0 弁言
本文所述振荡器是一种培养制备生物样品的生化仪器，是植物、生物、微生物、生物制品、遗传、病毒、医学、环保等科研、教诲和生产部门不可短缺的实验设备。振荡器内设置偏幸轮构造，采取电机输出轴与偏幸轮固联的形式，在电机的驱动下，带动托盘产生水平面圆周震撼，达到将托盘内的液态样品混匀的目的。步进电机具有精度高、惯性小、能实现高精度快速开环掌握、只有周期性的偏差而无累积偏差的特点，使得在速率、位置等掌握领域利用步进电机来掌握变得非常大略，故采取步进电机作为振荡器的驱动装置。在实际运用过程中，步进电机掌握的关键问题是：升降速时，若脉冲频率变革不合理，会产生较大的噪声，电机运行不稳定，还可能造成失落步或者过冲，系统无法做到精确定位[1]；从系统相应速率的角度，电机亦要知足升降速的运用需求，即在哀求韶光内完成加减速过程[2]；确定合理的启动速率。经由对本文选用的电机性能与运用需求综合剖析后，确定了一种适宜本系统的加减速履行方案，并通过实验验证了方案的可行性。在掌握方面，DSP较单片机集成了更为丰富的资源，是一种特殊适宜于进行数字旗子暗记处理运算的微处理器，并以其高性能及日趋低价位的特点，越来越广泛地运用于信息处理、掌握系统中[3]，本系统即采取DSP实现对步进电机的精确掌握。利用时可以根据须要设定振荡器振荡速率、韶光、方向等，同时DSP带有自检功能，在初始化时便可检测步进电机、光电传感器是否正常，为故障诊断供应了依据。
1 系统硬件设计
1.1 核心部件选型
步进电机作为系统的驱动装置是核心部件，选择步进电机时，首先要担保步进电机的输出功率大于负载所需功率，电机的矩频特性能知足电机负载并有一定的余量担保其运行可靠。在实际事情过程中，各种频率下的负载力矩必须在矩频特性曲线的范围内。此外，实际还要考虑位置掌握精度、利用速率范围、负载传动办法、噪音与振动等成分。本文所述振荡器其负载为重97 g的托盘，振荡速率范围为300 rpm～1 000 rpm，结合以上成分采取一种双输出轴的两相HB型步进电机42BYGHM47-1684B，其最大静力矩可达0.044 kg·m，转子迁徙改变惯量为6.8×10-6 kg·cm2，步距角为1.8°，能够知足振荡器的驱动哀求。
掌握电机的微处理器也是本系统设计的关键。TMS320F2812 DSP是TI公司推出的32位定点电机专用掌握芯片，供应两个事宜管理器EVA和EVB模块，可极为方便地实现电机数字化掌握，事情频率可达150 MHz[4]，其哈佛总线构造和指令流水线技能能在一个周期内并行完成取指令、读数据和写数据，担保了旗子暗记处理的快速性和实时性，因此本系统选用该型号DSP作为主控芯片。
1.2 掌握电路总体设计
系统掌握工具包括步进电机、定位光电开关和夹钳开关，系统掌握所需完成的功能是：实现对步进电机的驱动，包括升降速过程和匀速运转；采集光电开关旗子暗记，作为原点定位；掌握夹钳开关，紧固托盘，确保在高速振荡时无相对滑动；通过CAN总线实现上位机与振荡器之间的通信。实现系统功能的掌握设计如图1所示。
由于本系统可作为生物样本制备平台中的一个功能模块，故采取CAN总线通信办法，方便实现多个功能模块之间的串行通信。TMS320F2812内部集成了增强型CAN总线掌握器，兼容CAN2.0总线标准，只需增加CAN总线收发器即可实现与总线的物理连接。本方案选用了CTM1051AT隔离收发器，该芯片特殊适宜＋3.3 V系统的CAN掌握器，在以往的设计方案中须要光耦、DC-DC电源隔离、收发器等元器件才能实现带隔离的CAN收发电路，而一片CTM1051AT接口芯片就可以实现。如图1所示，为了保持与外围电路的电平同等，设计外部I/O扩展电路，采取74LVTH16244电平转换芯片进行3.3 V与5 V之间的电平转换，实现光电开关旗子暗记和电机驱动等旗子暗记于DSP I/O口的输入输出。
