步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)微型輸注儀器的一種新方式

1、引言

      步進(jìn)電機(jī)是一種將數(shù)字信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的控制驅(qū)動(dòng)元件，具有快速起動(dòng)和停止的特點(diǎn)。其機(jī)械位移和轉(zhuǎn)速分別與輸入脈沖的數(shù)量和脈沖頻率成正比。步進(jìn)電機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)及人們生活的方方面面的應(yīng)用十分廣泛，而單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)具有功能靈活多樣，脈沖輸出準(zhǔn)確，實(shí)時(shí)性強(qiáng)的特點(diǎn)，且系統(tǒng)成本較低。

      現(xiàn)有的小型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，基本采用OC門驅(qū)動(dòng)和三極管推拉式驅(qū)動(dòng)。OC門電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)的缺點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電流不夠，響應(yīng)速度慢，而且OC門最好工作在+5V電壓環(huán)境下，在低電壓環(huán)境下，工作不穩(wěn)定。三極管推拉式驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的缺點(diǎn)是NPN和PNP三極管的選擇上。兩個(gè)三極管的PN結(jié)開關(guān)點(diǎn)要盡量相同，否則三極管會(huì)被擊穿，產(chǎn)生不安全隱患。

      本文針對(duì)傳統(tǒng)小型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)存在的這些問題，并結(jié)合一種微型輸注儀器的電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)，提出一種新型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案。本方案采用MSP430單片機(jī)，通過其上運(yùn)行的軟件控制MAX4685高速模擬開關(guān)的輸出，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。

       這種低成本，高穩(wěn)定，高性能的驅(qū)動(dòng)方式，適合低電壓，大電流，響應(yīng)頻率比較高的場合。

2、微型輸注儀器的電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案

      本文研制的微型輸注儀器由三個(gè)部件組成：輸注液容器、一個(gè)小型電池驅(qū)動(dòng)的泵、用于準(zhǔn)確控制泵輸注劑量的計(jì)算機(jī)芯片。以上部件封裝后，形成一個(gè)大小如同尋呼機(jī)的輸注儀器，泵容器通過輸入指令的控制由細(xì)塑料管輸注液體。

      該儀器的電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，包括指令輸入面板、驅(qū)動(dòng)電路控制板、步進(jìn)電機(jī)。驅(qū)動(dòng)電路控制板采用集成電路MAX4685；其驅(qū)動(dòng)電路控制板的輸出端連接小型步進(jìn)電機(jī)的輸入端。該微型輸注儀器的電機(jī)驅(qū)動(dòng)框圖如圖1所示。

                              
                                        圖1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)框圖
 
      輸入面板是通過按鍵設(shè)置參數(shù)，通過在單片機(jī)運(yùn)行的智能軟件控制單片機(jī)的IO端口輸出。單片機(jī)的IO端口連接集成電路MAX4685的輸入端。集成電路MAX4685為高速模擬開關(guān)，輸入為脈沖方波，控制MAX4685模擬開關(guān)的動(dòng)作，使MAX4685的輸出為脈沖方波。這樣MAX4685可提供500mA的脈沖電流。MAX4685芯片為雙路模擬開關(guān)，開關(guān)閉合時(shí)具有0.8Ω的電阻(2.7V工作)，1.8V到5.5V電壓工作范圍。響應(yīng)速度最高可達(dá)1MHz，驅(qū)動(dòng)電流最大可達(dá)500mA。
 
　　MAX4685具體的參數(shù)如下：

　　NC端閉合電阻最大為0.8Ω(工作電壓為2.7V)；
　　NO端的閉合電阻最大為0.8Ω(工作電壓為2.7V)；
　　兩個(gè)通道的匹配電阻最大為0.06Ω；
　　工作的電壓范圍1.8V-5.5V；
　　檻位電壓為1.8V，最高輸入信號(hào)電壓為5.5V。

      本實(shí)例是驅(qū)動(dòng)兩相直流步進(jìn)電機(jī)。采用的單片機(jī)型號(hào)為MSP430F149。該型號(hào)的單片機(jī)是具有FLASH功能的超低功耗的16位單片機(jī)，工作電壓為1.8V-3.6V。用按鍵選擇菜單功能，設(shè)置參數(shù)。通過智能軟件控制單片機(jī)的P50、P51、P52、P55 等4個(gè)IO端口輸出驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)所用的脈沖波形，控制MAX4685的開關(guān)。用MAX4685的輸出提供驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)所需的電流。電機(jī)的轉(zhuǎn)速靠輸出脈沖波形的頻率來控制。電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)推動(dòng)注射器輸液。

