体外诊断原理与设计-第6讲-步进电机控制

体外诊断仪器原理与设计PrincipleandDesignofInVitroDiagnosticInstrument第6讲步进电机控制

1“6.12

在体外诊断仪器中，样品和试剂的精确移动和定量加样是两个关键的环节，这两个运动不仅需要在紧凑的仪器内部完成，而且还有很高的定位要求，尤其是试剂加样，加样精度甚至会直接影响诊断的结果。而步进电机具有精度高，推力大，所需空间小等特点，非常符合这类医疗仪器的设计要求，因此被广泛应用于医疗诊断和实验室分析检验等自动化行业中。理论基础TheoreticalBasis步进电机简介3

步进电机也叫步进器，它利用电磁学原理，将电能转换为机械能，是由缠绕在电机定子齿槽上的线圈驱动的。项目参数额定工作状态连续额定电压3.7V额定电流1.2A/相步距角1.8°全步相数二相保持力矩0.275N•m(0.275kgf•cm)以上制动力矩9.8mN•m(100gf•cm)中心值步进电机的工作原理4

励磁方式：一相励磁（全步）二相励磁（全步）一二相励磁（半步）一相励磁5

在每一瞬间，步进电机只有一个线圈通电。每发送一个励磁信号，转子转动一个步距角，是三种励磁方式中最简单的一种，其特点是，精确度高、消耗小，但同时输出转矩小，振动较大。一相励磁6步距角（每一次脉冲角度）：15°齿距角（转子转过一个齿）：60°二相励磁7

在每一瞬间，步进电机有两个线圈同时导通。每发送一个励磁信号，转子转动一个步距角，其特点是输出转矩大，振动小，是目前使用最多的励磁方式。二相励磁8步距角：15°齿距角：60°一二相励磁9

一相励磁和二相励磁交替导通的一种励磁方式，每发送一个励磁信号，转子转动半个步距角。它的特点是分辨率高，运转平滑，应用较为广泛。一二相励磁10半步：7.5°齿距角：60°励磁方式11从三种励磁方式下的工作过程可以看出，步进电机的位置和速度分别与通电次数（脉冲数）和频率有着密切关系，方向则由通电顺序决定。因此，只要控制好A+、B+、A-、B-的时序，便可以实现步进电机的精确控制。此外，需要注意的是，本小节在介绍步进电机的工作过程时，为方便理解所以使用了结构简化版的步进电机，而实际上的二相四线步进电机的内部结构是很复杂的，转子上的齿轮数目更是多达50个，因此也具有更小的齿距角（7.2°）和更小的步距角（1.8°），也就能达到更高的控制精度。步进电机的细分控制12从本质上讲细分控制是通过对步进电机的励磁线圈中的电流控制，使步进电动机内部的合成磁场为均匀的圆形旋转磁场，从而实现步进电动机步矩角的细分。理想的步进电机电流曲线是相位相差90度的正弦曲线，如图所示，其中黑线为A相电流，灰线为B相电流。步进电机的细分数13在实际应用中，一般都是通过电机驱动芯片或驱动器来实现的，不同驱动芯片的细分数也各不相同，常规的有三种细分方法，分别是2的N次方，如2、4、8、16、32、64、128、256细分；5的整数倍，如5、10、20、25、50、100、200细分；以及3的整数倍，如3、6、9、12、24、48细分。所谓细分数就是电机运行时的真正步距角是固有步距角的几分之一，几细分就相当于控制精度增加了几倍，每步所使电机转动的角度变小了，执行过程中丢几个步所产生的误差也就小了，而要想保持速度不变，控制频率则要增大相应的倍数。例如，在没有细分的情况下，二相步进电机一步转动1.8°，旋转一圈需要200步，如果使用4细分控制，那么每步只转动0.45°，旋转一圈则需要800步。步进电机驱动电路14STM32控制电机的时序15MOTOR_STEP1每输出一个脉冲，TMC2130便驱动步进电机顺时针转动一个微步步距角，当输出16个脉冲后，电机累计正转一整步，即1.8°。步进电机的加减速控制16

在开环控制下，步进电机在启动或停止时如果步进脉冲变化太快，转子由于惯性而跟随不上电信号的变化，就容易出现失步和过冲现象，因此需要有一个启动过程，即从一个低的转速逐渐升速到运行转速。同样，停止时运行频率也不能立即降为零，而要有一个高速逐渐降速到零的过程，这里使用的速度控制方式是正余弦曲线模型。液面检测与移液实验平台17StepMotor模块函数18

内部函数：ConfigMotorGPIO：配置电机DIR和HOLD的GPIOSetMotorDir：设置电机方向EnableStepMotor：使能步进电机DisableStepMotor：关闭步进电机PWMCallBack：PWM回调函数，用于步进电机计数API函数：InitStepMotor：初始化步进电机驱动GetMotor：通过电机编号返回正确的电机结构体指针EnableMotor：使能步进电机DisableMotor：关闭步进电机DbgMotorStep：电机步进调试设计思路DesignIdeas“6.219工程结构20

步进电机实验在F103基准工程搭建的框架上添加了StepMotor模块，这个模块主要实现了步进电机的驱动，包括步进电机GPIO的配置、初始化、启动和关闭步进电机等。步进电机控制流程21设计流程DesignProcess“这次实验分为6个步骤，通过学习步进电机原理、控制方式及步进电机的驱动电路，设计步进电机驱动程序，利用DbgIVD串口调试组件控制步进电机驱动液面检测与移液实验平台（IVD1）的取样臂左右旋转。6.322设计流程23步骤1：复制并编译原始工程步骤2：添加StepMotor文件对步骤3：完善StepMotor.h文件步骤4：完善StepMotor.c文件步骤5：步进电机驱动应用层实现步骤6：编译及下载验证设计流程-下载验证DbgMotorStep(u8motor,u16step,u16speed,u8dir,u8needSpeed)：1:3,500,200,1,1——水平电机逆时针旋转（从上往下看）1:3,500,200,0,1——水平电机顺时针旋转（从上往下看）1:2,500,200,1,1——竖直电机向上移动1:2,500,200,0,1——竖直电机向下移动24拓展设计ExtendedDesign“6.425拓展设计26表中给出了液面检测与移液实验平台1号试管与其他试管之间的大致距离（步数），利用DbgIVD调试组件的DbgMotorStep调试函数，测量出1号试管与其他试管之间的精确步数并填入下表，然后设计一个调试函数，实现取样针在各试管上方的水平移动，输入参数包括但不限于当前所在位置下方的试管编号，需要前往位置下方的试管编号。注意，调试前需要保证取样臂位于竖直最上方以免损坏取样针。试管编号234567步数5008001000130016002000精确步数思考题Questions“6.527思考题281. 液面检测与移液实验平台在使用过程中有哪些注意事项？2. 步进电机与普通的直流电机有什么不同？3. 简述一相励磁、二相励磁和一二相励磁的特点，为何一二相励磁可以转动半步？4. 步进电机为什么要用细分控制？细分控制的作用是什么？5. 步