基于步进电机的自动门系统设计

摘 要： 本自动门控制系统采用MSP430单片机作为控制器，SI-7600作为脉冲分配器，将直流电信号转变成脉冲信号，然后用分立元件搭建的功率放大电路将脉冲信号放大，驱动三相三线式的混合式步进电机（57HS350B），带动自动门工作。用红外感应器HZKT002检测有无行人通过自动门，并配合行程开关控制自动门的开关动作。自动门具有手动和自动两种工作状态。开关门的速度可以根据需要手动调节。

0 引言

随着社会的发展，越来越多的公共场所，如银行、商场、宾馆、酒店、机场等的入口处，采用自动门以方便行人的出入。目前市场上使用的自动门多采用PLC作为主控制器，价格较高。

本文采用单片机作为控制器实现的步进电机自动门控制系统，物美价廉，工作效率高，省电，开关门的速度可高低调节，扭力大，能连续工作，不发烫，保证自动门的长时间稳定工作，性能大大优于其他形式的自动门控制系统，具有广阔的应用前景[1-2]。

自动门的重量一般在数公斤到数十公斤之间，要想带动它们在导轨上灵活工作，需要一个较大功率的步进电机。本文选用三相三线式混合式步进电机（57HS350B），其工作电压为24 V，电流为5.8 A，而MSP430单片机的最大灌电流为30 mA。因为单片机没有办法直接控制电机工作，需要驱动电路，因此驱动电路的性能决定了自动门的工作性能。采用分立元件搭建驱动电路，带动自动门工作。用MSP430单片机作为主控制器，静态工作电流小，适合长时间工作，搭建驱动电流，驱动步进电机工作，带动自动门运动，这是目前自动门控制中较为领先的尝试，是本文的创新点。

1 自动门工作原理

基于步进电机的自动门系统由9个部分组成，各个部分间的连接情况如图1所示。

MSP430单片机是系统的控制器，也是整个系统的中心模块，它接收手动开关门按钮、速度调节按钮、红外感应器HZKT002[3]和行程开关传递过来的信号，经过分析处理后，将具体的动作命令转换成相应的输出信号，传递给脉冲分配器，转换成能控制步进电机工作的脉冲信号，此脉冲信号再输送给分立元件驱动电路，信号经放大后，驱动57HS350B步进电机做相应的作动，带动平开式自动门在导轨上运动，自动门导轨的开门和关门极限位置上装有行程开关，自动门运动到极限位置触碰行程开关后，行程开关将相应的信号传递给MSP430单片机。

自动门分手动和自动两种工作状态：传感器正常工作时为自动工作状态；传感器失灵时，可以用手动开关门按钮控制自动门的开、关工作。

红外感应器HZKT002是一个全自动式感应器，感应范围为0.5 m~7 m，可以根据需要自己调节感应范围。当人体进入感应范围后，输出高电平；当人体离开感应范围后输出低电平。其工作电流为微安级别，所以可以直接与单片机相连。

系统中，设置了速度调节按钮，可以根据不同的需求，手动调节自动门的运动速度。

2 步进电机控制脉冲分配电路

步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线或角位移的执行元件，它不能直接接到交直流电源上，必须使用专用的器件，将直流电源信号转换成电脉冲信号。典型步进电机控制系统如图2所示。控制器可以发出频率从几赫兹到几十千赫兹不等的脉冲，且脉冲频率可以连续变化。它为环形分配器提供脉冲序列。环形分配器的主要功能是把来自控制环节的脉冲序列按一定的规律分配后，经过功率放大器的放大加到步进电机驱动电源的各相输入端，以驱动步进电机的转动。

环形分配器主要有两大类：一类是用计算机软件设计的方法实现环形分配器要求的功能，通常称为软环形分配器；另一类是用硬件构成的环形分配器，通常称为硬环形分配器。功率放大器主要对环形分配器的较小输出信号进行放大，以达到驱动步进电机的目的。本系统采用三相三线式的混合式步进电机（57HS350B），由于软环形分配器不稳定、易受外部干扰，故本系统采用硬环形分配器[5]。

三相步进电机控制器是针对混合式三相步进电机的控制系统，主要由指令控制模块，脉冲分配模块和功率驱动模块构成。脉冲分配模块采用日本三肯公司的集成芯片SI-7600，该芯片能将输入的时钟信号分配成六路脉冲控制后级的功率驱动模块产生三相步进电机的工作时序。不仅能通过改变该芯片的时钟频率来控制电机的转速，还能通过简单的逻辑信号控制电机的正反转和保持。该芯片内置的死区生成器可以有效保证同组的两个功率芯片不会瞬间短路。

对SI-7600进行操作时，需先弄清楚其时序，图3为SI-7600的时序图。

图3所示的时序图包括让电机工作在单三拍（2-phase excation）模式和三相六拍（2-3phase excitation）模式。输出信号OHA、OHB、OHC、OLA、OLB、OLC六路信号输送到分立元件功率放大电路。

3分立元件功率放大电路

分立元件功率放大电路由NMOS、PMOS搭建的3个半桥组成[4]，如图4所示。

对第一段单三拍上升沿触发和反转工作模式下的输出进行一下分析，其中输出的绕阻u，v，w对应三相步进电机的三个绕阻。在该段时间的各个输出如表1所示。

输出的顺序为u-w-v-u，正好是步进电机工作在三相单三拍的激励方式。改变图3中时钟的频率就可以调节步进电机的速度。当正反转信号为高电平时，电机反转；反之电机正转。

4 结论

本文提出的基于步进电机的平开式自动门系统设计，价格低，性能好，能长时间稳定工作，已经做出实物模型，在试用过程中，反应良好，具有推广价值。