plc的立体仓库运用

1 绪论

可编程控制器(Programmable Logic Controller)，简称PLC。它是20世纪70年代以来，在集成电路、计算机技术基础上发展起来的一种新型工业控制设备。由于它具有功能强、可靠性高、配置灵活、使用方便以及体积小、重量轻等优点，国外已广泛应用于自动化控制的各个领域，并已成为实现工业生产自动化的支柱产品。近年来，国内在PLC技术与产品开发应用方面发展很快，除有许多从国外引进的设备、自动化生产线外，国产的机床设备已越来越多地采用PLC控制系统取代传统的继电-接触器控制系统。与继电—接触器系统相比系统更加可靠；占位空间比继电—接触器控制系统小；价格上能与继电—接触器控制系统竞争；易于在现场变更程序；便于使用、维护、维修；能直接推动电磁阀、接触器与于之相当的执行机构；能向中央执行机构；能向中央数据处理系统直接传输数据等。

1.1立体仓库概述

1.1.1立体仓库发展历史

立体仓库一词起源于“高层货架”，一般是指采用几层、十几层乃至几十层高的货架储存单元货物，随着科技的发展，人们逐渐采用起重、装卸、运输机械设备等相应的物料搬运设备进行货物入库和出库作业的仓库。由于这类仓库能充分利用空间储存货物，故常形象地将其称为“立体仓库”[1]。

早在20世纪50年代初期，美国就出现了使用桥式堆垛起重机的仓库。这种起重机是在通用桥式起重机的小车上装设堆取货物的装置，从地面上用按钮进行操纵，其结果是使货架间的通道大大减小，单位面积的储存量平均增加了50%多。此后立体仓库在美国和西欧得到迅速发展。1963年美国某公司首先在仓库业务中采用计算机控制，仓库高度已达12米。20世纪60年代中期，日本开始兴建立体仓库，而且发展的速度越来越快，据日本“产业机工”的统计，到1982年，日本已拥有各种立体仓库3257座，几乎相当于欧美国建拥有量得总和。

立体仓库由于具有很高的空间利用率、很强的入出库能力、采用计算机进行控制管理又利于企业实施现代化管理等特点，已成为企业物流和生产管理不可缺少的仓储技

术，越来越受到企业的重视。

1.1.2立体仓库的组成

立体仓库一般由高层货架、仓储机械设备、建筑物及控制和管理设施等部分组成[9]。货架的形式有很多，材料一般用钢材或钢筋混凝土制作。钢货架的优点是构件尺寸小，仓库空间利用率高，制作方便，安装建设周期短。而且随着高度的增加，钢货架比混凝土货架的优越性更加明显。为了提高货物装卸、存取效率，自动化立体仓库一般使用货箱或托盘盛放货物。货箱与托盘的基本功能是盛放小件物料，同时还应便于运输车和堆跺机的插取和存放。搬运设备是自动化仓库中的重要设备，它们一般由电力驱动，通过手动或自动控制，实现把货物从一处搬运到另一处。输送系统必须具有高度的可靠性。在立体仓库内，一般只有一套输送系统，一旦发生故障，就会使整个仓库工作受到影响。所以，要求输送系统的各个环节上的设备可靠、耐用、维修方便。对输送系统设置手动控制做后备。

1.2国内外研究现状

立体仓库一般是指采用几层、十几层乃至几十层高的货架储存单元货物，用相应的物料搬运设备进行货物入库和出库作业的仓库。由于这类仓库能充分利用空间储存货物，故常形象地将其称为“立体仓库”。

立体仓库的产生和发展是第二次世界大战之后生产和技术发展的结果。50年代初，美国出现了采用桥式堆垛起重机的立体仓库；50年代末60年代初出现了司机操作的巷道式堆垛起重机立体仓库；1963年美国率先在高架仓库中采用计算机控制技术，建立了第一座计算机控制的立体仓库。此后，自动化立体仓库在美国和欧洲得到迅速发展，并形成了专门的学科。60年代中期，日本开始兴建立体仓库，并且发展速度越来越快，成为当今世界上拥有自动化立体仓库最多的国家之一。

