步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)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(yī)院臨床檢驗廣泛應用的儀器之一,，目前大多數(shù)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(zhí)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(fā)熱量大,，電機堵轉等故障極易造成系統(tǒng)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(shù)低，導致電機定位,、定量精度低[3-4],。
    本文介紹了一種開環(huán)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(yōu)點,，結合流行的FPGA和自動控制技術,，不但實現(xiàn)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(xiāng)鎮(zhèn),、社區(qū)基層醫(yī)院的整體醫(yī)療診斷水平具有重要的現(xiàn)實意義。
1 步進電機驅動控制系統(tǒng)的工作原理
    本文設計的步進電機驅動控制系統(tǒng)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,，F(xiàn)PGA發(fā)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,，F(xiàn)PGA控制電機停止運行并提示報警,。

2 步進電機驅動控制系統(tǒng)組成
2.1 FPGA
    FPGA器件具有高密度、低功耗等優(yōu)點,，在航空航天,、通信、工業(yè)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(xiàn)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(shù)
    鑒于步進電機傳統(tǒng)的細分驅動控制系統(tǒng)存在電子電路設計復雜,、細分數(shù)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(xiàn)電機微步距控制,，具有設計簡單、細分數(shù)自由編程等特點,。同時,，軟件設計分頻模塊，發(fā)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(tǒng)核心部件損壞,，本系統(tǒng)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(fā)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,，F(xiàn)PGA通過SPI接口實時讀取電機狀態(tài)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(tǒng)電子線路設計后,，加載運行FPGA固化程序系統(tǒng),，初始化TMC260，其中SMARTEN寄存器配置0XA0004數(shù)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(shù)據SDI和選通信號CSN。

6 實驗運行效果及分析
    在系統(tǒng)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(tǒng)創(chuàng)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(xiàn)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(yè)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(tǒng)[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(tǒng)[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(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[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(shù)字系統(tǒng)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.基于CPLD/FPGA的多功能分頻器的設計與實現(xiàn)[J].世界電子元器件，2007,，3：42-44.