摘 要： 本自動門控制系統(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(jìn)電機(jī)（57HS350B），帶動自動門工作。用紅外感應(yīng)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)。
關(guān)鍵詞： 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(jī)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(jī)作為控制器實現(xiàn)的步進(jìn)電機(jī)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(yīng)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(dǎo)軌上靈活工作，需要一個較大功率的步進(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。因為單片機(jī)沒有辦法直接控制電機(jī)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(jī)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(jìn)電機(jī)工作，帶動自動門運(yùn)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(diǎn)。
1 自動門工作原理
基于步進(jìn)電機(jī)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。
MSP430單片機(jī)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(yīng)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(yīng)的輸出信號，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，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(jìn)電機(jī)做相應(yīng)的作動，帶動平開式自動門在導(dǎo)軌上運(yùn)動，自動門導(dǎo)軌的開門和關(guān)門極限位置上裝有行程開關(guān)，自動門運(yùn)動到極限位置觸碰行程開關(guān)后，行程開關(guān)將相應(yīng)的信號傳遞給MSP430單片機(jī)。
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(yīng)器HZKT002是一個全自動式感應(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，手動調(diào)節(jié)自動門的運(yùn)動速度。
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(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)動電源的各相輸入端，以驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動。
環(huán)形分配器主要有兩大類：一類是用計算機(jī)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(jìn)行放大，以達(dá)到驅(qū)動步進(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(jìn)電機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)速，還能通過簡單的邏輯信號控制電機(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功率芯片不會瞬間短路。
對SI-7600進(jìn)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(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(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對應(yīng)三相步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)的速度。當(dāng)正反轉(zhuǎn)信號為高電平時，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(yīng)良好，具有推廣價值。
參考文獻(xiàn)
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[5] 宰文姣.步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].煤礦機(jī)械，2013（7）：157-158.