【導(dǎo)讀】單相交流異步電動(dòng)機(jī)和二相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng);控制，步進(jìn)電機(jī)由步進(jìn)驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行自動(dòng)控制。PLC控制，確定設(shè)計(jì)方案，完成各功能單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，參數(shù)計(jì)算和元件選擇。在現(xiàn)代的物流倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)中，自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)應(yīng)用日益廣泛。而堆垛機(jī)是立體倉(cāng)庫(kù)的關(guān)。究具有重要的理論和應(yīng)用價(jià)值。本文詳細(xì)闡述了本控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，以及提個(gè)系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)和。提高堆垛機(jī)的性能，本文采用了轉(zhuǎn)速、位置反饋的雙閉環(huán)控制，以滿(mǎn)足系統(tǒng)的調(diào)速要求。系統(tǒng)的水平認(rèn)址采用激光測(cè)距傳感器定位，垂直認(rèn)址采用光電開(kāi)關(guān)和認(rèn)址片組合定位。貨叉伸叉系統(tǒng)由S7-226PLC通過(guò)步進(jìn)電。動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器SH-20403控制二相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。

　　

【正文】 為 三 相橋式不可 控 整流 器 ， 逆變部分為 IGBT 三 相橋式逆變器 ， 且 輸出為 PWM 波 形 ， 中 問(wèn) 直 流環(huán)節(jié)為濾 波 、 直 流儲(chǔ) 能和緩 沖 無(wú)功率。主要特點(diǎn)如 下 : ① 通 過(guò) 改 變 變 頻器的輸出 頻率 實(shí) 現(xiàn)對(duì) 異 步電 動(dòng) 機(jī)的調(diào)速控制。 ② 在 利 用 變頻 器 進(jìn) 行 調(diào)速控制時(shí) ， 只需 改變變頻器內(nèi)部逆變電路換流器件的開(kāi) 關(guān) 順 序即可達(dá) 到 對(duì)輸出進(jìn)行換向 的 目 的 ， 不 需 要 設(shè)置專(zhuān)門(mén)的切換裝 置 。 ③高速驅(qū)動(dòng)是變頻器調(diào)速控 制 的 一 個(gè)顯著 優(yōu) 點(diǎn)。 ④如果 變 頻器的 容 量 允許的話，可以使用 一 臺(tái)變頗器同時(shí)驅(qū)動(dòng)多臺(tái)電機(jī)。 ⑤ 采用變 頻 器 對(duì) 異 步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)時(shí)，由于 可 以 將輸出 頻率降至一個(gè) 很 小的值起 動(dòng) ， 電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流很小，對(duì)電機(jī)會(huì)起到較好的保護(hù)作用。 (2)變頻器的分類(lèi) 按照 、主 電 路 工 作方式進(jìn)行分類(lèi)，變頻器可以分為電壓型變頻器和電流型變頻器。電壓 型變 頻 器的 特 點(diǎn) 是 將 直 流電壓源轉(zhuǎn)換為交流電 源 ， 而電流型 變 頻器的特 點(diǎn) 則是將直流電流 源轉(zhuǎn)換為交流電源。 ①電壓型變頻器。 在 電 壓 型變頻 器 中，整流電路或者斬 波電路 產(chǎn) 生 逆變電路 所 需要 的 直 流 電 壓 ， 并通過(guò)中間電路的電容進(jìn)行平滑后輸 出 。 整流電路 和 直 流 中 間電路起直流電 壓源的作 用 ， 而 電 壓 源 輸 出 的 直 流 電壓，在逆變 電 路 中 被轉(zhuǎn)換 為 具 有所需頻率的交流電壓。 在 電壓型變頻器中，由于 能 量 回 饋 給 直 流中間電路的電容，并 使 直 流電壓上 升 ， 還 需要有 專(zhuān)用的放電電 路 ， 以 防 止 換流器 件 因電 壓 過(guò) 高 而被破 壞 。 ②電流型變頻器 。 在電流 型 變頻、器 中 ， 整流電路給 出 直 流電 流 ， 并 通 過(guò) 中 問(wèn)電路的 電抗將電流 進(jìn) 行 平 滑后輸出。整流電路 和 直 流中間電路起電流源的作用 ， 而 電流源輸出的 統(tǒng)。系統(tǒng)方框圖如圖 所 示 ， n g 為速度給 定 量 ， UK 為 PLC 輸出的控 制 量 ， u 為 變 頻器 第 15 頁(yè) 畢 業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō) 明書(shū) 交流電流在逆變電路中被轉(zhuǎn)換為所需要的交流電 流 ， 并 被 分配給各輸出 相 后 作 為交流電流 提供給電動(dòng) 機(jī) 。 