微流控离心机运动控制系统毕业设计论文

XXXXX毕 业 论 文作 者： xxx 学 号： XXXXXXX 系： xxx 专 业： XXX 题 目： 微流控芯片离心机的运动控制系统设计 指导者： (姓 名) (专业技术职务 )评阅者： (姓 名) (专业技术职务 )2017 年 5 月 28 日毕 业 设 计 （ 论 文 ） 中 文 摘 要微流控芯片离心机的运动控制系统设计摘要：微流控芯片技术(Microfluidics)是将制备样品中所用到的分离、检测等一些功能模块集中在一块芯片上，进行自动化分析的过程技术。本文主要是研究用于样品分离的基于 STM32 的离心机运动控制系统。通过控制直流无刷电机的速度产生离心驱动力作用在微流控芯片平台上。将数字 PID 控制器利用 STM 主控芯片应用到离心机中，改变 PWM 脉冲信号的占空比调节电压，从而对直流无刷电机进行转速的多段控制。改变微流控平台的旋转速度，进而调节和控制流体的流速进行分离检测。研究结果表明，采用数字 PID 控制可以使离心机控制系统稳定运行，调速效果良好，能够满足使用要求。关键词：微流控芯片技术 STM32 无刷直流电机 数字 PID 多段控制xxxxx201x 届本科毕业论文毕 业 设 计 （ 论 文 ） 外 文 摘 要Title Design of Motion Control System for Microfluidic Chip CentrifugeAbstractMicrofluidics is the biological, chemical, medical analysis process of sample preparation, reaction, separation, detection and other basic operating unit integrated into a micro-scale chip, automatically complete the whole process of analysis.This paper mainly studies the motion control of STM32-based centrifuge.The centrifugal force generated by the rotation of the chip in the centrifugal force drive and the micro-motor is used as the driving force of the fluid in the chip lab.Using the digital PID algorithm to change the duty cycle of the PWM signal to the speed feedback of the brushless DC motor multi-stage control, change the rotation speed of the chip to adjust and control the flow rate of the fluid.The results show that the use of digital PID control can make the centrifuge stable operation, to meet the requirements.Keywords： Microfluidics ；STM32 ；Brushless DC motor ；Digital PID；Multi - stage controlxxxxx201x 届本科毕业论文xxxxx201x 届本科毕业论文目 录1 引言 11.1 课题研究背景 11.2 课题研究意义及目的 11.3 离心机运动控制概述 21.4 论文主要研究内容 21.5 论文结构与章节安排 32 离心机原理及模型建立 32.1 直流无刷电机工作原理 32.2 电机的选择及相关技术参数 42.3 离心机数学模型的建立 52.4 本章小结 73 PID 控制技术综述 73.1 PID 简介及调速原理 73.2 PID 控制算法概述及参数整定 93.3 本章小结 114 离心机控制器总体设计及其仿真 124.1 控制方案的选择 124.2 系统总体设计及其仿真 124.3 本章小结 17xxxxx201x 届本科毕业论文5 离心机控制系统的硬软件设计 175.1 控制系统硬件设计 175.2 控制系统软件设计 215.3 本章小结 266 运行结果与分析 266.1 控制系统组成 276.2 结果分析 27结论 29参考文献 30致谢32xxxxx201x 届本科毕业论文-1-1 引言11 课题研究背景微流控芯片技术在科学上的定义是将制备样品中所用到的分离、检测等一些功能模块集中在一块芯片上，该芯片是把微米作为计量单位，从而完成自动化的分析1。