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1、立体仓库控制系统硬件设计 一、摘 要：可编程序控制器（Programmable Logic Controller）简称PLC,是一种以微处理器为基础、带有指令存储器和输入输出接口、综合了微电子技术、计算机技术、自动控制技术、通信技术的新一代工业控制装置。它能够存储和执行指令，进行位置控制、逻辑控制、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。本文介绍立体仓库控制系统硬件设计与选择,松下电工系列FP0型PLC的特点以及在立体仓库控制系统应用中的程序设计。与继电器控制系统相比，PLC具有软件简单易学，使用维护方便，运行稳定可靠，设计施工周期
2、短等优点，对于立体仓库控制系统的应用，更具有普遍推广的价值。关键词：PLC 立体仓库 位置控制 硬件 The hardware program is devised in warehouse controller system JIA XIAOJIAbstract: Programmable Logic Controller is shorted PLC. It is a new industry controller device with together electronic, computer, automatic control, communication technology,
3、which has the microprocessor as the base、the order memory and the interface of input and output. It can do these operation such as saving and executing order, doing position control、logic control and sequence control、timing, calculating sums and so on. It can also control machine and the process of
4、various types production by using the digital and the analog input and output. The article is introduced the design of the hardware and selection, which used into the auto warehouse control system, the features of the Panasonic FP0 programmable controllers and the programs of the auto warehouse cont
5、rol system. Compare with the relay control system, PLC has more advantages such as simple software, convenience in using and maintaining, stable and reliable operation, the short period of the design. It has the valuable of general spread with the application of the auto warehouse control system. Ke
6、ywords:PLC Warehouse Position control Hardware 二、绪言在工业控制领域，为了实现弱电对强电的控制，使机械设备实现预期的要求，继电器系统曾被广泛使用并占主导地位。虽然它具有结构简单、易学易懂、价格便宜的优点，但其控制过程是由硬件接线的方式实现的。如果某一个继电器损坏，甚至仅仅是一对触点接触不良，就可能造成系统瘫痪，而故障的查找和排除又往往是困难的，需要花费很长时间。如果产品更新换代，则需改变整个系统的控制元件及其组合，重新进行复杂的接线。既要增加硬件的购置费用，又延长了施工周期。可见，继电器控制系统存在着可靠性低、适应性差的缺点，给人们在使用上带来很
