步進電機驅(qū)動微型輸注儀器的一種新方式

1、引言

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

現(xiàn)有的小型步進電機驅(qū)動電路，基本采用OC門驅(qū)動和三極管推拉式驅(qū)動。OC門電路驅(qū)動電機的缺點是驅(qū)動電流不夠，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)動步進電機的缺點是NPN和PNP三極管的選擇上。兩個三極管的PN結(jié)開關(guān)點要盡量相同，否則三極管會被擊穿，產(chǎn)生不安全隱患。

本文針對傳統(tǒng)小型步進電機驅(qū)動存在的這些問題，并結(jié)合一種微型輸注儀器的電機驅(qū)動裝置的設(shè)計，提出一種新型步進電機驅(qū)動方案。本方案采用MSP430單片機，通過其上運行的軟件控制MAX4685高速模擬開關(guān)的輸出，從而實現(xiàn)對步進電機的控制。

這種低成本，高穩(wěn)定，高性能的驅(qū)動方式，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驅(qū)動方案

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

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

圖1 電機驅(qū)動框圖

輸入面板是通過按鍵設(shè)置參數(shù)，通過在單片機運行的智能軟件控制單片機的IO端口輸出。單片機的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1MHz，驅(qū)動電流最大可達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，最高輸入信號電壓為5.5V。

本實例是驅(qū)動兩相直流步進電機。采用的單片機型號為MSP430F149。該型號的單片機是具有FLASH功能的超低功耗的16位單片機，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的P50、P51、P52、P55 等4個IO端口輸出驅(qū)動步進電機所用的脈沖波形，控制MAX4685的開關(guān)。用MAX4685的輸出提供驅(qū)動步進電機所需的電流。電機的轉(zhuǎn)速靠輸出脈沖波形的頻率來控制。電機的轉(zhuǎn)動推動注射器輸液。

具體的連接如圖2所示。

圖2 單片機、MAX4685、步進電機的連接關(guān)系圖

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

3、電機驅(qū)動程序的具體設(shè)計與實現(xiàn)

合實例的電機驅(qū)動部分的連接關(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單片機控制MAX4685模擬開關(guān)的動作,來實現(xiàn)對步進電機的控制。MSP430F149單片機的P50、P51 IO端口經(jīng)MAX4685驅(qū)動后，連接到步進電機的相A上；P52、P55 IO端口經(jīng)驅(qū)動后，連接到步進電機的相B上。步進電機的轉(zhuǎn)動模式為全步模式，選用的是兩相，每圈20步的步進電機。每步的轉(zhuǎn)角為18度。每圈的轉(zhuǎn)動精度為±10度。

步進電機的相的輸入信號和轉(zhuǎn)動關(guān)系如圖3所示。相A和相B加的信號如果從1-4，將逆時針旋轉(zhuǎn)，從4-1將順時針旋轉(zhuǎn)。

圖3 步進電機相的輸入信號與轉(zhuǎn)動的關(guān)系

用MSP430F149的IO輸出端輸出信號，控制MAX4685的動作，產(chǎn)生相A和相B所需的信號。如表2所示。表中列出的信號為電機轉(zhuǎn)動每步所需的信號關(guān)系。電機轉(zhuǎn)動通過傳動裝置，推動注射器注液。

表2 單片機IO端口輸出信號與轉(zhuǎn)動的關(guān)系表

該微型輸注儀器的電機驅(qū)動程序的具體流程如圖4 所示，其中包括以下幾個關(guān)鍵步驟：

（1）單片機相關(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）電機相關(guān)定時器定時初始化
TBCCR0 = IntTime; //主定時器 總時間
TBCCR1 = IntTime1;
//定時器1 電機給電，高電平時間
TBCCR2 = IntTime2;
//定時器2 電機停歇，低電平時間

（3）啟動電機相關(guān)定時器
TBCCTL1 = 0x10; //開定時器1
TBCCTL2 = 0x10; //開定時器2
TBCTL = 0x0114; //開主定時器

（4）關(guān)閉電機相關(guān)定時器
TBCCTL0 = 0x00;
TBCCTL1 = 0x00;
TBCCTL2 = 0x00;

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

圖4 電機驅(qū)動流程圖

4、結(jié)論

本設(shè)計改變了現(xiàn)有的OC門驅(qū)動和三極管推拉式的驅(qū)動方式，采用了MAX4685高速模擬開關(guān)直接驅(qū)動小型步進電機。這種驅(qū)動方案的響應(yīng)速度可達到1MHz，驅(qū)動電流可達到500mA，可設(shè)計成低成本、高穩(wěn)定性、響應(yīng)速度高的電機驅(qū)動電路，直接驅(qū)動小型步進電機。同時具有原理簡單，易于實現(xiàn)的特點。