      具體的連接如圖2所示。

                            
                       圖2 單片機(jī)、MAX4685、步進(jìn)電機(jī)的連接關(guān)系圖

      本設(shè)計(jì)用單片機(jī)控制MAX4685的開關(guān)，用MAX4685的輸出提供步進(jìn)電機(jī)的脈沖波形，可確保輸出電壓波形穩(wěn)定，驅(qū)動(dòng)電流大，干擾小。達(dá)到低成本、高穩(wěn)定性、響應(yīng)速度快的低電壓微型電機(jī)的要求。OC門和三極管推拉式驅(qū)動(dòng)不易集成化。

3、電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序的具體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

       合實(shí)例的電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分的連接關(guān)系，MAX4685的輸入狀態(tài)如表1。

                            表1 MAX4685的輸入狀態(tài)表

                         
      本文用MSP430F149單片機(jī)控制MAX4685模擬開關(guān)的動(dòng)作,來實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。MSP430F149單片機(jī)的P50、P51 IO端口經(jīng)MAX4685驅(qū)動(dòng)后，連接到步進(jìn)電機(jī)的相A上；P52、P55 IO端口經(jīng)驅(qū)動(dòng)后，連接到步進(jìn)電機(jī)的相B上。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)模式為全步模式，選用的是兩相，每圈20步的步進(jìn)電機(jī)。每步的轉(zhuǎn)角為18度。每圈的轉(zhuǎn)動(dòng)精度為±10度。

      步進(jìn)電機(jī)的相的輸入信號(hào)和轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)系如圖3所示。相A和相B加的信號(hào)如果從1-4，將逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，從4-1將順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

                             
                   圖3 步進(jìn)電機(jī)相的輸入信號(hào)與轉(zhuǎn)動(dòng)的關(guān)系

      用MSP430F149的IO輸出端輸出信號(hào)，控制MAX4685的動(dòng)作，產(chǎn)生相A和相B所需的信號(hào)。如表2所示。表中列出的信號(hào)為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)每步所需的信號(hào)關(guān)系。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)通過傳動(dòng)裝置，推動(dòng)注射器注液。

                 表2 單片機(jī)IO端口輸出信號(hào)與轉(zhuǎn)動(dòng)的關(guān)系表

       該微型輸注儀器的電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序的具體流程如圖4 所示，其中包括以下幾個(gè)關(guān)鍵步驟：

      （1）單片機(jī)相關(guān)IO端口定義
       P5.0 P5.1 P5.2 P5.3 P5.4 P5.5 P5.6 P5.7
       A B C Data Vdd D

       （2）電機(jī)相關(guān)定時(shí)器定時(shí)初始化
       TBCCR0 = IntTime; //主定時(shí)器 總時(shí)間
       TBCCR1 = IntTime1;
       //定時(shí)器1 電機(jī)給電，高電平時(shí)間
       TBCCR2 = IntTime2;
       //定時(shí)器2 電機(jī)停歇，低電平時(shí)間

       （3）啟動(dòng)電機(jī)相關(guān)定時(shí)器
       TBCCTL1 = 0x10; //開定時(shí)器1
       TBCCTL2 = 0x10; //開定時(shí)器2
       TBCTL = 0x0114; //開主定時(shí)器

       （4）關(guān)閉電機(jī)相關(guān)定時(shí)器
       TBCCTL0 = 0x00;
       TBCCTL1 = 0x00;
       TBCCTL2 = 0x00;

       （5）中斷處理函數(shù)
        interrupt[TIMERB1_VECTOR] void Timer_B1 (void)
        根據(jù)定時(shí)器中斷向量TBIV 的值調(diào)整馬達(dá)走步方向，或?qū)ⅠR達(dá)走到相應(yīng)位置。

                                                   圖4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)流程圖

4、結(jié)論

      本設(shè)計(jì)改變了現(xiàn)有的OC門驅(qū)動(dòng)和三極管推拉式的驅(qū)動(dòng)方式，采用了MAX4685高速模擬開關(guān)直接驅(qū)動(dòng)小型步進(jìn)電機(jī)。這種驅(qū)動(dòng)方案的響應(yīng)速度可達(dá)到1MHz，驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)到500mA，可設(shè)計(jì)成低成本、高穩(wěn)定性、響應(yīng)速度高的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，直接驅(qū)動(dòng)小型步進(jìn)電機(jī)。同時(shí)具有原理簡單，易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。