摘 要： 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)。
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(huì)的發(fā)展，越來越多的公共場(chǎng)所，如銀行、商場(chǎng)、賓館、酒店、機(jī)場(chǎng)等的入口處，采用自動(dòng)門以方便行人的出入。目前市場(chǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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。
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)。
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(jiǎn)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。
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。
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(zhǎng)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。
參考文獻(xiàn)
[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.