一種用于全自動核酸提取的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)

李俊林 秦襄培 王洪嬌 陳林 袁小龍

摘要：本文提出了一種用于全自動核酸提取的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)。不同于一般的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，本步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)在硬件方面通過步進(jìn)電機(jī)控制模塊控制步進(jìn)電機(jī)帶動移液泵上下移動，通過移液泵控制閥開關(guān)模塊控制閥門的開關(guān)并通過壓力檢測模塊監(jiān)測移液泵里面液體的壓力;在軟件方面，以位置要求為導(dǎo)向的步進(jìn)電機(jī)增量式PID控制算法優(yōu)化了步進(jìn)電機(jī)帶動移液泵上下移動的位置精度，并且該算法控制精度高，超調(diào)小，調(diào)節(jié)時間短。步進(jìn)電機(jī)的加減速過程采用逼近于s形運(yùn)動曲線的梯形運(yùn)動曲線作為加減速運(yùn)動曲線。通過軟硬件設(shè)計，步進(jìn)電機(jī)帶動移液泵上下精確地移動，移液泵控制閥得到了比較好的開關(guān)，移液泵里面液體的壓力得到了良好的監(jiān)測。

關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng);增量式PID;移液泵

0 引言

全自動核酸提取工作站可完全替代手工操作，隨著生命科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展，有極大市場前景。全自動核酸提取工作站當(dāng)前主要被國外廠商壟斷，諸如美國、瑞士、德國等國家在當(dāng)前領(lǐng)域發(fā)展迅速，并在檢測自動化流水線方面有大的發(fā)展。反觀國內(nèi)在這一領(lǐng)域發(fā)展遲緩，整體自動化程度偏低，裝備的落后，嚴(yán)重制約了國內(nèi)生命科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。國內(nèi)核酸檢測相關(guān)儀器設(shè)備，基本只能完成核酸提取、擴(kuò)增到檢測的部分過程，實(shí)現(xiàn)全自動的核酸檢測難度在于技術(shù)積累少。因此，全自動核酸提取工作站的開發(fā)具有必要性、迫切性。

全自動核酸提取工作站中的移液管需要進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動。步進(jìn)電機(jī)是用于全自動核酸提取移液管移動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的重要驅(qū)動元件，通過預(yù)設(shè)步進(jìn)電機(jī)的步長和步數(shù)來控制步進(jìn)電機(jī)，使得移液管移動執(zhí)行機(jī)構(gòu)被步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動到達(dá)預(yù)設(shè)位置，但由于移液管移動執(zhí)行機(jī)構(gòu)和步進(jìn)電機(jī)在長時間使用后，會出現(xiàn)一定的機(jī)械移位或形變，因此現(xiàn)有的核酸提取工作站存在高頻率使用后，步進(jìn)電機(jī)無法準(zhǔn)確驅(qū)動移液管移動執(zhí)行機(jī)構(gòu)到達(dá)預(yù)設(shè)位置。針對現(xiàn)有核酸提取工作站存在的不足，本文設(shè)計了一種用于全自動核酸提取的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)。

1 總體設(shè)計

本系統(tǒng)不同于一般的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)。集原創(chuàng)硬件設(shè)計與軟件設(shè)計于一身，結(jié)合全自動核酸提取實(shí)際應(yīng)用需求并且采用了以位置要求為導(dǎo)向的增量式PID控制算法，優(yōu)化控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。由STM32、光電耦合器、THB6128、步進(jìn)電機(jī)、位置檢測光耦、電源、移液泵控制閥、液體壓力檢測模塊等部分組成。STM32通過輸出PWM波脈沖信號，控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片THB6128驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)。并由位置檢測光耦反饋控制步進(jìn)電機(jī)的位置：STM32通過控制MOS管的開關(guān)，進(jìn)而控制移液泵控制閥的開關(guān)，液體壓力檢測模塊通過傳感器檢測液體壓力，進(jìn)而由ADC芯片轉(zhuǎn)換為電壓值。

2 硬件設(shè)計

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)硬件電路包括STM32控制模塊、電源電路模塊、步進(jìn)電機(jī)控制模塊、移液泵控制閥開關(guān)模塊、液體壓力檢測模塊。

2.1 STM32控制模塊

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)采用STM32作為下位機(jī)的微控制器，STM32的型號選用STM32F103C8T6.通過STM32控制模塊控制電源電路模塊、步進(jìn)電機(jī)控制、移液泵控制閥開關(guān)、液體壓力檢測模塊。

2.2 電源電路模塊

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)電源電路模塊采用TPS54331芯片，用于電源管理/DC-DC轉(zhuǎn)換電路：同時采用了SPX1117芯片，它是一個低功耗正向電壓調(diào)節(jié)器。電源電路接人24V直流電源，最后輸出3.3V的直流電壓。

2.3 步進(jìn)電機(jī)控制模塊

微控制器輸出PWM波脈沖信號，經(jīng)過光耦離合器PC817、TLP2631直接控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片THB6128，進(jìn)而驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)。2路電機(jī)極限位置檢測接口，分別與步進(jìn)電機(jī)兩個轉(zhuǎn)動極限位置各對應(yīng)的移液泵移動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的上移極限位置（圓點(diǎn)）檢測光耦1、下移極限位置檢測光耦2連接。光耦離合器PC817分別用于細(xì)分驅(qū)動設(shè)置的光耦離合器電路如圖2所示：光耦離合器TLP2631所在電路用于步進(jìn)電機(jī)脈沖信號的控制，如圖3所示;步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片電路原理圖為圖4所示。

