一种用于全自动核酸提取的步进电机驱动系统
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摘要：本文提出了一种用于全自动核酸提取的步进电机驱动系统。不同于一般的步进电机驱动系统，本步进电机驱动系统在硬件方面通过步进电机控制模块控制步进电机带动移液泵上下移动，通过移液泵控制阀开关模块控制阀门的开关并通过压力检测模块监测移液泵里面液体的压力;在软件方面，以位置要求为导向的步进电机增量式PID控制算法优化了步进电机带动移液泵上下移动的位置精度，并且该算法控制精度高，超调小，调节时间短。步进电机的加减速过程采用逼近于s形运动曲线的梯形运动曲线作为加减速运动曲线。通过软硬件设计，步进电机带动移液泵上下精确地移动，移液泵控制阀得到了比较好的开关，移液泵里面液体的压力得到了良好的监测。
关键词：步进电机驱动系统;增量式PID;移液泵
0 引言
全自动核酸提取工作站可完全替代手工操作，随着生命科学领域的发展，有极大市场前景。全自动核酸提取工作站当前主要被国外厂商垄断，诸如美国、瑞士、德国等国家在当前领域发展迅速，并在检测自动化流水线方面有大的发展。反观国内在这一领域发展迟缓，整体自动化程度偏低，装备的落后，严重制约了国内生命科学领域的发展。国内核酸检测相关仪器设备，基本只能完成核酸提取、扩增到检测的部分过程，实现全自动的核酸检测难度在于技术积累少。因此，全自动核酸提取工作站的开发具有必要性、迫切性。
全自动核酸提取工作站中的移液管需要进行往复运动。步进电机是用于全自动核酸提取移液管移动执行机构的重要驱动元件，通过预设步进电机的步长和步数来控制步进电机，使得移液管移动执行机构被步进电机驱动到达预设位置，但由于移液管移动执行机构和步进电机在长时间使用后，会出现一定的机械移位或形变，因此现有的核酸提取工作站存在高频率使用后，步进电机无法准确驱动移液管移动执行机构到达预设位置。针对现有核酸提取工作站存在的不足，本文设计了一种用于全自动核酸提取的步进电机驱动系统。
1 总体设计
本系统不同于一般的步进电机驱动系统。集原创硬件设计与软件设计于一身，结合全自动核酸提取实际应用需求并且采用了以位置要求为导向的增量式PID控制算法，优化控制步进电机的转动。系统总体框图如图1所示。由STM32、光电耦合器、THB6128、步进电机、位置检测光耦、电源、移液泵控制阀、液体压力检测模块等部分组成。STM32通过输出PWM波脉冲信号，控制步进电机驱动芯片THB6128驱动步进电机。并由位置检测光耦反馈控制步进电机的位置：STM32通过控制MOS管的开关，进而控制移液泵控制阀的开关，液体压力检测模块通过传感器检测液体压力，进而由ADC芯片转换为电压值。
2 硬件设计
步进电机驱动系统硬件电路包括STM32控制模块、电源电路模块、步进电机控制模块、移液泵控制阀开关模块、液体压力检测模块。
2.1 STM32控制模块
步进电机驱动系统采用STM32作为下位机的微控制器，STM32的型号选用STM32F103C8T6.通过STM32控制模块控制电源电路模块、步进电机控制、移液泵控制阀开关、液体压力检测模块。
2.2 电源电路模块
步进电机驱动系统电源电路模块采用TPS54331芯片，用于电源管理/DC-DC转换电路：同时采用了SPX1117芯片，它是一个低功耗正向电压调节器。电源电路接人24V直流电源，最后输出3.3V的直流电压。
2.3 步进电机控制模块
微控制器输出PWM波脉冲信号，经过光耦离合器PC817、TLP2631直接控制步进电机驱动芯片THB6128，进而驱动步进电机。2路电机极限位置检测接口，分别与步进电机两个转动极限位置各对应的移液泵移动执行机构的上移极限位置（圆点）检测光耦1、下移极限位置检测光耦2连接。光耦离合器PC817分别用于细分驱动设置的光耦离合器电路如图2所示：光耦离合器TLP2631所在电路用于步进电机脉冲信号的控制，如图3所示;步进电机驱动芯片电路原理图为图4所示。