7、大的不便和遗憾。现代社会中各类产品的品种和型号不断地改进和翻新，可谓日新月异，所以产品生产具有多品种、小批量、低成本和高质量的特点。显然，传统的继电器系统己无法满足频繁变动的控制要求，人们开始寻求新的控制系统。20世纪60年代初，大规模生产提出了多机群控的要求，其所配置的继电器系统相当复杂。恰逢此时出现了小型计算机，于是，人们试图用小型计算机系统取代复杂的继电器系统来实现工业控制。传统的继电接触器控制采用的是固定接线方式，一旦生产过程有所变动，就得重新设计线路连线安装，不利于产品的更新换代。但小型计算机用于工业控制时存在价格昂贵、输入输出电路不匹配和编程技术复杂等问题，故未能得到推广应用。19
8、68年，为使汽车型号不断翻新，以在激烈的市场竞争中取胜，美国通用汽车公司(GM)从用户角度提出了新型控制器应具备的十项条件进行招标，即有名的十项招标指标，之后立即引起了开发热潮。这十项招标指标是： 编程简单，可在现场修改和调试程序；维护方便，采用插入式模块结构；可靠性高于继电器控制系统；体积小于继电器控制柜；能与管理中心计算机系统进行通信；成本可与继电器控制系统相竞争；输入量是115V交流电压(美国电网电压110V)；输出量为115V交流电压，输出电流在2A以上，能直接驱动电磁阀；系统扩展时，原系统只需作很小变动；用户程序存储器容量至少4K字节。从招标条件中可以看出，新型的工业控制器被设想为将
9、硬件接线逻辑关系转变为软件程序计算，编程语言面向用户，系统易于设计修改，既保留继电器控制系统结构简单、易于掌握、价格便宜的优点，又结合吸收计算机的功能丰富、灵活通用、可靠性高的优点，并且一定要适合在工业环境下运行。美国数字设备公司(DEC)1969年中标，研制出符合要求的控制器，即世界上第一台可编程控制器，在通用汽车公司的汽车装配线上首次应用即获成功。很快，对这项新技术的研究应用从美、日、欧遍及到全世界。可编程序控制器得到不断地改进和发展，迅速成为现代工业控制的主导产品。最初的可编程控制器主要用于顺序控制，虽然采用了计算机的设计思想，但实际只能进行逻辑运算，故称作可编程逻辑控制器(Progra
10、mmable Logic Controller)，简称PLC。70年代后期，随着计算机技术的发展及微处理器的应用，可编程控制器的功能不断扩展和完善，早已远远超出逻辑控制、顺序控制的范围，具备了模拟量控制、过程控制以及远程通信等强大功能。经过调查，美国电气制造商协会(NEMA)将其正式命名为可编程控制器(Programmable Controller)，简称PC。但为了与个人计算机(Personal Computer)的专称PC相区别，常常把可编程控制器简称为PLC。对于立体仓库控制系统，采用PLC控制，将传统的继电器控制逻辑变为PLC的程序控制逻辑。PLC的内部继电器可代替所有用于逻辑控制的中
11、间继电器，使噪音下降，使用设备寿命延长，体积减小。PLC的最大特点之一，就是采用易懂易学的梯形图语言，就是采用易学易懂的梯形图语言，它是以计算机软件技术构成人们惯用的继电器模型,形成一套独具风格得以继电器梯形图为基础的形象编程语言。梯形图控制符号和定义与常规继电器展开图完全一致, 电气操作人员使用起来得心应手，不存在计算机技术和传统电气控制技术之间的专业“鸿沟”。在了解PLC简要工作原理和它的编程技术之后，就可结合实际需要进行应用设计，进而将PLC用于实际控制系统中。可编程序控制器的优点与这个“可”字有关，从软件来讲，它的程序可编、也不难编，从硬件上讲，它的配置可变、也易变。其主要特点为：(1
12、)PLC的软件简单易学，不存在计算机技术和传统电器控制技术之间的“鸿沟”。(2)使用和维护方便，硬件配置方便，安装方便，使用方便，维护也方便。(3)运行稳定可靠，在设计过程中采取了多层次抗干扰和精选元件措施，可在恶劣的工业环境下与强电设备一起工作，运行的稳定性可靠性较高，内部处理不依赖于接点，元件的寿命几乎不用考虑。(4)设计施工周期短，在系统设计完成以后，现场施工和PLC程序设计可以同时进行，周期短，而且程序的调试和维修都很方便。我国在研制、生产自己PLC产品的同时，也引进国外的PLC，不少公司、或替国外的公司推销质量与档次较高的PLC产品，并负责售后服务；或与国外合资，生产各种档次的PLC
13、产品，并远销海外，也向国内销售。可以预见，PLC的应用将会越来越广泛，我国的工业自动化程度必将提高到一个新水平。近年来，国外发展的一个明显的特征是产品的集成度越来越高，工作速度越来越快，功能越来越强，使用越来越方便，工作越来越可靠。PLC可进行模拟量控制，位置控制。特别是远程通信功能的实现，易于实现柔性加工和制造系统（FMS）,使得PLC如虎添翼。PLC现己广泛用于冶金、矿业、机械、轻工等领域，为工业自动化提供了有力的工具，加速了机电一体化的进程。现在，仅以立体仓库控制系统为例，介绍PLC的控制系统设计。三、立体仓库硬件设计(一)立体仓库主体结构 立体仓库主体由底盘、四层十二仓位库体、运动机械