我国对立体仓库及其物料搬运设备的研制开始并不晚，1963年研制成第一台桥式堆垛起重机，1973年开始研制我国第一座由计算机控制的自动化立体仓库，该库1980年投入运行。到目前为止，我国自动化立体仓库数量已超过200座。立体仓库由于具有很高的空间利用率、很强的入出库能力、采用计算机进行控制管理而利于企业实施现代化管理等特点，已成为企业物流和生产管理不可缺少的仓储技术，越来越受到企业的重视。

自动化仓库应用范围很广，几乎遍布所有行业。在我国，自动化仓库应用的行业主

要有机械、冶金、化工、航空航天、电子、医药、食品加工、烟草、印刷、配送中心、机场、港口等。

1969年美国数字设备公司（DEC）研制书世界第一台可编程控制器，并成功地应用在美国（GM）的生产线上。但当时只能进行逻辑运算，故称为可编程逻辑控制期，简称PLC（programmable logic controller）。

70年代后期，随着微电子技术和计算机的迅猛发展，使PLC从开关量的逻辑控制扩展到数字控制及生产过程控制域，真正成为一种电子计算机工业控制装置，故称为可编程控制器，简称PC（programmable controller）.但由于PC容易与个人计算机（programmable computer）相混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程器的缩写。

1985年国际电工委员会（IEC）对PLC的定义如下：

可编程控制器是一种进行数字运算的电子系统，是专为在工业环境下的应用而设计的工业控制器，它采用了可以编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字或模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。

PLC是继电器逻辑控制系统发展而来，所以它在数学处理、顺序控制方面具有一定优势。继电器在控制系统中主要起两种作用：（1）逻辑运算（2）弱电控制强电。

PLC是集自动控制技术，计算机技术和通讯技术于一体的一种新型工业控制装置，已跃居工业自动化三大支柱（PLC、ROBOT、CAD/CAM）的首位。可编程控制器，简称PLC。它在集成电路、计算机技术的基础上发展起来的一中新型工业控制设备。具有1.可靠性高、抗干扰能力强 2.设计、安装容易，维护工作量少 4.功能强、通用性好 5.开发周期短，成功率高 6.体积小，重量轻、功耗底等特点。已经广泛应用于自动化控制的各个领域，并已成为实现工业生产自动化的支柱产品。与继电——接触器系统相比系统更加可靠；占位空间比继电——接触器控制系统小；价格上能与继电——接触器控制系统竞争；易于在现场变更程序；便于使用、维护、维修；能直接推动电磁阀、触器与于之相当的执行机构；能向中央执行机构；能向中央数据处理系统直接传输数据等[3]。

自上世纪60年代以来，美日欧等国家和地区设计和投入使用的立体仓库越来越多，立体仓储技术已成为一门新兴的学科。据不完全统计，美国有各种类型的自动化立体仓库20000多座，日本有38000多座，德国有10000多座，英国有4000多座，前苏联有1500多座。堆跺机是自动化立体仓库的主要作业机械，担负着出库、进库、盘库等任务，

是自动化立体仓库的核心部件，自动化立体仓库的发展就是以堆跺机的发展为主要标志的，目前巷道式堆跺机为主要发展方向[1]。

在我国，立体仓库的发展是从70年代初期开始的，1963年研制成第一台桥式堆垛起重机，1973年开始研制我国第一座由计算机控制的自动化立体仓库（高15米，机械部起重所负责），该库1980年投入运行，由北京机械工业自动化研究所等单位研制建成我国第一座自动化立体仓库，并在北京汽车制造厂投产[9]。从此以后，立体仓库在我国得到了迅速的发展。据不完全统计，目前我国己建成的立体仓库近300个，其中全自动化的立体仓库有30多个。1995年建成的仪征化纤工业联合公司涤纶长丝自动化立体仓库，是目前我国独立设计和制造的综合自动化程度最高的立体仓库。近些年我国自动化仓库技术发展很快，己实现了与其它信息决策系统的集成，并正在做智能控制和模糊控制的研究工作。尽管如此，至今在我国已建成的集成化仓储系统还不多，我国的自动化立体仓库与国外发达国家相比，无论是从数量上还是从建设水平上都有着比较大的差距。

