【文章內(nèi)容簡介】 性能要求的 PLC（如 S7400）等。S7系列 PLC有專門的高速脈沖輸出端，可以方便的完成步進電機的控制。根據(jù)控制功能要求選 擇微型 PLC。微型PLC S7200系列可編程控制器主機分為 1240 點四檔，還有各種輸入和輸出擴展單元，這樣在增加 I/O 點數(shù)時，不必改變機型，可以通過擴展模塊實現(xiàn)，降低了經(jīng)濟投入。本課題設(shè)計的立體倉庫控制系統(tǒng)有輸入信號40個，輸出信號21個。所選 I/O 點不得低于61點，結(jié)合實際情況，考慮到經(jīng)濟實惠所選本系統(tǒng)所采用的PLC是西門子S7200 CPU226 DC24V，外加一個數(shù)字量擴展模塊EM223[1]。步進電動機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的角位移或直線位移的一種特殊電機。每輸入一個電脈沖信號電機就轉(zhuǎn)動一個角度，它的運動形式是步進式的，所以稱為步進電動機。又由于它輸入的是脈沖電流所以也叫脈沖電動機[14]。步進電動機在不需要變換的情況下，能直接將數(shù)字脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移或線位移，因此它很適合作為數(shù)字控制系統(tǒng)的伺服元件。此外，它還具有一系列的優(yōu)點，一是輸出角位移量或線位移量與其輸入的脈沖數(shù)成正比，而轉(zhuǎn)速或線速度與脈沖的頻率成正比，在負載能力范圍內(nèi)，這些關(guān)系不受電壓的大小、負載的大小、環(huán)境條件等外界各種因素的干擾。二是它每轉(zhuǎn)一周都有固定的步數(shù)，所以步進電動機在不失步的情況下運行，其步距誤差不會長期積累。三是控制性能好，它可以在開環(huán)系統(tǒng)中在很寬的范圍內(nèi)通過改變脈沖的頻率來調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速，并且能夠快速啟動制動和反轉(zhuǎn)。四是有些型式的步進電動機在停止供電的狀態(tài)下，還有定位轉(zhuǎn)矩，有些型式在停機后某些相繞組仍保持通電狀態(tài)，具有自鎖能力，不需要機械制動裝置等。當采用速度和位置檢測裝置后，它可構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。計算機技術(shù)、電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，給步進電動機的應(yīng)用開辟了廣闊的前景，應(yīng)用非常廣泛。如數(shù)控機床、繪圖機、自動記錄儀表、遙控裝置和航空系統(tǒng)等等，都大量使用步進電動機。圖32為三相反應(yīng)式步進電動機的徑向截面圖。定轉(zhuǎn)子鐵芯由硅鋼片疊壓而成，定子磁極為凸極式，磁極的極面上開有小齒。定子上有三套控制繞組，每一套有兩個串聯(lián)的集中控制繞組分別繞在徑向相對的兩個磁極上。每套繞組叫一相，三相繞組接成星形，所以定子磁極數(shù)通常為相數(shù)的兩倍，即2p=2m （p為極對數(shù)，m為相數(shù)）。轉(zhuǎn)子上沒有繞組，沿圓周也有均勻的小齒，其齒距和定子磁極上小齒的齒距必須相等，而且轉(zhuǎn)子的齒數(shù)有一定的限制。這種結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)點是制造簡便，精度易于保證，步距角可以做得較小，容易得到較高的啟動和運行頻率。圖32 步進電動機的結(jié)構(gòu)圖33是一臺三相反應(yīng)式步進電動機的原理圖。定子鐵芯為凸極式，共有三對（六個）磁極，每兩個相對的磁極上繞有一相控制繞組。轉(zhuǎn)子用軟磁性材料制成，也是凸極結(jié)構(gòu)，只有四個齒，齒寬等于定子的極靴寬。下面通過幾種基本的控制方式來說明其工作原理。圖33 步進電動機原理圖（1）三相單三拍通電方式當A相控制繞組通電，其余兩相均不通電，電機內(nèi)建立以定子A相極為軸線的磁場。