14、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。电气控制是由松下电工生产的FP0型可编程序控制器(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。控制面板上的开关及按钮功能及仓位号（见图一、二） 图一控制面板上的开关及按钮功能 图二控制面板上的仓位号表一、控制面板上的按钮功能表按键号功能选择定义l自动选择1号仓位手动机构水平向左移动2自动选择2号仓位手动机构垂直向下移动3自动选择3号仓位手动机构水平向右移动4自动选择4号仓位手动机构水平向后移动5自动选择5号仓位手动机构垂直向上移动6自动选择6号仓位手动机构水平向
15、前移动7自动选择7号仓位手动无意义8自动选择8号仓位手动无意义9自动选择9号仓位手动无意义10自动选择10号仓位手动无意义11自动选择11号仓位手动无意义12自动选择12号仓位手动无意义 (二) 可编程序控制器的原理与选择1.PLC的一般结构PLC采用了典型的计算机结构，主要是由CPU、RAM、ROM和专门设计的输入输出接口电路等组成,PLC结构示意图如图三所示，PLC逻辑结构示意图如图四所示 图三 PLC结构示意图 图四 PLC逻辑结构示意图(1).中央处理机中央处理机是PLC的大脑，它是由中央处理器和存储器组成。.中央处理机(CPU)一般由控制电路、运算器和寄存器组成,这些电路一般都集成在
16、一块芯片上.CPU通过地址总线、数据总线和控制总线与存储单元、输入输出( I/O)接口电路相连接.不同型号的PLC可能使用不同的CPU部件，制造厂家使用CPU部件的指令系统编写系统程序，并固化到只读存储器ROM中。CPU按系统程序赋予的功能，接收编程器键入的用户程序和数据，存入随机存储器RAM中，CPU按扫描方式工作，从0000首址存放的第一条用户程序开始，到用户程序的最后一个地址，不停地周期性扫描，每扫描一次，用户程序就执行一次。CPU的主要功能：a.从存储器中读取指令b.执行指令c.准备取下一条指令d.处理中断.存储器存储器是具有记忆功能的半导体电路，用来存储系统程序、用户程序、逻辑变量和
17、其它一些信息。在PLC中使用两种类型存储器为RAM和ROM。a.只读存储器ROM，ROM中的内容是由PLC的制造厂家写入的系统程序，并且永远驻留（PLC去电后再加电,ROM内容不变）。系统程序一般包括检查程序、翻译程序和监控程序。b.随机存储器RAM，RAM是可读可写存储器，读出时，RAM中的内容不被破坏；刚写入的信息就会消除原来的信息。RAM中一般存放用户程序、逻辑变量和供内部程序使用的工作单元。(2).电源部件电源部件将交流电源转换成供给PLC的中央处理器、存储器等电子电路工作所需要的直流电源，使PLC能正常工作，PLC内部电路使用的电源是整体的能源供给中心，它的好坏直接影响PLC的功能和
18、可靠性，因此目前大部分PLC采用开关式稳压电源供电。(3).输入、输出部分 这是PLC与被控设备相连接的接口电路。用户设备需输入PLC的各种控制信号，如限位开关、操作按钮、选择开关、行程开关以及其它一些传感器输出的开关量或模拟量(要通过模数变换进入机内)等，通过输入接口电路将这些信号转换成中央处理器能够接收和处理的信号。 输出接口电路将中央处理器送出的弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器、电机等被控设备的执行元件。.输入接口电路 现场输入接口电路一般由光电耦合电路和微电脑输入接口电路组成。.输出接口电路 一般由微电脑输出接口电路和功率放大电路组成。PLC一般采用继电器
19、输出，也有的采用晶闸管或晶体管输出。 但是当选择使用脉冲控制的电机时，必须选择晶体管输出形式的PLC。除了上面介绍的这几个主要部分外，PLC上还配有和各种外围设备的接口，均用插座引出到外壳上，可配接编程器、计算机、打印机、录音机以及AD、DA、串行通信模块等，可以十分方便地用电缆进行连接。2.PLC的工作原理PLC虽具有微机的许多特点但它的工作方式却与微机有很大不同。微机一般采用等待命令的工作方式。如常见的键盘扫描方式或I0扫描方式，有键按下或I0动作则转入相应的子程序，无键按下则继续扫描。PLC则采用循环扫描工作方式，在PLC中，用户程序按先后顺序存放，如CPU从第一条指令开始执行程序，直至