因此，进行立体仓库的PLC控制系统的设计，可以推动机械手行业的发展，扩大PLC 在自动控制领域的应用，具有一定的经济和理论研究的价值。

1.3立体仓库的研究意义

1.3.1社会意义

立体仓库的特点在于以高层立体货架为标志，以成套先进搬运设备为基础，以先进的计算机控制技术为主要手段，高效率地利用仓储空间，节约时间和人力进行各种作业，具有巨大地社会效益和经济效益，因此被普遍应用于机器制造业、电器制造业、航空港、轻工和化工企业、商储业、军需部门等各行各业。

其中自动化的立体仓库更是具有广阔市场前景。它集机械、电子、控制、计算机技术于一体，具有科技含量高，货物存取效率高和自动化程度高等优点，在物流监控技术、计算机应用技术、通信技术、货位优化管理等技术领域都有很好的应用。从制造工厂、商场、机场，到港口、军需部地下室冷库到都少不了立体仓库的身影，特别是随着人们生活水平的提高，自我国的机动车数量日益猛增，传统的停车场已经不能满足人们的需求，于是人们将立体仓库这一理念和技术应用于停车库，很多城市都相继出现了立体停车库，使停车难的问题逐渐得以缓解，所以为了更好的合理利用资源、保证产需均衡、提高物流效率，我们对于自动化立体仓库的研究迫在眉睫。

1.3.2科技意义

近些年我国自动化仓库技术发展很快，尽管如此，至今在我国已建成的集成化仓储系统还不多，我国的自动化立体仓库与国外发达国家相比，无论是从数量上还是从建设水平上都有着比较大的差距，究其原因，自动化程度不够是一个很大的缺陷。

对此能较有效的改善这一缺陷的方法就是在控制系统中采用PLC控制器，因为PLC 功能强大，可靠性高，抗干扰能力强，维修方便，易于实现机电一体化，可以完全满足立体仓库工作环境和控制系统的要求。通过PLC控制的立体仓库克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点，又照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯，特别是PLC的程序编制，不需要专门的计算机编程语言知识，而是采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式，使用户程序编制形象、直观、方便易学，调试与查错也都很方便。

另外，当前各领域中使用的立体仓库往往是很庞大的系统，研制立体仓库往往需要投入很大的人力和财力，这给立体仓库的研究带来很大难度，令很多科技研发和教学研究机构望而却步，针对这一难题，可以通过设计制作小型的立体仓库模型，对其加入控制系统，并通过对其进行模拟调试，再将其研究成果应用于立体仓库的生产研制，这样一来既节约成本，提高效率，也可以更为广泛的开展对于立体仓库的研究。事实证明，大型自动化仓库系统己不再是发展方向。为了适应工业发展的新形势，出现了规模更小，反应速度更快，用途更广的自动化仓库系统，如德国Veltins啤酒厂制酒仓库，还有Metzler optik partner AG公司的小件仓库，通过提高运送速度和加快工作循环，达到了惊人的仓库利用率。

1.3.3教学意义

目前，很多高等院校以及职业院校的电子、机械等专业都把PLC列为一项必修课程，因此可以将此立体仓库制作成教学模型，则既可以在教学过程中增加教学的应用性，又可以通过让学生设计不同的PLC程序来达到不同的运行效果，适用于学生毕业设计、课程设计、实习实验等，也适合于研究机构的科研使用，具有一定的教学意义。

传统条件下的库房管理作业，主要依据人工装卸，特别是对于一些大型物资，不仅工作效率低，浪费大量的人力、物力，存在较大的安全隐患，同时还占据大量的库房面积。立体库的投入使用，彻底解决了这一难题.