1.3 电机驱动设计
步进电机的驱动芯片选用TB6560HQ，该芯片是东芝公司推出的两相双极性步进电机驱动器，具有脉冲输入、方向掌握、细分掌握、使能掌握、复位等丰富的掌握功能和高达3.5 A的相电流驱动能力[5]，完备知足步进电机的驱动哀求，而且带有输出监控功能和过热保护电路。由TB6560HQ构成的步进电机驱动电路如图2所示。引脚ENABLE使能电机驱动芯片；CW/CCW掌握电机正反转；M1与M2设置电机细分数；RESET复位芯片；OUT_AP、OUT_AM、OUT_BP、OUT_BM接步进电机两相绕组的自由端直接驱动电机运转；PROTECT是过热保护输出，该旗子暗记与DSP输出的PWM旗子暗记相与后输入CLK引脚来掌握电机转速，一旦电流过大引起芯片过热，此输出引脚由高电平变为低电平便可中断电机运转。DSP的事宜管理器EVB模块设置为通用I/O口（GPIO1～GPIO7）输出以上掌握旗子暗记，EVA模块的通用定时器1比较操作输出PWM波驱动电机。
对付本系统，步进电机利用时面对的各种问题中，振动噪声是紧张办理的问题。由驱动电路引起的步进电机的振动噪声一样平常是由定子电流的高次谐波含量、相电流的不平衡或者是电源的颠簸引起的，个中高次谐波为紧张缘故原由。步进电机利用方波电流驱动，一定含有大量的高次谐波，由此产生振动和噪声。因此驱动电流最好为正弦波。靠近正弦波的驱动方法有步进电机的细分步进驱动。步进电机在1/4细分、半步、整步驱动时，其振动是依次增加的[6]。本驱动掌握设计中，通过数字输入输出端口GPIOB来传输电机驱动旗子暗记，通过设置GPIO4、GPIO5（细分驱动输出）的高低电平状态即可掌握步进电机的细分。经由比较1/4细分与1/8细分驱动电机后，决定采取1/8细分。采取高细分不仅对付减噪有效，而且在微处理器输出频率足够高的情形下，合理利用高细分，有利于电机运行平稳，能提高掌握精度。
此外，确定合理的启动频率也是步进电机驱动的一个关键。步进电机有一个技能参数——空载启动频率，即步进电机在空载情形下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于空载启动频率，电机则不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情形下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速迁徙改变，脉冲频率该当有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频，电机转速由低速升到高速。根据所用电机的矩频特性曲线及以往履历，通过反复实验探索到适宜本套系统的最佳启动速率为<250 rpm。
2 系统软件设计
2.1 步进电机升降速掌握算法
电机由启动速率加速到目标速率的过程中，若每步运行的速率差距过大，会使电机输着力矩不敷，无法正常运行；加减速过程过短，则须要更多的运行韶光来使其稳定运行。根据对系统的哀求并结合系统性能，设计出一套可行的步进电机升降速方案，一贯是电机掌握设计中的难点。
目前，步进电机的升降速曲线多采取4种，分别是阶梯加减速曲线、直线加减速曲线、指数加减速曲线和S形加减速曲线。这些加减速曲线各有优缺陷，运用处所也不尽相同。本文采取将线性加减速过程离散后，用阶梯曲线来逼近线性加减速曲线的掌握方法。线性加减速曲线如图3所示。步进电机以频率f0启动后，以加速度a加速，至t1时候后达到最高运行频率fh，然后匀速运行，至t2时候以加速度-a减速，在t3时候电机停转。个中，在加速阶段，频率与韶光的关系为：
f=f0+at（1）
