基于步進電機的自動門系統(tǒng)設(shè)計

宰文姣（四川師范大學　工學院，四川　成都 610101）

基于步進電機的自動門系統(tǒng)設(shè)計

宰文姣
（四川師范大學工學院，四川成都 610101）

本自動門控制系統(tǒng)采用MSP430單片機作為控制器，SI-7600作為脈沖分配器，將直流電信號轉(zhuǎn)變成脈沖信號，然后用分立元件搭建的功率放大電路將脈沖信號放大，驅(qū)動三相三線式的混合式步進電機（57HS350B），帶動自動門工作。用紅外感應器HZKT002檢測有無行人通過自動門，并配合行程開關(guān)控制自動門的開關(guān)動作。自動門具有手動和自動兩種工作狀態(tài)。開關(guān)門的速度可以根據(jù)需要手動調(diào)節(jié)。

MSP430；SI-7600；功率放大電路；HZKT002；行程開關(guān)

0　引言

隨著社會的發(fā)展，越來越多的公共場所，如銀行、商場、賓館、酒店、機場等的入口處，采用自動門以方便行人的出入。目前市場上使用的自動門多采用PLC作為主控制器，價格較高。

本文采用單片機作為控制器實現(xiàn)的步進電機自動門控制系統(tǒng)，物美價廉，工作效率高，省電，開關(guān)門的速度可高低調(diào)節(jié)，扭力大，能連續(xù)工作，不發(fā)燙，保證自動門的長時間穩(wěn)定工作，性能大大優(yōu)于其他形式的自動門控制系統(tǒng)，具有廣闊的應用前景［1-2］。

自動門的重量一般在數(shù)公斤到數(shù)十公斤之間，要想帶動它們在導軌上靈活工作，需要一個較大功率的步進電機。本文選用三相三線式混合式步進電機（57HS350B），其工作電壓為 24 V，電流為5.8 A，而MSP430單片機的最大灌電流為30 mA。因為單片機沒有辦法直接控制電機工作，需要驅(qū)動電路，因此驅(qū)動電路的性能決定了自動門的工作性能。采用分立元件搭建驅(qū)動電路，帶動自動門工作。用MSP430單片機作為主控制器，靜態(tài)工作電流小，適合長時間工作，搭建驅(qū)動電流，驅(qū)動步進電機工作，帶動自動門運動，這是目前自動門控制中較為領(lǐng)先的嘗試，是本文的創(chuàng)新點。

1　自動門工作原理

基于步進電機的自動門系統(tǒng)由9個部分組成，各個部分間的連接情況如圖1所示。

圖1　自動門工作結(jié)構(gòu)圖

MSP430單片機是系統(tǒng)的控制器，也是整個系統(tǒng)的中心模塊，它接收手動開關(guān)門按鈕、速度調(diào)節(jié)按鈕、紅外感應器HZKT002［3］和行程開關(guān)傳遞過來的信號，經(jīng)過分析處理后，將具體的動作命令轉(zhuǎn)換成相應的輸出信號，傳遞給脈沖分配器，轉(zhuǎn)換成能控制步進電機工作的脈沖信號，此脈沖信號再輸送給分立元件驅(qū)動電路，信號經(jīng)放大后，驅(qū)動57HS350B步進電機做相應的作動，帶動平開式自動門在導軌上運動，自動門導軌的開門和關(guān)門極限位置上裝有行程開關(guān)，自動門運動到極限位置觸碰行程開關(guān)后，行程開關(guān)將相應的信號傳遞給MSP430單片機。

自動門分手動和自動兩種工作狀態(tài)：傳感器正常工作時為自動工作狀態(tài)；傳感器失靈時，可以用手動開關(guān)門按鈕控制自動門的開、關(guān)工作。

紅外感應器 HZKT002是一個全自動式感應器，感應范圍為0.5 m～7 m，可以根據(jù)需要自己調(diào)節(jié)感應范圍。當人體進入感應范圍后，輸出高電平；當人體離開感應范圍后輸出低電平。其工作電流為微安級別，所以可以直接與單片機相連。

系統(tǒng)中，設(shè)置了速度調(diào)節(jié)按鈕，可以根據(jù)不同的需求，手動調(diào)節(jié)自動門的運動速度。

2　步進電機控制脈沖分配電路

步進電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成直線或角位移的執(zhí)行元件，它不能直接接到交直流電源上，必須使用專用的器件，將直流電源信號轉(zhuǎn)換成電脈沖信號。典型步進電機控制系統(tǒng)如圖2所示。控制器可以發(fā)出頻率從幾赫茲到幾十千赫茲不等的脈沖，且脈沖頻率可以連續(xù)變化。它為環(huán)形分配器提供脈沖序列。環(huán)形分配器的主要功能是把來自控制環(huán)節(jié)的脈沖序列按一定的規(guī)律分配后，經(jīng)過功率放大器的放大加到步進電機驅(qū)動電源的各相輸入端，以驅(qū)動步進電機的轉(zhuǎn)動。