自动化立体仓库可以产生巨大的社会效益和经济效益。它通过高层货架存储，使存储区大幅度地向高空发展，提高了空间利用率；自动化立体仓库采用层积式存放，结合计算机管理，可以很容易实现先入先出，防止货物的自然老化、变质和损坏；通过自动存取系统(AS/RS),加快了运行和处理速度，提高了劳动生产率，降低操作人员的劳动强度；采用自动化技术后，还能较好地适应黑暗、低温、污染、有毒和易爆等特殊场合的物品存储需要；计算机控制能够始终准确无误地对各种信息进行存储和管理，减少了货物处理和信息处理过程中的差错；同时借助于计算机管理还能有效地利用仓库存储能力，便于清点和盘库，合理减少库存，加快资金周转，节约流动资金，从而提高仓库的管理水平。

自动化仓库的信息系统可以与企业的生产信息系统集成，实现企业信息管理的自动化。同时，由于使用自动化仓库，促进企业的科学管理，减少了浪费，保证均衡生产，也提高了操作人员素质和管理人员的水平。

1.4本文研究的主要内容

课题的主要任务是自动化立体仓库控制系统的设计。仓位的主体框架除包括十二个库位外，还配有一个物品入口位和一个出口位，并在这十二个库位的底部均设置有检测开关，若库内有物品，则压制相应的检测开关使之闭合，若无物品，则相应的检测开关断开。

本文的主要研究内容和结构可分为五个章节，分别如下：

1)第一章研究了自动化立体仓库的发展历史和基本组成，以及国内外立体化仓库的现状和国内立体化仓库的不足之处，分析立体化仓库的发展方向。同时，提出本文所要研究的主要内容。

2)第二章论证自动化立体仓库的设计方案，包括模块组成，以及各个模块在系统中的功能，还提出了在设计中出现的问题并给出解决方案。

3）第三章对立体仓库系统的作了硬件设计，并通过立体仓库模型的来设计实现，分析了组成各模块的元器件，包括步进电机、直流电机、传送杆、电源模块等，并对这些硬件的工作原理和功能进行说明。

4)第四章进行了对自动化立体仓库控制系统的软件设计，包括所采用的PLC控制器、PLC编程软件、PLC与各模块间的连接、程序流程图以及PLC程序的详细阐述，其中包

括手动控制和自动控制、取货物、送货物、状态显示等程序。

5)第五章通过立体仓库模型系统的操作运行进行结果分析，系统调试和分析得出结论，验证设计的可行性。

2 系统控制方案的确定

2.1自动化立体仓库的概述

自动化立体仓库是指在不直接进行人工处理的情况下, 自动地完成物品仓储和取出的系统, 它以高层立体货架为主体, 以成套搬运设备为基础, 是集自动控制技术、通信技术、机电技术于一体的高效率、大容量存储机构。自动化立体仓库的出现, 实现了仓库功能从单纯保管型向综合流通型的转变。用PLC控制的自动化立体仓库达到仓储技术的全面自动化。

自动化立体库基本由以下部分组成:

高层货架:用于存储货物的钢结构。目前主要有焊接式货架和组合式货架两种基本形式。

托盘（货箱）：用于承载货物的器具，亦称工位器具。

巷道堆垛机:用于自动存取货物的设备。按结构形式分为单立柱和双立柱两种基本形式；按服务方式分为直道、弯道和转移车三种基本形式。

输送机系统:立体库的主要外围设备，负责将货物运送到堆垛机或从堆垛机将货物移走。输送机种类非常多，常见的有辊道输送机，链条输送机，升降台，分配车，提升机机，皮带机等。

AGV系统:即自动导向小车。根据其导向方式分为感应式导向小车和激光导向小车。

自动控制系统:驱动自动化立体库系统各设备的自动控制系统。目前以采用现场总线方式为控制模式为主。

库存信息管理系统:亦称中央计算机管理系统。是全自动化立体库系统的核心。目前典型的自动化立体库系统均采用大型的数据库系统（如ORACLE，SYBASE等）构筑典型的客户机/服务器体系，可以与其他系统（如ERP系统等）联网或集成。