在 電流型變頻器 中 ， 電動(dòng)機(jī)定子電壓的控制是通過(guò)檢測(cè)電壓后對(duì)電流進(jìn)行 控制的方式實(shí)現(xiàn) 的 。 (4)變頻器的選型 本文根據(jù)綜合考慮、選擇四門(mén)子 則 440 變頻 器 ， 則 440 型使用 P ID 控制 器 ， 具 PID 微 調(diào) 等功 能 ， 刷 440 可用于 矢 22:控 制 ， 可以實(shí)現(xiàn)向性能的應(yīng)用，帶內(nèi)置制動(dòng)單 元 ， 可以快速制 動(dòng)。 M\4410 變頗器各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)如 下 : 輸入 電 ffi: 3 相 380VAC， 50Hz。 輸入電 流 : 。 輸山功 率 : O. 75KW。 輸出電 壓 : 3 相 (0380)VAC 可 訓(xùn) 。 輸出頗 率 : (0650) IIz 可調(diào)。 輸山電 流 : 2. 1 A 。 輸出控 制 : 變頻器由微機(jī)處理器控制絕緣柵雙極型晶體管 (IGBT) 的脈沖寬度調(diào)制 頻 率 ， 實(shí) 現(xiàn) 輸 出電莊、頻率可調(diào)。 控制作 用 : V j F ， 矢 量 一 轉(zhuǎn) 矩 、光電 編 碼器反 饋 的 速 度 控 制 等 。 數(shù) 字童 輸 入 : 6路帶隔離的 數(shù) 字 量 輸 入 。 數(shù) 字量輸 出 : 8 路繼電器 輸 出。 模擬量輸 入 : 2 路 (010) V模擬量輸 入 。 模 擬 量 輸 出 : 2路 (020) mA模 擬 量 輸 出 。 通訊 接 口 : RS485 通 訊 、 USS 協(xié)議。 操作功 能 : AOP 盤(pán) 、 BOP 控制 盤(pán) 、 電位 器 與 外 接 端子操作。 水平方向變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 水 平 行走電機(jī)采用 220W 的 三 相交流異步電動(dòng)機(jī)，運(yùn)行速度要求為 2rn/min360m/min， 系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制方 式 。 S7200PLC 的模 擬 童 輸 出 信號(hào) UK 作為 MM440 變頻器的模擬 量 輸 入 ， 來(lái)控制變頻器輸出頻率和輸出 電 壓 的變化，從而控 制 三 相 異 步電動(dòng)機(jī)的運(yùn) 行 : 電 動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速由光電編碼器檢測(cè)并反饋到 PLC 得 高 速計(jì)數(shù)口 ，構(gòu)成閉環(huán) 變 頻調(diào)速系 第 16 頁(yè) 畢 業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō) 明書(shū) 輸出 電 壓 ， n為 被控室，控制算法為 PID。 生 PLC 控制器 ( PID 算法 ) 變頻器 主 電 路 ( IGBT 逆變器 ) 擾動(dòng) U I 三 相異步 電動(dòng)機(jī) (負(fù) 載系統(tǒng) ) 光電編碼器反饋 圖 PLC 變頻調(diào)速閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 (1)運(yùn)用指令系統(tǒng)中的 PID 指令， 偏 差 信 號(hào)按照 PID 算 法 計(jì) 算出控制 量 ， 用傳送指 令 輸出 電 壓 控 制 量 到變頻器的模擬量輸入 AINl 口 。 (2)運(yùn)用 指 令系統(tǒng)中的 HDEF、 HSC 指令， 進(jìn) 行高速 計(jì) 數(shù) 中 斷 程 序設(shè) 計(jì) ， 高 速計(jì)數(shù) 器設(shè)為 HSCO 和 模 式 9， 曾計(jì) 數(shù) ，實(shí)時(shí) 采 集并存 儲(chǔ) 光電編碼器反饋的 A、 B 兩 相 正 交 脈沖 數(shù) 。 (3) 在 上 位 機(jī) 監(jiān) 控系統(tǒng) 中 ， 實(shí) 時(shí) 測(cè)取系統(tǒng)各參數(shù)和輸出特 性 ， 并能在 上 /下 位機(jī)進(jìn) 行 系統(tǒng)控制。 (4) 采用模塊 化 程序 結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì)出控制 程 序 ， 包括主程 序 、子 程 序 和 中斷程序。 采用帶傳感器矢量控制閉環(huán)調(diào) 速 ， 能滿(mǎn)足像堆垛機(jī)這 樣 29]態(tài) 特性要求較 高 ， 并且在低 頻時(shí)輸出高轉(zhuǎn)矩以及轉(zhuǎn)速精 度要求較高的場(chǎng)合。由于堆垛機(jī) 在 工 作過(guò)程中是頻繁啟動(dòng)和停 車(chē)的 ， 在高速運(yùn)行的狀態(tài)下還要 求 1237。