圖2　步進電機控制系統(tǒng)

環(huán)形分配器主要有兩大類：一類是用計算機軟件設(shè)計的方法實現(xiàn)環(huán)形分配器要求的功能，通常稱為軟環(huán)形分配器；另一類是用硬件構(gòu)成的環(huán)形分配器，通常稱為硬環(huán)形分配器。功率放大器主要對環(huán)形分配器的較小輸出信號進行放大，以達到驅(qū)動步進電機的目的。本系統(tǒng)采用三相三線式的混合式步進電機（57HS350B），由于軟環(huán)形分配器不穩(wěn)定、易受外部干擾，故本系統(tǒng)采用硬環(huán)形分配器［5］。

三相步進電機控制器是針對混合式三相步進電機的控制系統(tǒng)，主要由指令控制模塊，脈沖分配模塊和功率驅(qū)動模塊構(gòu)成。脈沖分配模塊采用日本三肯公司的集成芯片SI-7600，該芯片能將輸入的時鐘信號分配成六路脈沖控制后級的功率驅(qū)動模塊產(chǎn)生三相步進電機的工作時序。不僅能通過改變該芯片的時鐘頻率來控制電機的轉(zhuǎn)速，還能通過簡單的邏輯信號控制電機的正反轉(zhuǎn)和保持。該芯片內(nèi)置的死區(qū)生成器可以有效保證同組的兩個功率芯片不會瞬間短路。

對SI-7600進行操作時，需先弄清楚其時序，圖3 為SI-7600的時序圖。

圖3　SI-7600時序圖

圖3所示的時序圖包括讓電機工作在單三拍 （2-phase excation）模式和三相六拍（2-3phase excitation）模式。輸出信號OHA、OHB、OHC、OLA、OLB、OLC六路信號輸送到分立元件功率放大電路。

3　分立元件功率放大電路

分立元件功率放大電路由NMOS、PMOS搭建的3個半橋組成［4］，如圖 4所示。

圖4　半橋功率放大電路

對第一段單三拍上升沿觸發(fā)和反轉(zhuǎn)工作模式下的輸出進行一下分析，其中輸出的繞阻 u，v，w對應三相步進電機的三個繞阻。在該段時間的各個輸出如表1所示。

表1　真值表

輸出的順序為u-w-v-u，正好是步進電機工作在三相單三拍的激勵方式。改變圖3中時鐘的頻率就可以調(diào)

節(jié)步進電機的速度。當正反轉(zhuǎn)信號為高電平時，電機反轉(zhuǎn)；反之電機正轉(zhuǎn)。

4　結(jié)論

本文提出的基于步進電機的平開式自動門系統(tǒng)設(shè)計，價格低，性能好，能長時間穩(wěn)定工作，已經(jīng)做出實物模型，在試用過程中，反應良好，具有推廣價值。

［1］吳玉香，毛宗源.空間矢量調(diào)制技術(shù)在自動門控制系統(tǒng)中的應用［J］.電氣傳動，2003，33（2）：11-13.

［2］宰文姣.基于單片機的自動門控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.西南民族大學學報，2013（1）：26-28.

［3］JHA A R.紅外技術(shù)應用——光電、光子器件及傳感器［M］.張孝霖，陳世達，舒郁文，等，譯.北京：化學工業(yè)出版社，2004，8.

［4］宰文姣.無刷直流電機驅(qū)動控制電路的設(shè)計和實現(xiàn)［J］.微特電機，2013（1）：54-56.

［5］宰文姣.步進電機驅(qū)動控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.煤礦機械，2013（7）：157-158.

Design of automatic door system based on step motor

Zai Wenjiao
（Institute of Engineer，Sichuan Normal University，Chengdu 610101，China）

The automatic door control system uses MSP430 microcontroller as controller，SI-7600 as the pulse distributor，that changes the current signals into pulse signal，and then uses the power of discrete components built amplifying circuit about pulse signal amplification，driving hybrid step three-phase three wire stepper motor（57HS350B），the automatic door of work.Infrared sensor HZKT002 detection have no pedestrians by automatic doors，and with the switch travel switch to control the automatic door. Automatic door with manual and automatic two kinds of working state.The door switch speed can be adjusted manually.

MSP430；SI 7600；HZKT002；switch power amplifier circuit

TP273

A

1674-7720（2015）03-0030-02

（2014-08-08）

宰文姣（1979-），女，工學碩士，講師，主要研究方向：智能控制、電機調(diào)速等。