2.2采用PLC控制立体仓库的优点

1、低成本利用电力线上网，最大的优点就是成本低。由于利用电力线上网，直接使用现有电力网就可以实现通信，而不需要另外铺设电话线、光电缆等，大大地减少了在基础网络上的投资。

2、范围广无所不在的电力线网络也是这种技术的优势。电力线是最基础的网络，它的规模之大，是其他任何网络无法比拟的。因为家家都有电力线，由此，运营商就可以轻松地把这种网络接入服务渗透到每一个家庭.因此，这一技术一旦进入商业化阶段，将会促进电信市场的变革，并给互联网普及带来极大的发展空间。

3、高速利用电力线上网能够提供高速传输。德国最大的电力设备生产商RWE承诺，运用他们的电力线上网技术，其速度要比ISDN拔号上网快30多倍, 比ADSL更快！足以支持现有网络上的各种应用。更高速率的PLC产品正在研制之中。

4、便捷不管在家里的哪个角落,只要连接到房间内的任何电源插座上，就可立即拥有PLC带来的高速网络享受!

5、永远在线 PLC属于"即插即用"，不用烦琐的拨号过程，接入电源就等于接入网络！

6、结构灵活通过PLC技术实现Internet接入，可以灵活扩展接入端口数量，使资源保持较高的利用率。目前还未有效解决电力线信号通过变压器的技术，因此，电力线通信设备都是集中在220V线路变压器的用户端。

7、家庭数字化 PLC技术能够通过电力线将整个家庭的电器与网络联为一体，在室内的设备之间构筑起可自由交换信息的局域网，使人们能够通过网络来控制自己家里的电器设备。

2.3系统设计的基本步骤

立体仓库系统设计与调试的主要步骤，如下图2.1所示：

在立体仓库控制系统的设计过程中主要要考虑以下几点：

1.深入了解和分析立体仓库的工艺条件和控制要求。

2.确定I/O设备。根据立体仓库控制系统的功能要求，确定系统所需的用户输入、输出设备。

3.根据I/O点数选择合适的PLC类型。

4.分配I/O点，分配PLC的输入输出点，编制出输入输出分配表或者输入输出端子的接线图。

5.设计立体仓库系统的梯形图程序，根据工作要求设计出周密完整的梯形图程序，这是整个立体仓库系统设计的核心工作。

6.将程序输入PLC进行软件测试，查找错误，使系统程序更加完善。

7. 立体仓库整体调试，在PLC软硬件设计和现场施工完成后，就可以进行整个系统的联机调试，调试中发现的问题要逐一排除，直至调试成功。

确定课题

研究课题内容

确定方案

查找资料

设计电气原理图

根据程序要求

确定硬件配置

根据控制要求

编写程序

系统结构的设计

调试程序

记录运行结果

并进行分析

总结

图2.1立体仓库控制系统设计步骤

2.4 系统控制方案

本设计需要装一立体仓库十二个仓库位、有物品出入口位与输出口位，各仓位能自检。立体仓库的结构示意图见下图2.2所示:

图2.2立体仓库结构示意图

根据设计对立体仓库的具体要求，本课题所设计的立体仓库具有以下功能：

1、堆垛机（机械手）要有三个自由度，即：前进、后退；上、下；左、右；

2、堆垛机的运动由步进电机驱动；

自动堆垛机 堆垛机伸叉 称

重

仪

供步进

机驱动

模块 行走步进电

机驱动模块 升降步进电机驱动模块

堆垛机电源 直流开头电源

直流开头电源 四层三列立体库

紧停按钮 紧停 叉中 联动 单动 手动 复位 功能 伸叉 升降 行走

线位 联动 自动

堆垛机动

作指示灯 堆垛机控制PLC:Fx-2n-80mr

反

射

式

传

感

器

3、堆垛机前进（或后退）运动和上（或下）运动可同时进行；

4、堆垛机前进、后退和上、下运动时必须有超限位保护；

5、每个仓位必须有检测装置（微动开关），当操作有误时发出错误报警信号；

6、当按完仓位号后，没按入或取前，可以按取消键进行取消该操作。

7、整个电气控制系统必须设置急停按钮，以防发生意外。

2.5立体仓库技术参数的确定

表2.1立体仓库具体参数

出/入货柜台最重物品20Kg

每个仓位的高度4．5CM

仓位的上下距离0．5CM

仓位的平行距0．5CM

仓位的体积4M3

可编程控制器（PLC）电源24V DC

堆垛机电源220V AC,50Hz

2.6设计中的问题及解决方案

2.6.1设计中的问题

立体仓库的功能比较多，因此结构也相对比较复杂，在考虑对立体仓库的设计中有以下几个问题需要解决。

1）在货物的传送过程中如何做到精确而快速定位。

2）在PLC控制器接受到操作命令时如何判断是否应该响应。

3）在传送平台到达货物仓位后应如何进行货物出入库作业。

2.6.2解决方案

1）在货物的传送过程中要实现精准定位的最好方法就是采用坐标定位法。

可以把货物的移动分解为水平（X轴）和垂直（Y轴）两个方向，通过控制这两9个方向上的位移多少，即可以将货物送到准确位置。因此在硬件设计的时候，可以将传

送货物的机械装置设计成水平杆和垂直杆，在动力控制上可以采用两个电机，分别给水平移动和垂直移动提供动力，然后通过电机控制送货平台在水平杆和垂直杆上的滑动将平台移到指定位置。为了提高送货平台移送的速度，缩短其到达指定位置的时间，在控制时可将水平和垂直的移动设定为同时进行。

当PLC发出一定脉冲，经过驱动器驱动步进电机旋转一定的角度，要想实现步进电机的精确控制，则需要对它的具体运行步数进行计数，步进电机以10cm长为单位长度计算为例，即坐标轴上的每个单位代表现实中的10cm。为了增大转矩提高控制精度，本控制系统所有数据（脉冲频率、数量等）均是以步距角为0.9度为参考制定的。立体仓库模拟装置丝杠上螺纹的螺距为1.8mm，也就是说电机每接400个脉冲所运行的距离为1.8mm。要实现通过输入不同数字使机械到达不同的位置，需要作到的就是控制步进电机走多少个单位长度。

2）对于PLC控制器是否应响应操作命令的问题，可以通过在每个仓位上安装限位开关来实现。限位开关就是用以限定机械设备的运动极限位置的电气开关。当仓位中货物已满时，限位开关可以将此信号传送给PLC控制器，控制器即可根据接收到的信号作出是否响应的判断了。

3）传送平台在到达指定仓位后，可通过平台上的伸叉控制平台的前后和上下移动来进行出入库作业。如果将水平杆和垂直杆的移动方向设为X方向和Y方向，把出入库的前后移动设为Z方向。取货的时候，传送平台先向前伸入至货物底部（Z方向），然后往上抬起货物（Y方向），最后缩回（Z方向）。送货的时候，传送平台先向前伸入至仓位中（Z方向），然后往下放下货物（Y方向），最后缩回（Z方向），以此来实现货物的出入库作业。

3 立体仓库系统硬件的设计

3.1 立体仓库的基本结构

图3.1 仓位编号

立体仓库主体由地盘、四层十二仓位库体、运动机械及电气控制等四部分组成。 机械部分采用滚珠丝杠、滑杠、普通丝杠等机械元件组成，采用步进电机、直流电机作为拖动元件。

电气控制是由三菱FX2N 系列程序控制器（PLC ）、步进电机驱动电源模块、开关电源、位置传感器等器件组成。

3.2 硬件部分

3.2.1步进电机

3.2.1.1 步进电机的原理

步进电机是数字控制系统中的执行电动机，当系统将一个电脉冲信号加到步进电机定子绕组时，转子就转一步，当电脉冲按某一相序加到电动机时，转子沿某一方向转动的步数等于电脉冲个数。因此，改变输入脉冲的数目就能控制步进电动机转子机械位移的大小；改变输入脉冲的通电相序，就能控制步进电动机转子机械位移的方向，实现位置的控制。当电脉冲按某一相序连续加到步进电动机时，转子以正比于电脉冲频率的转速沿某一方向旋转。因此，改变电脉冲的频率大小和通电相序，就能控制步进电动机的转速和转向，实现宽广范围内速度的无级平滑控制。步进电动机的这种控制功能，是其它电动机无法替代的。步进电动机可分为磁阻式、永磁式和混合式，步进电动机的相数1011