U朵 機(jī)能夠快速精準(zhǔn)地停在 H的 地 ，怵 |此 在 237。 IJ動(dòng)方面采 用了動(dòng)能制 動(dòng) ， 將 電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在發(fā)電狀態(tài)下所 恒 l饋的能量 。消耗在制動(dòng)電阻 中 ， 從 而達(dá)到快 速 停 車(chē) 的 目 的 。 根據(jù)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求 ， 三 相異步電動(dòng)機(jī)采用泰安伊萬(wàn)福電機(jī)有限公司生 產(chǎn) 的 烏系列乓 6322 型電機(jī)， 額 定 功 率 300W，額定電流 ， 額定電壓 380V ， 額定頻率 50Hz， 轉(zhuǎn) 速 2720r/n249。n ， 功 率因數(shù) 。 第 [7 頁(yè) 參數(shù)號(hào) 設(shè)定值 功能說(shuō)明 P0003 3 專(zhuān)家模 式 ， 使能 讀 /寫(xiě)所有參數(shù) P0004 全參數(shù) P0700 2 外部按鈕或上位機(jī)啟 動(dòng) /停止系統(tǒng) PI000 2 上位機(jī)或 PLC 程序給 定 設(shè) 定 P1300 帶磁通電流的 V/f 控制方式 P2021 6 通訊波特率設(shè)為 9600 P2021 MM440 變頻器通訊地址 畢 業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō) 明書(shū) 變頻器參數(shù)設(shè)定如表 24 所 示 。 表 24 變頻器參數(shù)設(shè)定 。 。 垂直方向變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 垂直運(yùn) 行電動(dòng)機(jī)采用 200W 的單向交流異步電動(dòng)機(jī) ， 運(yùn)行速度要求為 2m1mjn80mJmin。 垂 直方向變頻調(diào)速系統(tǒng) 與 水平方向 變 頻調(diào)速 系 統(tǒng)結(jié)構(gòu)相 似 ， 但是由于單 相異步電動(dòng)機(jī)和三相異步電動(dòng)機(jī) 有 所區(qū)別，所以 垂 直 變頻調(diào)速系統(tǒng)和 水 平 變頻調(diào)速系 統(tǒng) 也 有 不同的地 方 。 從結(jié) 構(gòu) 上 看 單相異步電動(dòng)機(jī) 與 三 相籠型異步電動(dòng)機(jī)相似，其轉(zhuǎn)子也為籠型 ， 只是釘子 繞組為單 相 工 作繞組，但通常為起動(dòng)的需 要 ， 定 子 上除 了 工 作繞組外，還 設(shè) 有 起動(dòng)繞組， 它的作用是產(chǎn)生起動(dòng)轉(zhuǎn)矩 ， 一 般只在起動(dòng)時(shí)接 入 ， 當(dāng) 轉(zhuǎn)速達(dá)到 70%80%的同步轉(zhuǎn)速 時(shí) ， 由 離心開(kāi)關(guān)將其從電源自動(dòng)切除，所以正 常 工 作時(shí)只有工作繞組在電源上運(yùn)行。但也 有 一 些 電容或電阻電動(dòng)機(jī)，在運(yùn)行時(shí)將起動(dòng)繞組接于電源上，這實(shí)質(zhì)上 相 當(dāng) 于 一 臺(tái) 兩 相電機(jī) ， 但 由于它接在單相電源上，故稱(chēng)為單相異步電動(dòng)機(jī)。圖 是電容分組式 單 相 異步 電 動(dòng)機(jī)原 3里圖。 單相異 步 電動(dòng)機(jī)的突出特 點(diǎn) 是沒(méi)有啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩 和 固 定 的轉(zhuǎn)向。為此要 設(shè) 置 啟 動(dòng) 裝置 ， 以 及電機(jī)中產(chǎn) 生 一 個(gè)與主磁場(chǎng)在空間和時(shí)間上不同相得磁場(chǎng)，從而形 成 一 定大小的旋轉(zhuǎn) 磁場(chǎng) 以 產(chǎn)生啟 動(dòng) 轉(zhuǎn) 矩 。 單相異步電動(dòng)機(jī)因有 反 轉(zhuǎn) 轉(zhuǎn) 矩 ， 與 相 同 容 量 的 三 相異 步 電 機(jī)比較 ， 具 有 勵(lì)磁電 流 大 、 功率因數(shù)低、過(guò)載能力 小 、 效率也比較低等缺 點(diǎn) 。 但因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方 便 ， 使數(shù) 瓦 至 三 百瓦左右的小功率電機(jī)得 以 廣 泛采用。 第 [8 頁(yè) 。 畢 業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō) 明書(shū) OJ J C ① 圖 電容分組式單相異步電 動(dòng) 機(jī)原理圖 l 一 工作繞 組 。2一起動(dòng)繞組 K一 離 心 式 開(kāi) 關(guān) 。