20、遇到结束符后又返回第一条。如此周而复始不断循环。这种工作方式是在系统软件控制下，顺次扫描各输入点的状态，按用户程序进行运算处理，然后顺序向输出点发出相应的控制信号。整个工作过程可分为五个阶段：自诊断，与编程器等的通信，输入采样，用户程序执行，输出刷新，其工作过程框图如图五所示。图五 PLC结构过程框图每次扫描用户程序之前，都先执行故障自诊断程序。自诊断内容为I0部分、存储器、CPU等，发现异常停机显示出错。若自诊断正常，继续向下扫描。 PLC检查是否有与编程器计算机等的通信请求，若有则进行相应处理，如接收由编程器送来的程序、命令和各种数据，并把要显示的状态、数据、出错信息等发送给编程器进行显示
21、。如果有与计算机等的通信请求，也在这段时间完成数据的接受和发送任务。 PLC的中央处理器对各个输入端进行扫描，将输入端的状态送到输入状态寄存器中，这就是输入采样阶段。 中央处理器CPU将指令逐条调出并执行，以对输入和原输出状态(这些状态统称为数据）进行“处理”，即按程序对数据进行逻辑、算术运算，再将正确的结果送到输出状态寄存器中，这就是程序执行阶段。 当所有的指令执行完毕时。集中把输出状态寄存器的状态通过输出部件转换成被控设备所能接受的电压或电流信号，以驱动被控设备，这就是输出刷新阶段。 PLC经过这五个阶段的工作过程，称为一个扫描周期，完成一个周期后，又重新执行上述过程，扫描周而复始地进行。
22、扫描周期是PLC的重要指标之一，在不考虑第二个因素(与编程器等通讯)时，扫描周期T为: T=(读入一点时间x输入点数)+(运算速度x程序步数)+(输出一点时间x输出点数)+故障诊断时间。 显然扫描时间主要取决于程序的长短，一般每秒钟可扫描数十次以上，这对于工业设备通常没有什么影响。但对控制时间要求较严格，响应速度要求快的系统，就应该精确的计算响应时间，细心编排程序，合理安排指令的顺序，以尽可能减少扫描周期造成的响应延时等不良影响。PLC与继电接触器控制的重要区别之一就是工作方式不同。继电接触器是按“并行”方式工作的，也就是说是按同时执行的方式工作的，只要形成电流通路，就可能有几个电器同时动作。
23、而PLC是以反复扫描的方式工作的，它是循环地连续逐条执行程序，任意时刻它只能执行一条指令，这就是说PLC是以“串行”方式工作的。这种串行工作方式可以避免继电接触器控制的触点竞争和时序失配问题。总之，采用循环扫描的工作方式也是PLC区别于微机的最大特点。 3.确定输入输出点数 根据上述运行情况的分析，可以确定该系统的输入和输出点数 (1)输入设备的数量：根据系统的控制要求，该立体仓库系统共有12个仓位，有12个微动开关，这样此处需要12个点，检测目的仓位是否有物需要1点，货台回位限位需要1点，货台到位限位需要1点，反射式传感器需要1点，自动/手动的选择需要1点，44键盘需要4点，X轴限位保护需要
24、2点，Y轴限位保护需要2点，所以输入点需要25点。 (2)输出设备的数量 根据系统的控制要求，X轴，Y轴的运行共需要两台步进电动机，Z轴需要一台直流电动机，这样控制步进电动机和直流电动机共需要6点，就绪、取和放指示灯需要3点，十位显示需要1点，BCD码输出显示需要4点，所以输出点需要14点。在该立体仓库控制系统中我们需要PLC的输入点为25点，输出点为14点。 4选择PLC型号根据上述的计算，我们需要输入25点，输出14点的PLC。又考虑到以后改变方案时，一般要检测电机的转速。而FPO型的PLC有特殊功能指令SPD，可以方便的检测电机的转速；另外该PLC的指令系统不宜算术运算和数据处理功能，加
25、上其扫描速度较快，可以短时间内完成PLD控制的运算。因此，即使控制方案有变化，该PLC仍能继续使用。综合上述各方面的情况，确定使用FP0-C16系列的PLC(FP0-C16T)，再加一块FP0-E16RS扩展单元和一块FP0-El6X型的扩展单元。这样，经扩展后的PLC输入点共为32点，输出点为16点，完全满足系统要求。(三)立体仓库的工作原理本系统采用滚珠丝杠、滑杠和普通丝杠作为主要传动机构，电机采用步进电机和直流电机，其关键部分是堆垛机，它由水平移动、垂直移动及伸叉机构三部分组成，其水平和垂直移动分别用两台步进电机驱动滚珠丝杠来完成，伸叉机构由一台直流电机来控制。它分为上下两层，上层为货台
26、，可前后伸缩，低层装有丝杠等传动机构。当堆垛机平台移动到货架的指定位置时，伸叉电机驱动货台向前伸出可将货物取出或送入，当取到货物或货已送入，则铲叉向后缩回。整个系统需要三维的位置控制。其工作原理如下：1.接通电源。2.将选择开关置于手动位置（此时16号有效）3.分别点动按键1、2、3、4、5、6，观察水平（X轴）、垂直(Y轴)、前后(Z轴)各丝杠运行情况，运行应平稳，在接近极限位置时，应执行限位保护（运行自动停止）。4.用计算机或手持编程器（需另购）编写程序并下装至PLC。5.将选择开关置自动位置（通电状态下，各机构复位，即返回零位）。6.将一带托盘汽车模型置零号仓位，放置模型时，入位要准确，