1298

745

6321

可分为：单相、二相、三相、四相、五相、六相和八相等多种。增加相数能提高步进电动机的性能，但电动机的结构和驱动电源就会复杂，成本就会增加，应按需要合理选用。

3.2.1.2 步进电机的选择

（1）、步进电动机的特点

①、步进电动机是一种作为控制用的特种电机，它的旋转是以固定的角度(称为“步距角”)一步一步运行的，其特点是没有积累误差(精度为100％)，所以广泛应用于各种开环控制。

②、步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比

③、步距值不容易因为电气、负载、环境条件的变化而改变,使用开环控制(或半闭环控制)就能进行良好的定位控制。

④、起制动、正反转、变速等控制方便。

⑤、价格便宜,可靠性高。

⑥、步进电动机的主要缺点是效率较低,并且需要配上适当的驱动电源。

⑦、步进电动机带负载惯性的能力不强,在使用时既要注意负载转矩的大小,又要注意负载转动惯量的大小,当两者选取在合适的范围时,电机才能获的满意的运行性能。

（2）、步进电机驱动系统的基本组成

与交直流电动机不同，仅仅接上供电电源，步进电机不会运行的。为了驱动步进电动机，必须由一个决定电动机速度和旋转角度的脉冲发生器（在该立体仓库控制系统中采用PLC作脉冲发生器进行位置控制）、一个使电动机绕组电流按规定次序通断的脉冲分配器、一个保证电动机正常运行的功率放大器，以及一个直流功率电源等组成一个动力系统，如3.2所示

。

图3.2 步进电机驱动系统的组成

（3）、步进电动机的选择计算

在选择步进电动机时首先考虑的是步进电动机的类型选择，其次才是具体的品种选择，在该立体仓库控制系统中要求步进电动机电压低、电流小、有定位转矩和使用螺栓机构的定位装置，确定步进电动机采用2相8拍混合式步进电机；在进行步进电动机的品种选择时，要综合考虑速比i 、轴向力F 、负载转矩

l T 、额定转矩N T 和运行频率y f ，以确定步进电机的具体规格和控制装置。

由于我们使用螺栓机构的定位装置，已知条件和要求条件为：

移动部分总重 M=25kg

外力 Fa=4kg.?cm

磨擦系数 μ=0.04

螺栓机构的效率 η=O. 9

螺栓轴径 B D =1.2cm

螺栓长 B L =42cm

螺距 P=3mm

分辨率 L=0.01mm

移动距离 δ=0.0075mm/步

速度 V=2m ／min

计算：

设拟选用2相、1.8°步距角的HB 型电动机

速比(设使用直接驱动方式)

i=m 3b θ/(3603L)=231.8／(3603O.01)=1

轴向力

F=Fa+μM=4+0.04325=5kg.?cm

负载转矩

l T =F 3P ／(2 πη)+(0μ30F 3P )/2 π

=530.3／(2 33.1430.9)+ (0.331.673 0.3)/(2 33.14)

=0.289kg.??cm

螺栓的惯量

B J =（π3ρ3B L 34B D ）/32

=（3.1437.93310-34234

2.1）/32

=0.0675kg.??2cm 移动体的惯量

t J =M 32)2/(πP

=2532)28.6/3.0(

=0.0571 kg.??

2cm 负载惯量为

L J =B J +t J

=0.0675+0.00571

=0.1246kg.??

2cm 根据以上计算可以初步选定步进电动机，其惯量为M J =0.03 kg.??