该技术通常应用在医疗、生物检测等领域。目前国际上的研究机构在分离、检测方面创新点还是比较多的。微流控技术它是上就是对某种液体进行的一种相对精确的控制，使之成为科研人员进一步研究分析的样品。当今国际上在这个领域内的发展以相对成熟，值得一提的是目前应用最广泛，技术相对成熟的的系统就是以微机电加工为基础的的分析技术，他可以简化很多目前我们所用到的分析仪器。微流控芯片技术为目前最热门的一项，利用离心驱动的方法对要检测的样品进行分离。据了解，作为微流控技术分离驱动的方式有很多，其中比较常用的为需要多点高压电源设备的电渗流驱动与压力驱动方式。电渗流驱动的系统非常复杂，一般很少用。更多的应用为压力驱动，压力驱动也分为两种。一种采用外部宏观泵或注射器与微流体管道耦合,虽然其方式结构简单、比较容易实施,但体积庞比较大。第二种即为压力驱动，它将微机械加工技术制作的微泵作为离心力,不过这种驱动方式制作流程繁琐、成本花费也很大 2。12 课题研究意义及目的采用离心力作为驱动的技术目前来看比较具有创新性的发展 34。它的驱动优势比较明显，结构简单、工艺制作简易、驱动效果好。这种技术已经在国外讲多领域有所应用，但是我国对此项技术的研究还不是很深入。本文采用的离心机为直流无刷电机，传统的无刷直流电机在实际生活中有着很多的应用，如模具、机械制造业、工业控制以及化工行业等等。但传统的无刷电机控制系统存在设备老化现象，使系统可靠性降低制约着工业生产和发展。本文所采用的主控芯片 STM32 具有良好的控制功能与保护功能，性能稳定，抗外界干扰能力强，能适应各种恶劣环境。传统的直流无刷电机控制主要是用连续 PID 模拟器控制，但是其可靠性差，抗干扰能xxxxx201x 届本科毕业论文-2-力较弱，电机运行效率较低。为克服以上缺点，本文以 STM32 为核心，设计一个数字的无刷直流电动机控制系统，利用位置传感器信号作为反馈和数字 PID 算法结合，通过改变 PWM 信号的占空比对转速反馈的直流无刷电机进行多段控制来控制速度，使其具有良好的调速效果。13 离心机运动控制概述离心机采用直流无刷电动机，而基于 STM32 的直流调速系统具有运行可靠，调速精度高的特性。调速系统由电源、上位机、通信接口、STM32 控制器、电机驱动器、直流无刷电机与测速装置等构成。如图 1-1 所示：图 1-1 离心机运动控制系统结构图离心机运功控制系统工作过程为：当启动离心机后，通过配套上位机设定各阶段预达到的速度。经过 STM32 控制器处理后，通过改变 PWM 占空比，进而控制发射脉冲信号，当驱动器接收到信号后，根据脉冲信号改变直流无刷电机的电压，从而控制其转速。同时，测量装置对离心机的转速进行测量计算，并将结果反馈到主控电路，控制器将反馈得到的直流无刷电机的转速值与设定值比较，并在控制器内部使用 PID 调节算法来对电机进行稳速控制，从而实现对离心机运动的速度闭环控制。14 论文主要研究内容xxxxx201x 届本科毕业论文-3-本文研究了一款可对离心机的速度进行多段控制的调速系统，根据相关需求，进行设计。完成控制系统的控制部分设计和元器件选型，并且依据直流无刷电机相关参数建立控制系统数学模型。根据控制要求设计数字 PID 算法，并通过 Matlab 软件 进行仿真。设计基于 VisualTFT 的人机界面，使操作者能更方便地设置调速系统的测试参数，直接获取调试结果。15 论文结构与章节安排论文根据研究内容，作出如下章节安排： 第一章 介绍了课题研究背景，研究的意义及目的，并对离心机调速系统结构和工作过程进行了概述； 第二章 阐述了直流无刷电机的工作原理，选取了研究所用的电机型号，并计算出了相关技术参数，通过电机参数对控制系统进行了建模； 第三章 对 PID 控制技术进行综述，阐述 PID 控制原理，对 PID 控制算法进行概述，从而选取有效的算控制设计控制器； 第四章 进行离心机运动控制系统设计，并用 Simulink 进行仿真。 第五章 设计控制系统的硬软件，并利用 VisualTFT 软件设计人机交互界面，设定初始值并观测结果；2 离心机原理及模型建立离心机运动控制