基於步進電機的自動門係統設計

摘 要： 本自動門控製係統采用MSP430單片機作為控製器，SI-7600作為脈衝分配器，將直流電信號轉變成脈衝信號，然後用分立元件搭建的功率放大電路將脈衝信號放大，驅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，並配合行程開關控製自動門的開關動作。自動門具有手動和自動兩種工作狀態。開關門的速度可以根據需要手動調節。

0 引言

隨著社會的發展，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作為主控製器，價格較高。

本文采用單片機作為控製器實現的步進電機自動門控製係統，物美價廉，工作效率高，省電，開關門的速度可高低調節，扭力大，能連續工作，不發燙，保證自動門的長時間穩定工作，性能大大優於其他形式的自動門控製係統，具有廣闊的應用前景[1-2]。

自動門的重量一般在數公斤到數十公斤之間，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製電機工作，需要驅動電路，因此驅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動電路，帶動自動門工作。用MSP430單片機作為主控製器，靜態工作電流小，適合長時間工作，搭建驅動電流，驅動步進電機工作，帶動自動門運動，這是目前自動門控製中較為領先的嚐試，是本文的創新點。

1 自動門工作原理

基於步進電機的自動門係統由9個部分組成，各個部分間的連接情況如圖1所示。

MSP430單片機是係統的控製器，也是整個係統的中心模塊，它接收手動開關門按鈕、速度調節按鈕、紅外感應器HZKT002[3]和行程開關傳遞過來的信號，經過分析處理後，將具體的動作命令轉換成相應的輸出信號，傳遞給脈衝分配器，轉換成能控製步進電機工作的脈衝信號，此脈衝信號再輸送給分立元件驅動電路，信號經放大後，驅動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門極限位置上裝有行程開關，自動門運動到極限位置觸碰行程開關後，行程開關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：傳感器正常工作時為自動工作狀態；傳感器失靈時，可以用手動開關門按鈕控製自動門的開、關工作。

紅外感應器HZKT002是一個全自動式感應器，感應範圍為0.5 m~7 m，可以根據需要自己調節感應範圍。當人體進入感應範圍後，輸出高電平；當人體離開感應範圍後輸出低電平。其工作電流為微安級別，所以可以直接與單片機相連。

係統中，設置了速度調節按鈕，可以根據不同的需求，手動調節自動門的運動速度。

2 步進電機控製脈衝分配電路

步進電機是一種將電脈衝信號轉換成直線或角位移的執行元件，它不能直接接到交直流電源上，必須使用專用的器件，將直流電源信號轉換成電脈衝信號。典型步進電機控製係統如圖2所示。控製器可以發出頻率從幾赫茲到幾十千赫茲不等的脈衝，且脈衝頻率可以連續變化。它為環形分配器提供脈衝序列。環形分配器的主要功能是把來自控製環節的脈衝序列按一定的規律分配後，經過功率放大器的放大加到步進電機驅動電源的各相輸入端，以驅動步進電機的轉動。

環形分配器主要有兩大類：一類是用計算機軟件設計的方法實現環形分配器要求的功能，通常稱為軟環形分配器；另一類是用硬件構成的環形分配器，通常稱為硬環形分配器。功率放大器主要對環形分配器的較小輸出信號進行放大，以達到驅動步進電機的目的。本係統采用三相三線式的混合式步進電機（57HS350B），由於軟環形分配器不穩定、易受外部幹擾，故本係統采用硬環形分配器[5]。

三相步進電機控製器是針對混合式三相步進電機的控製係統，主要由指令控製模塊，脈衝分配模塊和功率驅動模塊構成。脈衝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鍾信號分配成六路脈衝控製後級的功率驅動模塊產生三相步進電機的工作時序。不僅能通過改變該芯片的時鍾頻率來控製電機的轉速，還能通過簡單的邏輯信號控製電機的正反轉和保持。該芯片內置的死區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。

對第一段單三拍上升沿觸發和反轉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。

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中時鍾的頻率就可以調節步進電機的速度。當正反轉信號為高電平時，電機反轉；反之電機正轉。

4 結論

本文提出的基於步進電機的平開式自動門係統設計，價格低，性能好，能長時間穩定工作，已經做出實物模型，在試用過程中，反應良好，具有推廣價值。