个中，f是瞬时频率，f0是启动频率，a是加速度，t是加速韶光。采取离散法将加减速曲线离散化，如图4所示。得到的加速阶梯曲线速率是分挡上升的，而且每升一挡都在该挡保持一段韶光，以当前的速率运动多少个脉冲后再升一挡，这种方法战胜了步进电机转子的迁徙改变惯量所引起的速率滞后，使得局部速率偏差得到自动纠正。当最高运行频率为fh时，由式（1）可得加速韶光为：
将加速段均匀地离散为n段，可知相邻两次速率变革的韶光间隔为：
n即为阶梯加速的分挡数，每一挡的频率为：
各分挡内运行的步数为：
本方案中，采取微处理用具有的事宜管理器来输出脉冲驱动步进电机，加减速实际上是靠不断改变通用定时器的周期寄存器T1PR装载值的大小，也便是改变输出脉冲的韶光间隔来实现的。定时器1供应基定时钟，采取连续增减计数模式，其时钟源取自外部输入旗子暗记TCLKIN（30 MHz晶振），经预定标后外设时钟频率为15 MHz。电机转速打算公式为：
个中，V为电机转速（r/s），P为脉冲频率（Hz），θe为电机固有步距角（1.8°），m为细分数（8细分）。V与f之间的关系为：
f=200×V（7）
掌握电机转速的关键成分周期寄存器T1PR装载值与电机转速的关系为：
根据运用速率范围300 rpm～1 000 rpm，升降速韶光哀求为不大于2 s，若电机以200 rpm启动，由式（7）得f0为667步/s，运行至最高速率1 000 rpm，即fh为3 333步/s，由式（2）、式（3）和式（4）可得每上升一个阶梯增速Δf为27步/s，故全过程分为100挡，即每0.02 s增速一挡，再由式（8）得到每挡的周期寄存器T1PR装载值。本系统电机驱动加速过程如图5所示。减速过程方法同加速过程。
2.2 功能实现及故障诊断
本系统通过软件实现了振荡器的初始化、振荡停息与连续，以及设置振荡韶光、方向、速率等功能。程序运行流程为：在上电后首先实行初始化操作，以检测步进电机、光电开关和夹钳开关功能是否正常，之后再设定参数实行振荡操作，个中若有部件故障则通过CAN总线向上报错。
3 实验结果
经由系统联调，实现了振荡器有效地将样品混匀功能，并证明了本系统的加减速履行方案可行，图6是步进电机加速、匀速及减速过程的驱动脉冲。电机减速后制动是通过检测光电传感器电平实现的，图6中下方的波形是减速－制动阶段的放大效果，当吸收到传感器的高电平旗子暗记后电机停滞运转，以担保每次勾留在相同的位置。
4 结论
经由对系统运用哀求和受控工具的剖析，合理选用驱动部件及主掌握器，通过实验证明，基于CAN总线的系统掌握电路实现了对振荡器的多种功能掌握；步进电机驱动细分的设计有效掌握了噪声，并实现了电机平稳运行，担保了托盘内的液体样品充分混匀；此外，电机加减速驱动掌握采取将线性加减速过程离散的掌握方案，实际操作验证了此方案的可行性，电机能够在系统哀求韶光内平稳地完成加减速过程。
参考文献
[1] 邵现京，董金才，赵龙章，等.基于新型加减速曲线的多步进电机掌握的研究[J].自动化与仪表，2013（4）：53-56.
[2] 胡家文，马文礼，黄金龙.步进电机高速起停掌握的DSP实现[J].电机与掌握运用，2012，39（3）：22-24.
[3] 田红芳，李颖宏，王欢.基于DSP实现的步进电机掌握器的设计[J].微打算机信息，2007，23（1-2）：223-224.
[4] 苏奎峰，吕强，常天庆，等.TMS320X281x DSP事理及C程序开拓[M].北京：北京航空航天算夜学出版社，2008.
[5] 王党利，宁生科，马宝吉.基于TB6560的步进电机驱动电路设计[J].单片机与嵌入式系统运用，2010（1）：41-43.
[6] 坂本正文.步进电机运用技能[M].王自强，译.北京：科学出版社，2010.
