生物样品分选仪中步进电机的细分驱动装置设计

　　步进电机是一种将电脉冲信号转换为角位移或直线运动的执行机构，与功率驱动装置构成的运动系统具有快速启动、反转和制动等良好的动态特性，所以广泛应用于自动控制系统中。本文设计的步进电机细分驱动装置是应用于计算机控制的生物样品分选仪器的运动控制系统中。

　　1生物样品分选仪中运动控制系统的功能要求

　　生物样品分选仪是应用于实验室或医疗机构的一种智能型分选工具，用来对含有多种物质的细胞液进行血液、DNA、细胞等物质的分选和纯化。本分选仪采用免疫磁珠(IMB)技术进行细胞分选，其分离原理是通过磁珠表面包被的细胞特异性抗体与细胞表面标记分子间特异结合，使抗原阳性细胞与抗原阴性细胞相分离。

　　分选仪的操作规程是由外接计算机在专用软件中进行创建、修改或删除，通过 RS-232 的串行通信模块将规程数据下载至分选仪的运动控制系统中。同时，计算机亦可通过串口通信模块将分选仪中的规程读出或删除。运动控制系统通过控制 3 台两相混合式步进电机来实现对分选工具的操作，为解决电机失步、低频振荡等现象，需要对步进电机进行细分驱动控制。分选工具用来进行磁珠的吸附、释放、搅拌以及样品的分离、转移等，主要有磁棒和磁套。分选仪的工作平台包括试管槽、试管和各种纯化试剂耗材，利用不同的试剂耗材，可以提纯不同的生物物质，如DNA、RNA 和蛋白质。整个运动控制系统的功能结构如图 1 所示，其中基于 FPGA 的电机细分驱动模块的设计就是本文介绍的重点—步进电机细分驱动装置的设计。

　　2步进电机细分驱动装置的结构设计

　　步进电机是受脉冲信号的控制，依据电子开关器件——环形分配器，通过功率放大后使励磁绕阻按规定顺序轮流接通直流电源的。本设计中的步进电机细分驱动装置主要由利用FPGA实现的细分环形分配器、D/A 转换电路和恒流斩波驱动电路组成。其总体结构如图 2 所示。

　　FPGA(Field Programmable Gate Array)即现场可编程逻辑门阵列，是在 PAL、GAL、EPLD 等可编程器件的基础上进一步发展的产物，是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。采用 FPGA 芯片来实现细分环形分配器的功能，不仅简化了系统的结构，缩短了设计周期，降低了开发成本，而且编程灵活方便，提高了系统的可靠性和保密性，使系统具有更强的适应性。

　　同时，由于脉冲控制信号的驱动能力一般都很弱，且输出为数字信号，因此必须有 D/A 转换电路和功率放大驱动电路。为了提高步进电机的性能指标和系统的效率，设计功率放大驱动电路时应考虑：要求驱动电路效率高、功耗小;要求驱动电路运行可靠、稳定、便于维修;要求电机减小步距、降低振动和噪声。综合以上要素，笔者设计了一种恒流斩波驱动电路作为系统的功放电路。