李勝勇，肖奇軍

(1.廈門蒙發(fā)利科技(集團(tuán))股份有限公司，廈門361008;2.肇慶學(xué)院，肇慶526061)

0 引 言

本文主要以MEMS 強(qiáng)鏈應(yīng)用為具體實(shí)例，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于計(jì)算機(jī)并口的電磁式微電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。這種強(qiáng)鏈?zhǔn)且环N能量門控或開關(guān)機(jī)構(gòu)，可廣泛用于國(guó)防裝備、武器引信、要害部門等國(guó)防領(lǐng)域，也可用于信息安全領(lǐng)域，如政府機(jī)關(guān)、信息數(shù)據(jù)庫(kù)、金融等場(chǎng)合。

基于非硅MEMS 技術(shù)制造的獨(dú)特結(jié)構(gòu)的電磁式微電機(jī)，采用雙定子單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，具有轉(zhuǎn)矩大、電壓低、轉(zhuǎn)速高等優(yōu)點(diǎn)。這種微電機(jī)應(yīng)用于強(qiáng)鏈驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，具有獨(dú)特的效果。在實(shí)際驅(qū)動(dòng)過程中，施加不同的矢量電流，改變定子繞組驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，從而改變步進(jìn)的角度，這樣可以避免需要不同結(jié)構(gòu)電機(jī)來產(chǎn)生不同轉(zhuǎn)矩。微電機(jī)這樣的電氣結(jié)構(gòu)，使得變速的輸出成為可能，減少了傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性和裝配性。微電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩最大可達(dá)2.8 N·m，也無需通過減速提高轉(zhuǎn)矩，摩擦問題就可以大大減少。本文設(shè)計(jì)中采用的電磁式微電機(jī)就是雙定子單轉(zhuǎn)子的獨(dú)特結(jié)構(gòu)［1］。

1 MEMS 強(qiáng)鏈結(jié)構(gòu)

MEMS 強(qiáng)鏈的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。結(jié)構(gòu)由三部分組成，包括兩組鑒碼機(jī)構(gòu)、兩組復(fù)位機(jī)構(gòu)和一個(gè)耦合機(jī)構(gòu)［2］。其中，一組鑒碼碼盤、驅(qū)動(dòng)微電機(jī)依次從上至下安裝在棘輪套裝軸上，外面結(jié)構(gòu)體對(duì)其進(jìn)行定位，形成其中一組鑒碼機(jī)構(gòu);棘爪、復(fù)位微電機(jī)按順序套裝在棘爪安裝軸上，形成一組復(fù)位機(jī)構(gòu);另外一組鑒碼、復(fù)位機(jī)構(gòu)與此類似。信息耦合采用光電耦合盤，隨動(dòng)式，可復(fù)位的MEMS 強(qiáng)鏈結(jié)構(gòu)如圖1所示［3］。結(jié)構(gòu)尺寸為35 mm×25 mm×25 mm 計(jì)算機(jī)并口的輸出信號(hào)分別傳遞給兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和兩個(gè)復(fù)位電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器，然后分別再與相應(yīng)的微電機(jī)相連，執(zhí)行鑒碼機(jī)構(gòu)的運(yùn)行與復(fù)位，最終完成系統(tǒng)的能量門開啟與否以及復(fù)位過程［4-5］。

圖1 MEMS 強(qiáng)鏈結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)

圖2 為系統(tǒng)運(yùn)行復(fù)位流程。這里以輸入碼第八位錯(cuò)誤(即應(yīng)為“A”，而實(shí)際為“B”)說明復(fù)位過程。假如輸入的密碼為“BABBABBBAAA…”，假設(shè)前七位碼是正確的，第八位碼“B”是錯(cuò)的。由于第八位錯(cuò)誤，應(yīng)該驅(qū)動(dòng)碼輪A。這樣一來，由于錯(cuò)誤驅(qū)動(dòng)，碼輪B 必將與碼輪A 干涉，強(qiáng)鏈無法運(yùn)行。這種狀態(tài)下，復(fù)位電機(jī)B 驅(qū)動(dòng)棘爪使其轉(zhuǎn)動(dòng)22.5°，將棘爪離開棘輪卡位，密碼驅(qū)動(dòng)電機(jī)B 反方向運(yùn)轉(zhuǎn)7.5° ×2 =15°。復(fù)位電機(jī)B 實(shí)現(xiàn)整個(gè)復(fù)位過程，圖3 為復(fù)位過程。

2 微電機(jī)換相規(guī)則

驅(qū)動(dòng)電磁式微電機(jī)為三相星形繞組結(jié)構(gòu)，如圖4(a)所示，圖4(b)所示為其力矩矢量圖，其它B，-B，C，-C 的定義與A 相定義相同。

圖4 微電機(jī)繞組相位連接和矢量力矩

在每一個(gè)運(yùn)行瞬間，微電機(jī)由于無中線引出，對(duì)其進(jìn)行組合，共計(jì)有12 種通電狀態(tài)，于是形成12 個(gè)矢量力矩，如圖5 所示。