C一 電容器 單 相交流電動(dòng)機(jī) 的變頻調(diào) 速 與三相交流電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速不同， 將 單 相 220V 輸入、 三 相輸出的變頻器 的 三 個(gè)輸出端子 (U、 V、 W )，接任意兩 端 。 輸出單相變頻調(diào)速電源在 輸出端上串 上 一 個(gè)足夠電感 聾的電 感 ， 用 于 隔離電動(dòng)機(jī)電容對(duì)變頻器的危害作用 (同時(shí)對(duì) 變頻器的高載波率起到 一 定的濾波作用 )， 并保護(hù)電動(dòng)機(jī)電容，此電路只適用于 小 功 率 單 相電容運(yùn)轉(zhuǎn)式 和 罩 極式電動(dòng) 機(jī) ， 不適用 于帶 離 心 開(kāi) 關(guān) 的單相電動(dòng) 機(jī) 。 另外，變頻器的輸出 電 壓 ， 和電動(dòng)機(jī)的輸出電壓相匹 配 ， 變頻器要留有足夠的容量 :(應(yīng)比電動(dòng)機(jī)的使用功率 大 三 倍 )。串聯(lián)的電感要有足夠的電感 量 和通過(guò)電流的流 量 ， 電 感 的磁性材料 應(yīng) 與 變 頻器的載 波 率相匹配。 根據(jù)控制系統(tǒng)的性能指 標(biāo) 要 求 ， 單 相 異 步電 動(dòng) 機(jī)選用 許 昌 萬(wàn)通電機(jī)制造有限公司 生 產(chǎn) 的 YY7112型 電機(jī)，額定功率 250W，額 定 電流 ，效率 67， 功率因數(shù) ，額定轉(zhuǎn) 速 2800，堵轉(zhuǎn)電流 lOA，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩 額 定轉(zhuǎn) 矩 ， 最大轉(zhuǎn)矩額 定 轉(zhuǎn)矩 變 頻器和單相電容式 運(yùn) 轉(zhuǎn) 電 動(dòng) 機(jī)的接線 如 圖 示。 第 [9 頁(yè) / / ( 畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō) 明書(shū) 變頻調(diào)速器 。 o 0 R S U V IV 單相電容式 運(yùn)轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī) 圖 變頻器 與 單 柑電容式運(yùn)轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的接線圖 堆垛機(jī)貨叉控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 是 一 種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。步進(jìn)電 機(jī) 定 子 的各相繞組按照 一 定的順序通電、斷 電 ， 從而帶動(dòng)轉(zhuǎn)子按既定的方 向 一 步 一 步轉(zhuǎn)動(dòng)固定的角度，這個(gè)角度 被稱(chēng)為 步距角 ， 通常用 θ表示。步進(jìn) 電 機(jī)的轉(zhuǎn) 子 上 均勻的分布著許多小齒，相鄰的兩個(gè) 小齒的中心線間的 角 度稱(chēng)為齒距角 ψ(ψ = 3600 轉(zhuǎn)動(dòng)齒數(shù) )。對(duì)于 m 相 n 拍 的步進(jìn)電機(jī)來(lái)說(shuō)， 則 轉(zhuǎn)子走過(guò)了 n 個(gè)步距角 θ，所以步距角 θ=ψ/n = 3600 轉(zhuǎn)子步 數(shù) xn) ( 21 ) 本文選用的 S7226 型 PLC 可以通過(guò) 和 兩個(gè)輸出端輸出脈沖串 CPTO)和 脈寬調(diào)制 (PWM)。 本文邊 用 PTO控制方 式 ， 所以 PLC 的輸出端 用做高頻脈沖輸出 端 ， 電機(jī)選用森創(chuàng)兩相混合式電動(dòng)機(jī) 42BYG， 步距角 為 (整 步 )/ (半 步 )，該電機(jī)使用 配套的 SH20403 兩 相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器。圖 是步 進(jìn)電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)器的接線 圖。 二 相 混 合 式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的特點(diǎn) 是 :恒 流控制，極低的電源損 耗 ， 極 高 的開(kāi)關(guān)頻 率，驅(qū)動(dòng)電流和細(xì)分?jǐn)?shù)可由撥碼開(kāi)關(guān)設(shè)定，并具有半流鎖定功 能 ， 脫機(jī)控制功能， 所 有 輸 入 信號(hào)與功率放大部分光電隔離。 第 20 頁(yè) 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 公共端 24VDC 1 \ \ 脈沖 信 號(hào) PLC 貨叉方向 改變信號(hào) \ \ AAAAnnunD+