由于磁通具有力圖走磁阻最小路徑的特點，使轉(zhuǎn)子齒3的軸線與定子A相極軸線對齊，如圖33(a)所示。若A相控制繞組斷電，B相控制繞組通電時，轉(zhuǎn)子在反應(yīng)轉(zhuǎn)矩的作用下，逆時針方向轉(zhuǎn)過30176。，使轉(zhuǎn)子齒4的軸線與定子B相極軸線對齊，即轉(zhuǎn)子走了一步，如圖33(b)所示。若再斷開B相使C相控制繞組通電轉(zhuǎn)子又轉(zhuǎn)過30176。，使轉(zhuǎn)子齒3的軸線與定子C相極軸線對齊，如圖33(c)所示。如此按ABCA的順序輪流通電，轉(zhuǎn)子就會一步一步地按逆時針方向轉(zhuǎn)動。其轉(zhuǎn)速取決于各相控制繞組通電與斷電的頻率，旋轉(zhuǎn)方向取決于控制繞組輪流通電的順序。若按ACBA的順序通電，則電機按順時針反方向轉(zhuǎn)動。上述通電方式稱為三相單三拍運行?！叭唷笔侵溉嗖竭M電動機每次只有一相控制繞組通電；控制繞組每改變一次通電方式稱為一拍，“三拍”是指經(jīng)過三次改變通電方式為一個循環(huán)。我們稱每一拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度為步距角常用θs來表示，三相單三拍運行時θs= 30176。（2）三相雙三拍通電方式控制繞組的通電方式為ABBCCAAB或ABCABCAB。每拍同時有兩相繞組通電，三拍為一個循環(huán)。當A、B兩相控制繞組同時通電時，轉(zhuǎn)子齒的位置應(yīng)同時考慮到兩對定子極的作用，只有A相極和B相極對轉(zhuǎn)子齒所產(chǎn)生的磁拉力相平衡，才是轉(zhuǎn)子的平衡位置，如圖34(a)所示。若下一拍為B、C兩相同時通電時，則轉(zhuǎn)子按逆時針轉(zhuǎn)過30176。到達新的平衡位置，如圖34(b)所示?？梢姡p三拍運行時的步距角仍是30176。但雙三拍運行時，每一拍總有一相繞組持續(xù)通電，例如由A 、B兩相通電變?yōu)锽、C兩相通電時，B相保持持續(xù)通電狀態(tài)，C相磁拉力力圖使轉(zhuǎn)子逆時針方向轉(zhuǎn)動，而B相磁拉力卻起有阻止轉(zhuǎn)子繼續(xù)向前轉(zhuǎn)動的作用，即起到一定的電磁阻尼作用，所以電機工作比較平穩(wěn)。 (a) (b)圖34 三相雙三拍運行方式由于步進電動機能直接接收數(shù)字量信號，所以被廣泛應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)中。較簡單的控制電路是利用一些數(shù)字邏輯單元組成，即采用硬件的方式。但要改變系統(tǒng)的控制功能，一般都要重新設(shè)計硬件電路，靈活性較差。以微型計算機為核心的計算機控制系統(tǒng)為步進電動機的控制開辟了新的途徑，利用計算機的軟件或軟、硬件相結(jié)合的方法能使系統(tǒng)的功能大大增強，同時也提高了系統(tǒng)的靈活性和可靠性。以步進電動機作為執(zhí)行元件的數(shù)字控制系統(tǒng)有開環(huán)和閉環(huán)兩種形式。（1）開環(huán)控制步進電動機系統(tǒng)的主要特點是能實現(xiàn)精確位移、精確定位，且無積累誤差。這是因為步進電動機的運動受輸入脈沖控制，其位移量是斷續(xù)的，總的位移量嚴格等于輸入的指令脈沖數(shù)或其平均轉(zhuǎn)速嚴格正比于輸入指令脈沖的頻率；若能準確控制輸入指令脈沖的數(shù)量或頻率，就能夠完成精確的位置或速度控制，無需系統(tǒng)的反饋，形成所謂的開環(huán)控制系統(tǒng)。步進電機的開環(huán)控制系統(tǒng)，由控制器（包括變頻信號源）、脈沖分配器、驅(qū)動電路及步進電動機四部分組成如圖35所示。開環(huán)控制系統(tǒng)的精度主要取決于步距角的精度和負載狀況。圖35 步進電動機開環(huán)控制原理框圖開環(huán)控制常常采用加減定位控制方式。因為步進電動機的啟動頻率要比連續(xù)運行頻率小，所以開環(huán)控制的脈沖指令頻率，只有小于電機的最大啟動頻率，電機才能成功啟動。若電動機的工作頻率總是低于最高啟動頻率，當然不會失步，但沒有充分發(fā)揮電機的潛力，工作速度太低。為此，常用加減速定位控制。