圖5 12 種狀態(tài)對(duì)應(yīng)的矢量力矩

系統(tǒng)中的MEMS 強(qiáng)鏈電機(jī)采用十二拍換相實(shí)現(xiàn)22.5°機(jī)械步進(jìn)驅(qū)動(dòng)。在圖6 所示的矢量力矩圖中，總計(jì)有一種這樣的二、三通電十二拍換相模式，軸向磁場(chǎng)微電機(jī)22.5°機(jī)械步進(jìn)驅(qū)動(dòng)由每4 個(gè)換相狀態(tài)完成。

圖6 十二拍模式

3 控制電路設(shè)計(jì)

PCI-7248 與L6234 芯片的連線方式，如圖7所示。利用L6234 芯片實(shí)現(xiàn)電路中微電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，它是一個(gè)由可以輸入使能的三個(gè)半橋組成的驅(qū)動(dòng)芯片，能夠?qū)崿F(xiàn)防止交叉導(dǎo)通、熱關(guān)斷、50 kHz 工作頻率、能輸出5 A 大電流等功能。

通過設(shè)定芯片L6234 的IN1，EN1，IN2，EN2，IN3，EN3 的邏輯值來開關(guān)T1 至T6，共計(jì)6 個(gè)MOS管。當(dāng)相應(yīng)的EN1，EN2，EN3 為低電平時(shí)，切斷相應(yīng)通道，當(dāng)EN1，EN2，EN3 為高電平時(shí)，打開相應(yīng)通道。當(dāng)IN1，IN2，IN3 為高時(shí)，上DMOS 晶體管打開，當(dāng)IN1，IN2，IN3 為低時(shí)，下DMOS 晶體管打開，電流方向改變。OUT1，OUT2，OUT3 分別為電機(jī)輸入相位的A 相，B 相和C 相。只需改變以上6 個(gè)輸入值，即可實(shí)現(xiàn)微電機(jī)的電流換相，從而使其實(shí)現(xiàn)步進(jìn)運(yùn)動(dòng)的改變［6］。

4 并口編程實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制

通過編程，使用PC 機(jī)并口來實(shí)現(xiàn)對(duì)四個(gè)電機(jī)的控制。計(jì)算機(jī)提供了三個(gè)寄存器，即數(shù)據(jù)寄存器，狀態(tài)寄存器和控制寄存器。并口的輸入/輸出分別對(duì)應(yīng)端口378H，379H 和37AH。使用數(shù)據(jù)寄存器的D0 -D5 作為數(shù)據(jù)總線。利用并口的Pin2 ～Pin7 進(jìn)行輸出。D6，D7 分別接到兩片74HC573 的OE 端，選通兩個(gè)工作電機(jī)，利用并口的Pin8，Pin9 實(shí)現(xiàn)輸出?？刂萍拇嫫鞯腄1，D3 分別控制復(fù)位電機(jī)A，B的使能，利用并口的Pin14，Pin17 實(shí)現(xiàn)輸出。當(dāng)復(fù)位工作時(shí)，要求有兩臺(tái)電機(jī)同時(shí)工作，因此復(fù)位電機(jī)接口需要具有鎖存功能，因?yàn)閮膳_(tái)復(fù)位電機(jī)不會(huì)同時(shí)工作，所以可以共用一個(gè)鎖存線。采用控制寄存器的D2 作為鎖存(LE)信號(hào)，采用并口的Pin16 輸出相應(yīng)信號(hào)。并口輸出的命令采用C 語言的outportb()函數(shù)或匯編的out 命令向378 及37 A 端口寫命令字來實(shí)現(xiàn)。

微電機(jī)按照如圖8 所示的相位循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)，其中，加下劃線的是狀態(tài)穩(wěn)定相位，稱之為大相位，它們之間間隔22.5°。中間的兩個(gè)是過渡態(tài)相位，稱之為小相位，它們之間間隔7.5°。由此可見，一個(gè)大相位由三個(gè)小相位組成。電機(jī)運(yùn)行4 個(gè)大相位為一個(gè)循環(huán)，經(jīng)過4 個(gè)循環(huán)后回到原始位置。L6234 輸入一定的控制字，輸出端輸出與其相對(duì)的相位。

圖8 微電機(jī)循環(huán)相位

正常鑒碼時(shí)，碼輪集運(yùn)行24 位密碼，打開光電耦合器，能量耦合，達(dá)到開啟計(jì)算機(jī)的功能，然后再輸出8 個(gè)相位使MEMS 強(qiáng)鏈恢復(fù)到初始位置。