2.4 移液泵控制閥開關(guān)模塊

當(dāng)位置檢測光耦檢測到步進(jìn)電機(jī)帶動移液泵向下移動到極限位置時。通過MOS管控制電路和軟件程序來控制移液泵控制閥的開關(guān)。移液泵控制閥開關(guān)電路原理圖如圖5所示。

2.5 液體壓力檢測模塊

液體壓力檢測模塊利用液體壓力傳感器，檢測移液泵里液體的壓力并通過ADC芯片ADS8328IBPWR轉(zhuǎn)換為電壓值。液體壓力檢測電路如圖6所示。ADC芯片所在電路原理圖如圖7所示。

3 軟件設(shè)計

3.1 步進(jìn)電機(jī)控制算法設(shè)計

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)軟件設(shè)計。采用了以位置要求為導(dǎo)向的增量式PID控制算法，即：△u（k）=K_p（E（k）-E（k-1））+K_IE（k）+K_D（E（k）-2E（k-1）+E（k-2））。其中K_P為比例系數(shù)，K_I為積分系數(shù)，K_D為微分系數(shù)，E（k）為第k次采樣時刻輸入的偏差值，E（k-1）為第（k-1）次采樣時刻輸入的偏差值，E（k-2）為第（k-2）次采樣時刻輸入的偏差值。增量式PID的計算量相對絕對式PID的較小，因為計算的是增量，所以對執(zhí)行部件的擾動較小，一般采用帶死區(qū)的控制。步進(jìn)電機(jī)的控制需求是以位置要求為導(dǎo)向的。相應(yīng)增量式PID控制算法流程圖如圖8所示。

3.2 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制程序設(shè)計

控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速源程序的設(shè)計：首先定義步進(jìn)電機(jī)參數(shù)結(jié)構(gòu)體srd，然后編寫步進(jìn)電機(jī)參數(shù)設(shè)置的函數(shù)，分別設(shè)置步進(jìn)電機(jī)的步數(shù)、加速階段的加速度、減速階段的加速度、轉(zhuǎn)速，定義了達(dá)到最大速度時的步數(shù)和如果加速沒有達(dá)到最大速度但是必須要開始減速的步數(shù)。通過對步進(jìn)電機(jī)的步數(shù)進(jìn)行討論來確定步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速及加減速相關(guān)情況，步進(jìn)電機(jī)的極限步數(shù)是5000.步進(jìn)電機(jī)的加減速過程采用梯形曲線作為加減速運(yùn)動曲線，所采用的梯形加減速運(yùn)動曲線逼近于S形加減速運(yùn)動曲線，實(shí)現(xiàn)這一加減速運(yùn)動過程的主要程序如下：

4 系統(tǒng)安裝調(diào)試及分析

完成系統(tǒng)軟硬件之后，開始將步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動板、步進(jìn)電機(jī)、移液泵、液體壓力檢測傳感器、位置檢測光耦、電源、通信總線等部分連接起來。然后調(diào)試軟件程序，下載軟件程序到硬件電路。

經(jīng)過上述操作后。硬件電路可以實(shí)現(xiàn)調(diào)試的功能。軟件程序通過以位置要求為導(dǎo)向的步進(jìn)電機(jī)增量式PID控制算法，控制了步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動從而帶動移液泵上下移動，位移曲線的仿真結(jié)果如圖9所示。

電機(jī)剛開始做加速運(yùn)動。然后進(jìn)行一段時間勻速運(yùn)動，最后做減速運(yùn)動，轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，仿真結(jié)果表明所采用的步進(jìn)電機(jī)控制算法符合設(shè)計要求。對步進(jìn)電機(jī)采用的梯形加減速曲線進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖10所示。仿真結(jié)果曲線近似于梯形加減速曲線，符合要求。在步進(jìn)電機(jī)帶動移液泵向下移動到極限位置時，通過MOS管控制電路和軟件程序，使移液泵控制閥得到了較好的開關(guān)。液體壓力檢測模塊通過液體壓力檢測傳感器檢測了移液泵里液體的壓力，并由ADC芯片轉(zhuǎn)換為電壓值，最后換算為壓力值，通過監(jiān)測這個電壓值后發(fā)現(xiàn)移液泵里液體的壓力值沒有超限。

5 結(jié)束語

本文提出的一種用于全自動核酸提取的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)不同于一般的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，設(shè)計的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)合了全自動核酸提取實(shí)際應(yīng)用需求，在硬件上設(shè)計有移液泵控制閥開關(guān)模塊、液體壓力檢測模塊，在軟件上設(shè)計了以位置要求為導(dǎo)向的步進(jìn)電機(jī)增量式PID控制算法，優(yōu)化了步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動以帶動移液泵上下移動。步進(jìn)電機(jī)的加減速過程采用梯形曲線作為加減速運(yùn)動曲線，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)平穩(wěn)。移液泵控制閥得到了較好的開關(guān)，移液泵里面液體的壓力得到了良好的監(jiān)測。本系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的位置控制精度還有改善的空間，后期準(zhǔn)備進(jìn)行幾組不同PID算法系數(shù)的實(shí)驗。