【正文】 器、驅(qū)動(dòng)電路及步進(jìn)電動(dòng)機(jī)四部分組成如圖35所示。（1）開(kāi)環(huán)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)精確位移、精確定位，且無(wú)積累誤差。以微型計(jì)算機(jī)為核心的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制開(kāi)辟了新的途徑，利用計(jì)算機(jī)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(qiáng)，同時(shí)也提高了系統(tǒng)的靈活性和可靠性。較簡(jiǎn)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。但雙三拍運(yùn)行時(shí)，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(shí)，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(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，而B(niǎo)相磁拉力卻起有阻止轉(zhuǎn)子繼續(xù)向前轉(zhuǎn)動(dòng)的作用，即起到一定的電磁阻尼作用，所以電機(jī)工作比較平穩(wěn)。到達(dá)新的平衡位置，如圖34(b)所示。當(dāng)A、B兩相控制繞組同時(shí)通電時(shí)，轉(zhuǎn)子齒的位置應(yīng)同時(shí)考慮到兩對(duì)定子極的作用，只有A相極和B相極對(duì)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。（2）三相雙三拍通電方式控制繞組的通電方式為ABBCCAAB或ABCABCAB?！叭唷笔侵溉嗖竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)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(chēng)為一拍，“三拍”是指經(jīng)過(guò)三次改變通電方式為一個(gè)循環(huán)。若按ACBA的順序通電，則電機(jī)按順時(shí)針?lè)捶较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。如此按ABCA的順序輪流通電，轉(zhuǎn)子就會(huì)一步一步地按逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。若再斷開(kāi)B相使C相控制繞組通電轉(zhuǎn)子又轉(zhuǎn)過(guò)30176。若A相控制繞組斷電，B相控制繞組通電時(shí)，轉(zhuǎn)子在反應(yīng)轉(zhuǎn)矩的作用下，逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)過(guò)30176。圖33 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)原理圖（1）三相單三拍通電方式當(dāng)A相控制繞組通電，其余兩相均不通電，電機(jī)內(nèi)建立以定子A相極為軸線的磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)子用軟磁性材料制成，也是凸極結(jié)構(gòu)，只有四個(gè)齒，齒寬等于定子的極靴寬。圖32 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)圖33是一臺(tái)三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的原理圖。轉(zhuǎn)子上沒(méi)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。定子上有三套控制繞組，每一套有兩個(gè)串聯(lián)的集中控制繞組分別繞在徑向相對(duì)的兩個(gè)磁極上。圖32為三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的徑向截面圖。計(jì)算機(jī)技術(shù)、電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用開(kāi)辟了廣闊的前景，應(yīng)用非常廣泛。四是有些型式的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在停止供電的狀態(tài)下，還有定位轉(zhuǎn)矩，有些型式在停機(jī)后某些相繞組仍保持通電狀態(tài)，具有自鎖能力，不需要機(jī)械制動(dòng)裝置等。二是它每轉(zhuǎn)一周都有固定的步數(shù)，所以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在不失步的情況下運(yùn)行，其步距誤差不會(huì)長(zhǎng)期積累。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在不需要變換的情況下，能直接將數(shù)字脈沖信號(hào)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。每輸入一個(gè)電脈沖信號(hào)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，它的運(yùn)動(dòng)形式是步進(jìn)式的，所以稱(chēng)為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。所選 I/O 點(diǎn)不得低于61點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際情況，考慮到經(jīng)濟(jì)實(shí)惠所選本系統(tǒng)所采用的PLC是西門(mén)子S7200 CPU226 DC24V，外加一個(gè)數(shù)字量擴(kuò)展模塊EM223[1]。