下面以一個(gè)鑒碼過程說明復(fù)位時(shí)MEMS 強(qiáng)鏈的電氣特性。例如，輸入的解碼為“AABBABABAAABBB…”，假設(shè)第六位密碼正確，第七位密碼“A”錯(cuò)誤。如果MEMS 強(qiáng)鏈的初始相位是-BC，輸出第七位密碼(這時(shí)輸出“A”，正確碼應(yīng)該是“B”)時(shí)，電機(jī)A 處在-BC 相位，電機(jī)B 處在A-B-C。這時(shí)需要電機(jī) A 恢復(fù)到上一個(gè)相位(- ABC)才能繼續(xù)解碼。此時(shí)控制電路依次輸出相位A -BC，A-B，A-B-C 到復(fù)位電機(jī)A，驅(qū)動(dòng)棘爪抬起。復(fù)位電機(jī)A 的狀態(tài)被鎖存在A-B-C 這一相位，使棘爪保持在抬起狀態(tài)。然后電機(jī)A 依次輸出當(dāng)前相位前的兩個(gè)小相位(-A-BC，-AC)，這時(shí)復(fù)位電機(jī)A 驅(qū)動(dòng)棘爪放下，即控制電路輸出A-B，A-BC，-BC 相位到復(fù)位電機(jī)A。最后電機(jī)A 再反方向走一個(gè)小相位(-AB -C)，這樣碼輪就退回到了一個(gè)正確的位置，復(fù)位過程完成。

5 MEMS 強(qiáng)鏈的安全認(rèn)證實(shí)例

以開啟計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)為例，測(cè)試MEMS 強(qiáng)鏈能否正確解碼，對(duì)MEMS 強(qiáng)鏈在輸入誤碼下能否進(jìn)行復(fù)位進(jìn)行了多次測(cè)試實(shí)驗(yàn)。測(cè)試系統(tǒng)包括MESM強(qiáng)鏈、控制板、上位機(jī)，如圖9 所示。

圖9 計(jì)算機(jī)安全認(rèn)證測(cè)試系統(tǒng)

正確解碼測(cè)試如下:在計(jì)算機(jī)POST 過程中輸入正確的密碼，等待MEMS 強(qiáng)鏈工作完畢后，若操作系統(tǒng)開啟，則本次試驗(yàn)完畢，并記錄試驗(yàn)結(jié)果。如此反復(fù)，每次試驗(yàn)都成功解碼。錯(cuò)誤密碼測(cè)試如下:該試驗(yàn)測(cè)試兩種錯(cuò)位碼的運(yùn)行狀況，一種是錯(cuò)位在“A”，碼為“ABAABABBBBAAA”;另一種是錯(cuò)位在“B”，碼為“ABAABABBBBB”。在計(jì)算機(jī)POST 過程中輸入錯(cuò)誤的密碼啟動(dòng)鑒碼，計(jì)算機(jī)提示MEMS強(qiáng)鏈走到錯(cuò)誤位置，請(qǐng)按任意鍵復(fù)位，按鍵使得自動(dòng)復(fù)位到初始相位，但計(jì)算機(jī)鎖死，則本次試驗(yàn)完畢，并記錄試驗(yàn)結(jié)果。如此反復(fù)，每次MEMS 強(qiáng)鏈都能完成自動(dòng)復(fù)位過程。

6 結(jié) 語

基于MEMS 強(qiáng)鏈的計(jì)算機(jī)安全認(rèn)證系統(tǒng)采用電磁式微電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過計(jì)算機(jī)并口實(shí)現(xiàn)對(duì)MEMS 強(qiáng)鏈兩個(gè)復(fù)位微電機(jī)和兩個(gè)驅(qū)動(dòng)微電機(jī)的控制，經(jīng)過反復(fù)測(cè)試，系統(tǒng)穩(wěn)定正常，沒有發(fā)生異常情況，MEMS 強(qiáng)鏈計(jì)算機(jī)認(rèn)證可有效杜絕非法入侵。

［1］ 張琛.微執(zhí)行器［M］. 上海:上海交通大學(xué)出版社，2005:58 -68.

［2］ 張衛(wèi)平. 基于MEMS 技術(shù)的微小機(jī)電強(qiáng)鏈［D］.上海:上海交通大學(xué)，2004:28 -38.

［3］ 陳文元，李勝勇，張衛(wèi)平，等.具有自動(dòng)復(fù)位系統(tǒng)的逐位鑒別可多次試開的MEMS 強(qiáng)鏈:中國(guó)，200610023449.5［P］.2006 -08 -30.

［4］ LI Sheng -yong，CHEN Wen -yuan，ZHANG Wei -ping，et al.Multi-try counter-meshing gears discrimination device based on MEMS technology［J］. Journal of Shanghai Jiaotong University(Sci.)，2008，13(3):280 -284.

［5］ LI Shengyong，CHEN Wenyuan，ZHANG Weiping，et al. Structure mechanism of MEMS security stronglink with multi - try function［C］//International Conference on Smart Materials and Nanotechnology in Engineering，Proc. of SPIE，2007:64235A-1 -64235A-7.

［6］ 齊臣杰，劉理天，譚智敏. 微電機(jī)和微動(dòng)力MEMS［J］. 電子科技導(dǎo)報(bào)，1999，(12):21 -23.