2.4 移液泵控制阀开关模块
当位置检测光耦检测到步进电机带动移液泵向下移动到极限位置时。通过MOS管控制电路和软件程序来控制移液泵控制阀的开关。移液泵控制阀开关电路原理图如图5所示。
2.5 液体压力检测模块
液体压力检测模块利用液体压力传感器，检测移液泵里液体的压力并通过ADC芯片ADS8328IBPWR转换为电压值。液体压力检测电路如图6所示。ADC芯片所在电路原理图如图7所示。
3 软件设计
3.1 步进电机控制算法設计
步进电机驱动系统软件设计。采用了以位置要求为导向的增量式PID控制算法，即：△u（k）=Kp（E（k）-E（k-1））+KIE（k）+KD（E（k）-2E（k-1）+E（k-2））。其中KP为比例系数，KI为积分系数，KD为微分系数，E（k）为第k次采样时刻输入的偏差值，E（k-1）为第（k-1）次采样时刻输入的偏差值，E（k-2）为第（k-2）次采样时刻输入的偏差值。增量式PID的计算量相对绝对式PID的较小，因为计算的是增量，所以对执行部件的扰动较小，一般采用带死区的控制。步进电机的控制需求是以位置要求为导向的。相应增量式PID控制算法流程图如图8所示。
3.2 步进电机转速控制程序设计
控制步进电机转速源程序的设计：首先定义步进电机参数结构体srd，然后编写步进电机参数设置的函数，分别设置步进电机的步数、加速阶段的加速度、减速阶段的加速度、转速，定义了达到最大速度时的步数和如果加速没有达到最大速度但是必须要开始减速的步数。通过对步进电机的步数进行讨论来确定步进电机的转速及加减速相关情况，步进电机的极限步数是5000.步进电机的加减速过程采用梯形曲线作为加减速运动曲线，所采用的梯形加减速运动曲线逼近于S形加减速运动曲线，实现这一加减速运动过程的主要程序如下：
4 系统安装调试及分析
完成系统软硬件之后，开始将步进电机驱动板、步进电机、移液泵、液体压力检测传感器、位置检测光耦、电源、通信总线等部分连接起来。然后调试软件程序，下载软件程序到硬件电路。
经过上述操作后。硬件电路可以实现调试的功能。软件程序通过以位置要求为导向的步进电机增量式PID控制算法，控制了步进电机的转动从而带动移液泵上下移动，位移曲线的仿真结果如图9所示。
电机刚开始做加速运动。然后进行一段时间匀速运动，最后做减速运动，转速平稳，仿真结果表明所采用的步进电机控制算法符合设计要求。对步进电机采用的梯形加减速曲线进行仿真，结果如图10所示。仿真结果曲线近似于梯形加减速曲线，符合要求。在步进电机带动移液泵向下移动到极限位置时，通过MOS管控制电路和软件程序，使移液泵控制阀得到了较好的开关。液体压力检测模块通过液体压力检测传感器检测了移液泵里液体的压力，并由ADC芯片转换为电压值，最后换算为压力值，通过监测这个电压值后发现移液泵里液体的压力值没有超限。
5 结束语
本文提出的一种用于全自动核酸提取的步进电机驱动系统不同于一般的步进电机驱动系统，设计的步进电机驱动系统结合了全自动核酸提取实际应用需求，在硬件上设计有移液泵控制阀开关模块、液体压力检测模块，在软件上设计了以位置要求为导向的步进电机增量式PID控制算法，优化了步进电机的转动以带动移液泵上下移动。步进电机的加减速过程采用梯形曲线作为加减速运动曲线，转速调节平稳。移液泵控制阀得到了较好的开关，移液泵里面液体的压力得到了良好的监测。本系统步进电机的位置控制精度还有改善的空间，后期准备进行几组不同PID算法系数的实验。
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