微型PLC S7200系列可編程控制器主機(jī)分為 1240 點(diǎn)四檔，還有各種輸入和輸出擴(kuò)展單元，這樣在增加 I/O 點(diǎn)數(shù)時(shí)，不必改變機(jī)型，可以通過(guò)擴(kuò)展模塊實(shí)現(xiàn)，降低了經(jīng)濟(jì)投入。S7系列 PLC有專(zhuān)門(mén)的高速脈沖輸出端，可以方便的完成步進(jìn)電機(jī)的控制。西門(mén)子S7系列PLC體積小、速度快、 標(biāo)準(zhǔn)化，具有網(wǎng)絡(luò)通信能力，功能更強(qiáng)，可靠性更高。根據(jù)所控制的 執(zhí)行機(jī)構(gòu)電源電壓及功率來(lái)決定輸出觸點(diǎn)類(lèi)型，如果系統(tǒng)里有需要用到高速脈沖 輸出控制步進(jìn)電機(jī)或伺服系統(tǒng)時(shí)，一定要選擇晶體管輸出類(lèi)型。經(jīng) 過(guò)估算本設(shè)計(jì)中需要輸入端口40個(gè)，輸出端口 21個(gè)。（2）輸入輸出點(diǎn)數(shù)：所謂的輸入輸出點(diǎn)數(shù)指的是整個(gè)控制系統(tǒng)需要用到的 PLC的輸入點(diǎn)個(gè)數(shù)和輸出點(diǎn)個(gè)數(shù)。 PLC 機(jī)型的選擇（1）輸入電源電壓：24VDC 還是 220VAC，根據(jù)供電系統(tǒng)電壓來(lái)選擇，一般來(lái)說(shuō)，不建議直接從動(dòng)力電源直接取電，最好用隔離變壓器把動(dòng)力電源和控制電源隔離開(kāi)來(lái)，同時(shí)做好濾波等抗干擾措施。通過(guò)軟件對(duì)PLC內(nèi)部的性能和功能進(jìn)行診斷是內(nèi)診斷，通過(guò)軟件對(duì)PLC的CPU與外部輸入輸出等部件信息交換功能進(jìn)行診斷是外診斷。（3）診斷功能PLC的診斷功能包括硬件和軟件的診斷。這種方式成本較高，但系統(tǒng)調(diào)試和操作方便，在大中型PLC中常采用。離線編程方式可降低系統(tǒng)成本，但使用和調(diào)試不方便。（2）編程功能離線編程方式：PLC和編程器公用一個(gè)CPU，編程器在編程模式時(shí)，CPU只為編程器提供服務(wù)，不對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制。根據(jù)本課題所設(shè)計(jì)的自動(dòng)門(mén)控制的需要，主要介紹以下幾種功能的選擇[4]。 （6）系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試、維修工作量少，維修方便。 （4）配套齊全，使用方便。 （2）功能強(qiáng)大，性?xún)r(jià)比高。電源部件是把交流電轉(zhuǎn)換成直流電源的裝置，它向PLC提供所需的高質(zhì)量直流電源。（2）中央處理單元 （3）電源部件中央處理器單元包括微處理器、系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器和用戶(hù)程序存儲(chǔ)器。 （1）輸入/輸出模塊在PLC中，CPU是通過(guò)輸入/輸出模塊與外界連接的。圖 31 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖可編程控制器的基本結(jié)構(gòu)由輸入/輸出模塊、中央處理單元、電源部件和編 程器等組成。第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)本課題設(shè)計(jì)采用的是運(yùn)用 PLC ,而且檢修起來(lái)較為方便。第三節(jié)講述了PLC的優(yōu)點(diǎn)和選擇PLC進(jìn)行控制的原因。主要由貨物儲(chǔ)存系統(tǒng)、貨物存取和傳送系統(tǒng)、控制和管理等三大系統(tǒng)所組成。立體倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試的主要步驟，如圖24所示：圖24 課題設(shè)計(jì)步驟本章圍繞系統(tǒng)方案的確定，首先對(duì)自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹。（6）將程序輸入PLC進(jìn)行軟件測(cè)試，查找錯(cuò)誤，使系統(tǒng)程序更加完善。（4）分配I/O點(diǎn)，分配PLC的輸入輸出點(diǎn)，編制出輸入輸出分配表或者輸入輸出端子的接線圖。根據(jù)立體倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)的功能要求，確定系統(tǒng)所需的用戶(hù)輸入、輸出設(shè)備。表23立體倉(cāng)庫(kù)具體參數(shù)：出/入貨柜臺(tái)最重物品20Kg每個(gè)倉(cāng)位的高度4．5CM倉(cāng)位的上下距離0．5CM倉(cāng)位的平行距0．5CM倉(cāng)位的體積4 M3可編程控制器（PLC）電源24V DC堆垛機(jī)電源220V AC,50Hz在立體倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中主要要考慮以下幾點(diǎn)：（1）深入了解和分析立體倉(cāng)庫(kù)的工藝條件和控制要求。選擇 PLC是因?yàn)樗姆€(wěn)定性比單純的使用單片機(jī)要穩(wěn)定的多，所能實(shí)現(xiàn)的功能也強(qiáng)大的多。其控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單，更改容易，施工周期短；系統(tǒng)維護(hù)容易。 采用 PLC 控制立體倉(cāng)庫(kù)的優(yōu)點(diǎn)PLC 的應(yīng)用非常廣泛，按PLC編程功能可分為 4 大類(lèi)[2]：開(kāi)關(guān)量順序控制、通信功能、模擬量控制、運(yùn)動(dòng)控制。