一種高精度高可靠步進電機驅動控制系統的設計。該設計充分利用TMC260智能驅動芯片的優勢，結合FPGA自由編程特點，設計了兩相步進電機驅動電路。電路實現了電機在寬頻內256細分的高精度步進，并具有電機過載檢測、堵轉報警等功能，作為血液分析儀的核心驅動部件在臨床應用取得了很好的效果。

步進電機是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制元件，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉過一個步距角。由于這一線性關系，且無累積誤差等特點，使其在速度、位置等控制領域得到了廣泛應用［1］。

血液分析儀是醫院臨床檢驗廣泛應用的儀器之一，目前大多數分析儀均采用步進電機作為血樣微升定量、轉盤定位、液路壓力產生的核心執行元件，其典型驅動電路多以L297+L298、A3977和LG9110等芯片搭建。這些驅動電路中分立元件多［2］、驅動電流小、發熱量大，電機堵轉等故障極易造成系統核心部件損壞報廢；另外，由于電機芯片脈沖頻率范圍窄，細分數低，導致電機定位、定量精度低［3-4］。

本文介紹了一種開環高精度高可靠步進電機驅動電路。該電路充分利用TMC260智能芯片的優點，結合流行的FPGA和自動控制技術，不但實現了步進電機的高精度高可靠運行，還具有堵轉報警等功能。本電路集成度高、驅動電流大、設計簡潔，在血液分析儀的應用中滿足了高精度定位（誤差≤1 mm）、定量（偏差≤0.01 μL）的技術指標要求，同時提高了分析儀檢測精度，拓展了儀器智能檢測報警功能，對提高國內鄉鎮、社區基層醫院的整體醫療診斷水平具有重要的現實意義。

1 步進電機驅動控制系統的工作原理

本文設計的步進電機驅動控制系統主要包括FPGA主控制器、TMC260智能電機驅動芯片、兩相混合式直線步進電機等，其基本框圖如圖1所示。

由圖1可知，主控制器FPGA通過SPI接口對TMC260電機驅動芯片進行初始化配置。然后，FPGA發出控制信號和脈沖信號，由TMC260芯片將信號轉化為兩相驅動電流，驅動電機帶動微量進樣器運行。電機運行中，TMC260芯片智能檢測負載情況并實時反饋到FPGA；當負載過大或造成電機堵轉時，FPGA控制電機停止運行并提示報警。

2 步進電機驅動控制系統組成

2.1 FPGA

FPGA器件具有高密度、低功耗等優點，在航空航天、通信、工業控制等方面得到大量應用［5-6］。本文采用Altera公司Cyclone III系列EP3C40F484C8芯片［7］，具有功耗低、集成度高等特點。

2.2 TMC260芯片

本電機驅動電路設計中，選擇德國Trinamic公司的雙全橋驅動芯片TMC260［8］，其內部集成MOSFETs，驅動電流高達1.7 A，同時采用獨特的Low-RDS-ON技術達到低功耗、高效率的性能。另外，芯片內部集成專利技術StallGuard無傳感器失速檢測功能。芯片可實現對電機256細分的高精度控制。

TMC260芯片不僅具有高細分、低功耗、高效率等特點，還有短路、過溫、過載等保護功能。由其搭建的驅動電路簡潔、控制靈活，適用于雙極性步進電機驅動的高可靠性場合。

2.3 步進電機

對于血液分析儀而言，待檢血樣的定量精度直接決定儀器性能。而血樣定量是由步進電機、傳動機構和微量進樣器配合完成的，因此，吸血樣定量機構的電機步進精度尤為關鍵。

4.2 FPGA配置脈沖細分數

鑒于步進電機傳統的細分驅動控制系統存在電子電路設計復雜、細分數固定和靈活性差的缺陷，特設計電機細分配置模塊，高達256細分，實現電機微步距控制，具有設計簡單、細分數自由編程等特點。同時，軟件設計分頻模塊，發出不同頻率、不同占空比的PWM脈沖［10］，驅動電機在寬頻范圍內高、低速平滑步進。

4.3 步進電機負載檢測報警

考慮到電機故障極易造成系統核心部件損壞，本系統特別設計針對步進電機停止運行、檢測報警的保護功能。

主控制器FPGA將控制信號、PWM信號等發給TMC260，由它輸出兩相電流驅動電機轉動。電機運行中，TMC260實時檢測負載信息，FPGA通過SPI接口實時讀取電機狀態信息，根據該信息實時控制電機啟停、故障報警等。

5 芯片TMC260初始化配置效果圖

完成系統電子線路設計后，加載運行FPGA固化程序系統，初始化TMC260，其中SMARTEN寄存器配置0XA0004數值波形如圖5所示。圖中從上向下分別是TMC260的配置時鐘SCK、輸入數據SDI和選通信號CSN。

6 實驗運行效果及分析

在系統的性能測試實驗中，驅動對象采用常州運控公司的42BYG型1.8°兩相混合式直線步進電機。

步進電機在驅動芯片TMC260的STEP/DIR模式下運行。圖 6 是PWM脈沖信號和A相繞組采樣電阻的電壓波形。電機微步距行進過程中，電壓波形正弦的輪廓呈階梯式變化。

本文討論了一種基于FPGA采用TMC260智能芯片搭建的驅動電路及自由編程控制的設計。系統創新地通過FPGA自由編程來完成步進電機細分電路和電機定位控制，在血液分析儀應用中實現了高精度0.01 μL血樣定量及1 mm的定位，提高了儀器性能。同時，在電機堵轉等大負載情況下，該設計能夠有效報警，降低損耗，拓展了儀器智能報警功能，取得了良好效果。

參考文獻

［1］ 白雪。電機與電氣控制技術［M］。西安：西北工業大學出版社，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，庹先國，王洪輝，等.L297+L298芯片在步進電動機中的應用［J］。微特電機，2012，40（10）：58-61.

［4］ 李慧，李海霞，馮顯英。基于MCU和CPLD的智能移動機器人控制系統［J］。機電工程，2009，26（8）：100-103.

［5］ 唐博，李錦明，李士照。基于FPGA的激光陀螺信號高速精確解調系統［J］。電子技術應用，2013，39（3）：74-76.

［6］ 聶銀燕，林曉煥，石娟，等。基于FPGA的織機遠程監測系統的設計與實現［J］。微型機與應用，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］ 夏宇聞.Verilog數字系統設計教程［M］。北京：北京航空航天大學出版社，2008.

［10］ 吳玉昌，胡榮強，王文娟?；贑PLD/FPGA的多功能分頻器的設計與實現［J］。世界電子元器件，2007，3：42-44.

編輯：jq