步進(jìn)電機驅動(dòng)微型輸注儀器的一種新方式

1、引言

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

現有的小型步進(jìn)電機驅動(dòng)電路，基本采用OC門(mén)驅動(dòng)和三極管推拉式驅動(dòng)。OC門(mén)電路驅動(dòng)電機的缺點(diǎn)是驅動(dòng)電流不夠，響應速度慢，而且OC門(mén)最好工作在+5V電壓環(huán)境下，在低電壓環(huán)境下，工作不穩定。三極管推拉式驅動(dòng)步進(jìn)電機的缺點(diǎn)是NPN和PNP三極管的選擇上。兩個(gè)三極管的PN結開(kāi)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。

本文針對傳統小型步進(jìn)電機驅動(dòng)存在的這些問(wèn)題，并結合一種微型輸注儀器的電機驅動(dòng)裝置的設計，提出一種新型步進(jìn)電機驅動(dòng)方案。本方案采用MSP430單片機，通過(guò)其上運行的軟件控制MAX4685高速模擬開(kāi)關(guān)的輸出，從而實(shí)現對步進(jìn)電機的控制。

這種低成本，高穩定，高性能的驅動(dòng)方式，適合低電壓，大電流，響應頻率比較高的場(chǎng)合。

2、微型輸注儀器的電機驅動(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)小型電池驅動(dòng)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(gè)大小如同尋呼機的輸注儀器，泵容器通過(guò)輸入指令的控制由細塑料管輸注液體。

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

圖1 電機驅動(dòng)框圖

輸入面板是通過(guò)按鍵設置參數，通過(guò)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(kāi)關(guān)，輸入為脈沖方波，控制MAX4685模擬開(kāi)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(kāi)關(guān)，開(kāi)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。響應速度最高可達1MHz，驅動(dòng)電流最大可達500mA。

　　MAX4685具體的參數如下：

　　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，最高輸入信號電壓為5.5V。

本實(shí)例是驅動(dòng)兩相直流步進(jìn)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，設置參數。通過(guò)智能軟件控制單片機的P50、P51、P52、P55 等4個(gè)IO端口輸出驅動(dòng)步進(jìn)電機所用的脈沖波形，控制MAX4685的開(kāi)關(guān)。用MAX4685的輸出提供驅動(dòng)步進(jìn)電機所需的電流。電機的轉速靠輸出脈沖波形的頻率來(lái)控制。電機的轉動(dòng)推動(dòng)注射器輸液。

具體的連接如圖2所示。

圖2 單片機、MAX4685、步進(jìn)電機的連接關(guān)系圖

本設計用單片機控制MAX4685的開(kāi)關(guān)，用MAX4685的輸出提供步進(jìn)電機的脈沖波形，可確保輸出電壓波形穩定，驅動(dòng)電流大，干擾小。達到低成本、高穩定性、響應速度快的低電壓微型電機的要求。OC門(mén)和三極管推拉式驅動(dòng)不易集成化。

3、電機驅動(dòng)程序的具體設計與實(shí)現

合實(shí)例的電機驅動(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單片機控制MAX4685模擬開(kāi)關(guān)的動(dòng)作,來(lái)實(shí)現對步進(jìn)電機的控制。MSP430F149單片機的P50、P51 IO端口經(jīng)MAX4685驅動(dòng)后，連接到步進(jìn)電機的相A上；P52、P55 IO端口經(jīng)驅動(dòng)后，連接到步進(jìn)電機的相B上。步進(jìn)電機的轉動(dòng)模式為全步模式，選用的是兩相，每圈20步的步進(jìn)電機。每步的轉角為18度。每圈的轉動(dòng)精度為±10度。

步進(jìn)電機的相的輸入信號和轉動(dòng)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(shí)針旋轉，從4-1將順時(shí)針旋轉。

圖3 步進(jìn)電機相的輸入信號與轉動(dòng)的關(guān)系

用MSP430F149的IO輸出端輸出信號，控制MAX4685的動(dòng)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動(dòng)每步所需的信號關(guān)系。電機轉動(dòng)通過(guò)傳動(dòng)裝置，推動(dòng)注射器注液。

表2 單片機IO端口輸出信號與轉動(dòng)的關(guān)系表

該微型輸注儀器的電機驅動(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(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 電機給電，高電平時(shí)間
TBCCR2 = IntTime2;
//定時(shí)器2 電機停歇，低電平時(shí)間

（3）啟動(dòng)電機相關(guān)定時(shí)器
TBCCTL1 = 0x10; //開(kāi)定時(shí)器1
TBCCTL2 = 0x10; //開(kāi)定時(shí)器2
TBCTL = 0x0114; //開(kāi)主定時(shí)器

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

（5）中斷處理函數
interrupt[TIMERB1_VECTOR] void Timer_B1 (void)
根據定時(shí)器中斷向量TBIV 的值調整馬達走步方向，或將馬達走到相應位置。

圖4 電機驅動(dòng)流程圖

4、結論

本設計改變了現有的OC門(mén)驅動(dòng)和三極管推拉式的驅動(dòng)方式，采用了MAX4685高速模擬開(kāi)關(guān)直接驅動(dòng)小型步進(jìn)電機。這種驅動(dòng)方案的響應速度可達到1MHz，驅動(dòng)電流可達到500mA，可設計成低成本、高穩定性、響應速度高的電機驅動(dòng)電路，直接驅動(dòng)小型步進(jìn)電機。同時(shí)具有原理簡(jiǎn)單，易于實(shí)現的特點(diǎn)。