（4）取貨和送貨指令完成后，機(jī)構(gòu)自動(dòng)返回原來(lái)位置。 （3）當(dāng)取貨的時(shí)候，選擇欲取貨物的倉(cāng)位號(hào)后，按動(dòng)取貨按鈕后，在控制面板的數(shù)碼管里顯示出來(lái)，堆垛機(jī)可以自動(dòng)將貨物取出。若被指定的倉(cāng)位號(hào)里有貨物，則送貨命令不被執(zhí)行。 （2）當(dāng)送貨的時(shí)候，選擇欲送貨物的倉(cāng)位號(hào)，按動(dòng)倉(cāng)位號(hào)對(duì)應(yīng)的按鈕，控制面板數(shù)碼管顯示倉(cāng)位號(hào)。系統(tǒng)控制面板如下圖22所示： 圖 22 控制面板因此本課題設(shè)計(jì)的具體控制功能如下： （1）將選擇開(kāi)關(guān)置于自動(dòng)位置，通電狀態(tài)下，各機(jī)構(gòu)復(fù)位，即返回零位。 立體倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)的功能圖21 立體倉(cāng)庫(kù)模型圖在此設(shè)計(jì)的立體倉(cāng)庫(kù)需要滿足一下功能：（1）堆垛機(jī)（機(jī)械手）要有三個(gè)自由度，即：前進(jìn)、后退；上、下；左、右；（2）堆垛機(jī)的運(yùn)動(dòng)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)；（3）堆垛機(jī)前進(jìn)（或后退）運(yùn)動(dòng)和上（或下）運(yùn)動(dòng)可同時(shí)進(jìn)行；（4）堆垛機(jī)前進(jìn)、后退和上、下運(yùn)動(dòng)時(shí)必須有超限位保護(hù)；（5）每個(gè)倉(cāng)位必須有檢測(cè)裝置（微動(dòng)開(kāi)關(guān)），當(dāng)操作有誤時(shí)發(fā)出錯(cuò)誤報(bào)警信號(hào)；（6）當(dāng)按完倉(cāng)位號(hào)后，沒(méi)按入或取前，可以按取消鍵進(jìn)行取消該操作。貨物存儲(chǔ)系統(tǒng)由立體貨架的貨格(托盤(pán)或貨箱)組成，貨架按照排、列、層組合而成立體倉(cāng)庫(kù)儲(chǔ)存系統(tǒng)；貨物存取和傳送系統(tǒng)承擔(dān)貨物存取、出入倉(cāng)庫(kù)的功能，它由有軌或無(wú)軌堆垛機(jī)、出入庫(kù)輸送機(jī)、裝卸機(jī)械等組成；自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)視情況不同采取不同的控制方式：有的倉(cāng)庫(kù)只采取對(duì)存取堆垛機(jī)、出入庫(kù)輸送機(jī)的單臺(tái) PLC 控制，機(jī)與機(jī)無(wú)聯(lián)系；有的倉(cāng)庫(kù)對(duì)各單臺(tái)機(jī)械進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)控制。自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)是機(jī)械和電氣、強(qiáng)電控制和弱電控制相結(jié)合的產(chǎn)品。立體倉(cāng)庫(kù)發(fā)展速度越來(lái)越快，采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制管理而利于企業(yè)實(shí)施現(xiàn)代化管理等特點(diǎn)，已成為企業(yè)物流和生產(chǎn)管理不可缺少的倉(cāng)儲(chǔ)技術(shù)，越來(lái)越受到企業(yè)的重視。因此，進(jìn)行立體倉(cāng)庫(kù)的PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可以推動(dòng)機(jī)械手行業(yè)的發(fā)展，擴(kuò)大PLC在自動(dòng)控制領(lǐng)域的應(yīng)用，具有一定的經(jīng)濟(jì)和理論研究的價(jià)值。PLC作為工業(yè)自動(dòng)化三大支柱的重要一部分，因?yàn)槠淇煽啃愿?、抗干擾能力強(qiáng)、設(shè)計(jì)安裝容易等特點(diǎn)而被廣泛的應(yīng)用于自動(dòng)化控制的各個(gè)領(lǐng)域。該系統(tǒng)要能夠?qū)崿F(xiàn)手動(dòng)和自動(dòng)兩種工作模式，通過(guò)鍵盤(pán)可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制。電氣控制部分由西門(mén)子生產(chǎn)的S7200型的可編程控制器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、各種位置電磁傳感器和一些低壓電器元件組成。 本課題設(shè)計(jì)內(nèi)容本設(shè)計(jì)用西門(mén)子S7200系列的控制器作為控制核心，實(shí)現(xiàn)一個(gè)十二倉(cāng)位的立體倉(cāng)庫(kù)的入庫(kù)出庫(kù)功能。1985 年國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）對(duì)PLC的定義如下：“可編程控制器是一種進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算的電子系統(tǒng)，是專(zhuān)為在工業(yè)環(huán)境下的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的工業(yè)控制器，它采用了可以編程的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)算和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過(guò)數(shù)字或模擬式的輸入和輸出，控制各種類(lèi)型機(jī)械的生產(chǎn)過(guò)程[1]。由于PL