電機開始以低于最高啟動頻率的某一頻率啟動，然后再逐步提高頻率，使電機逐步加速，到達最高運行頻率，電機高速轉(zhuǎn)動。在到達終點前，降頻使電機減速。這樣就可以既快又穩(wěn)地準確定位，如圖36所示。由于步進電動機的電磁轉(zhuǎn)矩受頻率影響較大，所以負載的加減速控制不能像普通電機那樣。為了實現(xiàn)加減速的最佳控制，往往是分段設(shè)計加速轉(zhuǎn)矩和加速時間，采用微機控制來實現(xiàn)。由于開環(huán)控制系統(tǒng)不需要反饋元件，結(jié)構(gòu)比較簡單、工作可靠、成本低。因而在數(shù)字控制系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。圖36 加減速定位過程（2）閉環(huán)控制系統(tǒng)在開環(huán)控制系統(tǒng)中，電機響應(yīng)控制指令后的實際運行情況，控制系統(tǒng)是無法預(yù)測和監(jiān)視的。在某些運行速度范圍寬、負載大小變化頻繁的場合，步進電動機很容易失步使整個系統(tǒng)趨于失控。另外，對于高精度的控制系統(tǒng)，采用開環(huán)控制往往滿足不了精度的要求。因此必須在控制回路中增加反饋環(huán)節(jié)，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖37所示。與開環(huán)系統(tǒng)相比多了一個由位置傳感器組成的反饋環(huán)節(jié)。將位置傳感器測出的負載實際位置與位置指令值相比較，用比較信號進行控制，不僅可防止失步，還能夠消除位置誤差提，高系統(tǒng)的精度。閉環(huán)控制系統(tǒng)的精度與步進電動機有關(guān)，但主要是取決于位置傳感器的精度。在數(shù)字位置隨動系統(tǒng)中，為了提高系統(tǒng)的工作速度和穩(wěn)定性，還有速度反饋內(nèi)環(huán)。圖37 步進電動機閉環(huán)系統(tǒng)原理框圖（1）位移與輸入脈沖信號的信號數(shù)相對應(yīng)，步距誤差不長期積累，可以組成結(jié)構(gòu)簡單且具有一定精度的開環(huán)控制系統(tǒng)，也可以在需要更高精度時組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。（2）速度可以在相當寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)。（3）易于起動、停止、正反轉(zhuǎn)及變速，快速響應(yīng)性能好。（4）具有自鎖的能力。當控制脈沖停止輸入且讓最后一個脈沖控制的繞組繼續(xù)通電時，電機可以保持在固定的位置上，即停在最后一個控制脈沖所控制的角位移的終點位置上。所以步進電機具有帶電自鎖能力。（5）步距角選擇的范圍大，可以在幾十角分至180176。范圍內(nèi)進行選擇。在小步距情況下，通?？梢栽诔退傧赂咿D(zhuǎn)矩穩(wěn)定運行，可以不經(jīng)減速器直接驅(qū)動負載。（6）電動機本身沒有電刷、轉(zhuǎn)子上沒有繞組，也不需要位置傳感器，可靠性高。與交直流電動機不同，僅僅接上供電電源，步進電機不會運行的。為了驅(qū)動步進電動機，必須由一個決定電動機速度和旋轉(zhuǎn)角度的脈沖發(fā)生器（在該立體倉庫控制系統(tǒng)中采用PLC作脈沖發(fā)生器進行位置控制）、一個使電動機繞組電流按規(guī)定次序通斷的脈沖分配器、一個保證電動機正常運行的功率放大器，以及一個直流功率電源等組成一個驅(qū)動系統(tǒng)，如圖38所示。圖 38 驅(qū)動系統(tǒng)示意圖在選擇步進電動機時首先考慮的是步進電動機的類型選擇，其次才是具體的品種選擇，在該立體倉庫控制系統(tǒng)中要求步進電動機電壓低、電流小、有定位轉(zhuǎn)矩和使用螺栓機構(gòu)的定位裝置，確定步進電動機采用2相8拍混合式步進電機；在進行步進電動機的品種選擇時，要綜合考慮速比i、軸向力F、負載轉(zhuǎn)矩、額定轉(zhuǎn)矩和運行頻率，以確定步進電機的具體規(guī)格和控制裝置。由于我們使用螺栓機構(gòu)的定位裝置，已知條件和要求條件為：移動部分總重 外