宰文姣（四川師范大學(xué)　工學(xué)院，四川　成都 610101）

基于步進(jìn)電機(jī)的自動(dòng)門系統(tǒng)設(shè)計(jì)

宰文姣
（四川師范大學(xué)工學(xué)院，四川成都 610101）

本自動(dòng)門控制系統(tǒng)采用MSP430單片機(jī)作為控制器，SI-7600作為脈沖分配器，將直流電信號(hào)轉(zhuǎn)變成脈沖信號(hào)，然后用分立元件搭建的功率放大電路將脈沖信號(hào)放大，驅(qū)動(dòng)三相三線式的混合式步進(jìn)電機(jī)（57HS350B），帶動(dòng)自動(dòng)門工作。用紅外感應(yīng)器HZKT002檢測(cè)有無行人通過自動(dòng)門，并配合行程開關(guān)控制自動(dòng)門的開關(guān)動(dòng)作。自動(dòng)門具有手動(dòng)和自動(dòng)兩種工作狀態(tài)。開關(guān)門的速度可以根據(jù)需要手動(dòng)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(huì)的發(fā)展，越來越多的公共場所，如銀行、商場、賓館、酒店、機(jī)場等的入口處，采用自動(dòng)門以方便行人的出入。目前市場上使用的自動(dòng)門多采用PLC作為主控制器，價(jià)格較高。

本文采用單片機(jī)作為控制器實(shí)現(xiàn)的步進(jìn)電機(jī)自動(dòng)門控制系統(tǒng)，物美價(jià)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(dòng)門的長時(shí)間穩(wěn)定工作，性能大大優(yōu)于其他形式的自動(dòng)門控制系統(tǒng)，具有廣闊的應(yīng)用前景［1-2］。

自動(dòng)門的重量一般在數(shù)公斤到數(shù)十公斤之間，要想帶動(dòng)它們?cè)趯?dǎo)軌上靈活工作，需要一個(gè)較大功率的步進(jìn)電機(jī)。本文選用三相三線式混合式步進(jìn)電機(jī)（57HS350B），其工作電壓為 24 V，電流為5.8 A，而MSP430單片機(jī)的最大灌電流為30 mA。因?yàn)閱纹瑱C(jī)沒有辦法直接控制電機(jī)工作，需要驅(qū)動(dòng)電路，因此驅(qū)動(dòng)電路的性能決定了自動(dòng)門的工作性能。采用分立元件搭建驅(qū)動(dòng)電路，帶動(dòng)自動(dòng)門工作。用MSP430單片機(jī)作為主控制器，靜態(tài)工作電流小，適合長時(shí)間工作，搭建驅(qū)動(dòng)電流，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)工作，帶動(dòng)自動(dòng)門運(yùn)動(dòng)，這是目前自動(dòng)門控制中較為領(lǐng)先的嘗試，是本文的創(chuàng)新點(diǎn)。

1　自動(dòng)門工作原理

基于步進(jìn)電機(jī)的自動(dòng)門系統(tǒng)由9個(gè)部分組成，各個(gè)部分間的連接情況如圖1所示。

圖1　自動(dòng)門工作結(jié)構(gòu)圖

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

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

紅外感應(yīng)器 HZKT002是一個(gè)全自動(dòng)式感應(yīng)器，感應(yīng)范圍為0.5 m～7 m，可以根據(jù)需要自己調(diào)節(jié)感應(yīng)范圍。當(dāng)人體進(jìn)入感應(yīng)范圍后，輸出高電平；當(dāng)人體離開感應(yīng)范圍后輸出低電平。其工作電流為微安級(jí)別，所以可以直接與單片機(jī)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(dòng)調(diào)節(jié)自動(dòng)門的運(yùn)動(dòng)速度。

2　步進(jìn)電機(jī)控制脈沖分配電路

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)。典型步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)如圖2所示?？刂破骺梢园l(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(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的各相輸入端，以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖2　步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)

環(huán)形分配器主要有兩大類：一類是用計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)的方法實(shí)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(duì)環(huán)形分配器的較小輸出信號(hào)進(jìn)行放大，以達(dá)到驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的目的。本系統(tǒng)采用三相三線式的混合式步進(jìn)電機(jī)（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(jìn)電機(jī)控制器是針對(duì)混合式三相步進(jìn)電機(jī)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(dòng)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(shí)鐘信號(hào)分配成六路脈沖控制后級(jí)的功率驅(qū)動(dòng)模塊產(chǎn)生三相步進(jìn)電機(jī)的工作時(shí)序。不僅能通過改變?cè)撔酒臅r(shí)鐘頻率來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，還能通過簡單的邏輯信號(hào)控制電機(jī)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(gè)功率芯片不會(huì)瞬間短路。

對(duì)SI-7600進(jìn)行操作時(shí)，需先弄清楚其時(shí)序，圖3 為SI-7600的時(shí)序圖。

圖3　SI-7600時(shí)序圖

圖3所示的時(shí)序圖包括讓電機(jī)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(hào)OHA、OHB、OHC、OLA、OLB、OLC六路信號(hào)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(gè)半橋組成［4］，如圖 4所示。

圖4　半橋功率放大電路

對(duì)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(jìn)行一下分析，其中輸出的繞阻 u，v，w對(duì)應(yīng)三相步進(jìn)電機(jī)的三個(gè)繞阻。在該段時(shí)間的各個(gè)輸出如表1所示。

表1　真值表

輸出的順序?yàn)閡-w-v-u，正好是步進(jìn)電機(jī)工作在三相單三拍的激勵(lì)方式。改變圖3中時(shí)鐘的頻率就可以調(diào)

節(jié)步進(jìn)電機(jī)的速度。當(dāng)正反轉(zhuǎn)信號(hào)為高電平時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)；反之電機(jī)正轉(zhuǎn)。

4　結(jié)論

本文提出的基于步進(jìn)電機(jī)的平開式自動(dòng)門系統(tǒng)設(shè)計(jì)，價(jià)格低，性能好，能長時(shí)間穩(wěn)定工作，已經(jīng)做出實(shí)物模型，在試用過程中，反應(yīng)良好，具有推廣價(jià)值。

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

［2］宰文姣.基于單片機(jī)的自動(dòng)門控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.西南民族大學(xué)學(xué)報(bào)，2013（1）：26-28.

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

［4］宰文姣.無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)［J］.微特電機(jī)，2013（1）：54-56.

［5］宰文姣.步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.煤礦機(jī)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(xué)碩士，講師，主要研究方向：智能控制、電機(jī)調(diào)速等。