基于plc控制的小型自動化立體倉庫設計論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 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 點數時，不必改變機型，可以通過擴展模塊實現，降低了經濟投入。本課題設計的立體倉庫控制系統有輸入信號40個，輸出信號21個。所選 I/O 點不得低于61點，結合實際情況，考慮到經濟實惠所選本系統所采用的PLC是西門子S7200 CPU226 DC24V，外加一個數字量擴展模塊EM223[1]。步進電動機是將電脈沖信號轉換為相應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，能直接將數字脈沖信號轉換成角位移或線位移，因此它很適合作為數字控制系統的伺服元件。此外，它還具有一系列的優點，一是輸出角位移量或線位移量與其輸入的脈沖數成正比，而轉速或線速度與脈沖的頻率成正比，在負載能力范圍內，這些關系不受電壓的大小、負載的大小、環境條件等外界各種因素的干擾。二是它每轉一周都有固定的步數，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，它可以在開環系統中在很寬的范圍內通過改變脈沖的頻率來調節電機的轉速，并且能夠快速啟動制動和反轉。四是有些型式的步進電動機在停止供電的狀態下，還有定位轉矩，有些型式在停機后某些相繞組仍保持通電狀態，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，它可構成閉環控制系統。計算機技術、電力電子技術和微電子技術的發展，給步進電動機的應用開辟了廣闊的前景，應用非常廣泛。如數控機床、繪圖機、自動記錄儀表、遙控裝置和航空系統等等，都大量使用步進電動機。圖32為三相反應式步進電動機的徑向截面圖。定轉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，所以定子磁極數通常為相數的兩倍，即2p=2m （p為極對數，m為相數）。轉子上沒有繞組，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，而且轉子的齒數有一定的限制。這種結構形式的優點是制造簡便，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 步進電動機的結構圖33是一臺三相反應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。轉子用軟磁性材料制成，也是凸極結構，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，轉子在反應轉矩的作用下，逆時針方向轉過30176。，使轉子齒4的軸線與定子B相極軸線對齊，即轉子走了一步，如圖33(b)所示。若再斷開B相使C相控制繞組通電轉子又轉過30176。，使轉子齒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，轉子就會一步一步地按逆時針方向轉動。其轉速取決于各相控制繞組通電與斷電的頻率，旋轉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動。上述通電方式稱為三相單三拍運行。“三相”是指三相步進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”是指經過三次改變通電方式為一個循環。我們稱每一拍轉子轉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。當A、B兩相控制繞組同時通電時，轉子齒的位置應同時考慮到兩對定子極的作用，只有A相極和B相極對轉子齒所產生的磁拉力相平衡，才是轉子的平衡位置，如圖34(a)所示。若下一拍為B、C兩相同時通電時，則轉子按逆時針轉過30176。到達新的平衡位置，如圖34(b)所示。可見，雙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通電，例如由A 、B兩相通電變為B、C兩相通電時，B相保持持續通電狀態，C相磁拉力力圖使轉子逆時針方向轉動，而B相磁拉力卻起有阻止轉子繼續向前轉動的作用，即起到一定的電磁阻尼作用，所以電機工作比較平穩。 (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字量信號，所以被廣泛應用于數字控制系統中。較簡單的控制電路是利用一些數字邏輯單元組成，即采用硬件的方式。但要改變系統的控制功能，一般都要重新設計硬件電路，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、硬件相結合的方法能使系統的功能大大增強，同時也提高了系統的靈活性和可靠性。以步進電動機作為執行元件的數字控制系統有開環和閉環兩種形式。（1）開環控制步進電動機系統的主要特點是能實現精確位移、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，其位移量是斷續的，總的位移量嚴格等于輸入的指令脈沖數或其平均轉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量或頻率，就能夠完成精確的位置或速度控制，無需系統的反饋，形成所謂的開環控制系統。步進電機的開環控制系統，由控制器（包括變頻信號源）、脈沖分配器、驅動電路及步進電動機四部分組成如圖35所示。開環控制系統的精度主要取決于步距角的精度和負載狀況。圖35 步進電動機開環控制原理框圖開環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運行頻率小，所以開環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，電機高速轉動。在到達終點前，降頻使電機減速。這樣就可以既快又穩地準確定位，如圖36所示。由于步進電動機的電磁轉矩受頻率影響較大，所以負載的加減速控制不能像普通電機那樣。為了實現加減速的最佳控制，往往是分段設計加速轉矩和加速時間，采用微機控制來實現。由于開環控制系統不需要反饋元件，結構比較簡單、工作可靠、成本低。因而在數字控制系統中得到廣泛的應用。圖36 加減速定位過程（2）閉環控制系統在開環控制系統中，電機響應控制指令后的實際運行情況，控制系統是無法預測和監視的。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趨于失控。另外，對于高精度的控制系統，采用開環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節，構成閉環控制系統如圖37所示。與開環系統相比多了一個由位置傳感器組成的反饋環節。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，高系統的精度。閉環控制系統的精度與步進電動機有關，但主要是取決于位置傳感器的精度。在數字位置隨動系統中，為了提高系統的工作速度和穩定性，還有速度反饋內環。圖37 步進電動機閉環系統原理框圖（1）位移與輸入脈沖信號的信號數相對應，步距誤差不長期積累，可以組成結構簡單且具有一定精度的開環控制系統，也可以在需要更高精度時組成閉環控制系統。（2）速度可以在相當寬的范圍內平滑調節。（3）易于起動、停止、正反轉及變速，快速響應性能好。（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。范圍內進行選擇。在小步距情況下，通常可以在超低速下高轉矩穩定運行，可以不經減速器直接驅動負載。（6）電動機本身沒有電刷、轉子上沒有繞組，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。為了驅動步進電動機，必須由一個決定電動機速度和旋轉角度的脈沖發生器（在該立體倉庫控制系統中采用PLC作脈沖發生器進行位置控制）、一個使電動機繞組電流按規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動系統，如圖38所示。圖 38 驅動系統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中要求步進電動機電壓低、電流小、有定位轉矩和使用螺栓機構的定位裝置，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、負載轉矩、額定轉矩和運行頻率，以確定步進電機的具體規格和控制裝置。由于我們使用螺栓機構的定位裝置，已知條件和要求條件為：移動部分總重 外