ARM处理器的蠕动泵步进电机细分驱动系统_计算机软件及应用_IT/计算机_专业资料。ARM 处理器的蠕动泵步进电机细分驱动系 许金，郭庆，徐翠锋 【摘 要】摘要：针对海洋水质监测仪中流路进样系统对蠕动泵控制的具体 需求，设计了以 ARM 处理器为核心的单芯片步进电机细分驱动器。分

　　ARM 处理器的蠕动泵步进电机细分驱动系 许金，郭庆，徐翠锋 【摘 要】摘要：针对海洋水质监测仪中流路进样系统对蠕动泵控制的具体 需求，设计了以 ARM 处理器为核心的单芯片步进电机细分驱动器。分析了步 进电机细分驱动原理，重点研究了微处理器内部集成资源在细分系统各个环节 的实现，设计了细分驱动和功率驱动的硬件电路，介绍了多路极性脉冲和细分 数据同步输出的方法。后对细分控制系统进行了测试，并给出了对应的步进 电机细分电流波形图，实验结果验证了该方案的可行性。 【期刊名称】单片机与嵌入式系统应用 【年(卷),期】2015(015)009 【总页数】4 【关键词】蠕动泵；步进电机；ARM；细分驱动 Stepper Motor Subdivision Drive System of Peristaltic Pump Based on ARM※ 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小分辨率及取样度。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控制。 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 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 74HC08，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。 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
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