2cm ，空载起动频率s f =3000H 。

由要求的速度可求出运行的频率：

f=V ／L=2000／(6030.01)=3333HZ

可知需要加减速的驱动方式。

齿轮比：G=δ360°/b θL=0.0075 3360°/ (1.8°30.01)=150

换算到电机轴的负载转矩为

T=G 3L(l T +F)/ 2 πη

=15030.013(0.289+5)/(6.2830.9)

=1.40 kg.??cm

对首次设计的装置来讲，所选用的电动机通常留有2～3倍的余量，所以电机转矩N T =3T=331.40=4.2 kg.?cm =0.41N.?M

根据以上的计算，在该立体仓库控制系统中的步进电动机采用北京斯达特机电科技发展有限公司生产的2相8拍混合式步进电机，它的主要特点：体积小，具有较高的起

动和运行频率，有定位转矩等优点。型号：42BYGHl01。电气原理图如图3.3所示。快接线插头：红色表示A相，蓝色表示B相；如果发现步进电机转向不对时可以将A相或B相中的两条线对调。

图3.3步进电机的出线圈

表3.1步进电机的电气技术数据

电机型号相数步距角相电流驱动电压额定转矩重量42BYGH101 2 1.80 1.7A DC24V 0.44N2M 0.24kg 3.2.1.3步进电机驱动器的选择

(1)、步进电机驱动器的选择

步进电机的运行要有一电子装置进行驱动，这种装置就是步进电机驱动器，它是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移，或者说：控制系统每发一个脉冲信号，通过驱动器就使步进电机旋转一步距角。所以步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。

所有型号驱动器的输入信号都相同，共有三路信号，它们是：步进脉冲信号CP、方向电平信号DIR、脱机信号FREE(此端为低电平有效，这时电机处于无力矩状态；此端为高电平或悬空不接时，此功能无效，电机可正常运行)。它们在驱动器内部的接口电路都相同，见下图。OPTO端为三路信号的公共端，三路输入信号在驱动器内部接成共阳

方式，所以OPTO端须接外部系统的VCC，如果VCC是+5V则可直接接入；如果VCC不是+5V则须外部另加限流电阻R，保证给驱动器内部光耦提供8-1 5mA的驱电流，在该立体仓库中由于FP0提供的电平为24V，而输入部分的电平为5V，所以须外部另加1.8K 的限流电阻R。

步进电机驱动器的输出信号有两种:

①、初相位信号：驱动器每次上电后将使步进电机起始在一个固定的相位上，这就是初相位。初相位信号是指步进电机每次运行到初相位期间，此信号就输出为高电平，否则为低电平。此信号和控制系统配合使田，可产生相位记忆功能，其接口见图3.4。

图3.4 初相位信号接口电路

②、报警输出信号：每台驱动器都有多种保护措施(如：过压、过流、过温等)。当保护发生时，驱动器进入脱机状态使电机失电，但这时控制系统可能尚未知晓。如要通知系统，就要用到‘报警输出信号’。此信号占两个接线端子，此两端为一继电器的常开点，报警时触点立即闭合。驱动器正常时，触点为常开状态。一般来说，对于两相四根线电机，可以直接和驱动器相连，如图3.5所示。

图3.5 电机与驱动器接线图

所以我采用SH系列步进电动机驱动器，型号为SH-2H057。主要由电源输入部分、

信号输入部分、输出部分组成。SH-2H057步进电动机驱动器采用铸铝结构，此种结构主要用于小功率驱动器,这种结构为封闭的超小型结构，本身不带风机，其外壳即为散热体，所以使用时要将其固定在较厚、较大的金属板上或较厚的机柜内，接触面之间要涂上导热硅脂，在其旁边加一个风机也是一种较好的散热办法。此步进电机驱动器的电气技术数据为：

表3-2步进电机驱动器的电气技术数据

驱动器型号 相数

类别 细分数 通过拨位

开关设定 最大 相电流 开关设定 工作电源

SH-2H057 二相或四相 混合式 二相八拍 3.0A

一组直流

DC(24V-40V)

(2)、步进电机驱动器接线示意图见图3.6

图3.6 步进电机驱动器接线示意图