27、并注意到仓位底部检测开关已动作。7.执行送指令(1)选择欲送仓位号，按动仓位号对应按钮，控制面板上的数码管显示仓位号。(2)按动送指令按钮，观察送入动作（若被选择仓位内已有汽车，则该指令不被执行）。(3)指令完成后，机械自动返回。(4)零号仓位已无汽车，则下一个送指令（误操作）将不被执行。8.执行取指令(1)选择欲取仓位号，按动仓位号对应按钮，控制面板上的数码管显示仓位号。(2)按动取指令按钮，观察取出动作（若被选择仓位内无汽车，则该指令不被执行）。(3)指令完成后，机构自动复位。(4)零号仓位已有汽车，则下一个取指令（误操作），将不被执行。9、演示程序中的其它内容(1)当零号仓位上有货物时，
28、若无外部操作指令，“就绪”灯亮，延时10秒后，自动将货物放在仓库号最小的空位上，依次类推。如1#、2#、3#、4#都已有货物，程序延时10秒，10秒内若无外部操作指令，自动将货物放在5#仓库。如1#、3#、4#都已存放货物， 10秒内若无外部操作指令，自动将货物放在2#仓库。在延时的10秒内，若按下数字5，然后按下“送”键，则运行机构将货物放入5#库，若按下5键后，想取消此操作，可按下“放弃”键。此时，程序又处在待命状态，“就绪”灯亮，又可进行其它操作。(2)当零号仓位上无货物时，若无人操作，“就绪”灯亮10秒后，程序将把数值最大仓库号里的物品转运至没有放货物的仓号比它小的仓库里。如1#、2#
29、、5#有物，该程序将自动把5#物品转至3#仓库。若需从5#取回物品，放入4#库，操作步骤如下：“就绪”灯亮时，按下按钮键“5”，再按“取”键，运行机构执行程序要求取回货物后，停在起初位置。此时按按键4，再按“送”键，运行机构将把货物放在4#库，然后停在起初位置，“就绪”灯亮10秒后，若无外部操作指令，程序又将4#库货物转至3#库。 根据前面的分析，该立体仓库系统的运行情况归纳如下：当按下启动按钮后，允许进行立体仓库运行的控制。在正常的情况下，按下某一仓位的按钮和“取”或“送”按钮，系统将进行相应的动作，此时控制面板上的数码管显示相应的仓位号。当出现故障时，电机停止运行。在紧急情况下，按下紧急按
30、钮，送货物送回原来的位置，只有当故障排除后，才能重新运行。图六 立体仓库控制流程图(四)步进电机的原理与选择1.步进电机的工作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
31、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。2. 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
32、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,只有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。(8)由于存在失步和共振，因此步进电机的加减速的方法根据利用状态的不同而复杂多变。3. 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
33、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驱动系统，如图七所示 。 图七 步进电机驱动系统的基本组成4.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、额定转矩和运行频率，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
34、为：移动部分总重 M=25kg 外力 Fa=4kg.cm磨擦系数 =0.04螺栓机构的效率 =O. 9螺栓轴径 =1.2cm螺栓长 =42cm螺距 P=3mm分辨率 L=0.01mm移动距离 =0.0075mm/步速度 V=2mmin 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/(360L)=21.8(360O.01)=1轴向力F=Fa+M=4+0.0425=5kg.cm负载转矩=FP(2 )+()/2 =50.3(2 3.140.9)+ (0.31.67 0.3)/(2 3.14)=0.289kg.cm 螺栓的惯量 =（）/32=（3.147.942）/
35、32=0.0675kg.移动体的惯量=M=25=0.0571 kg. 负载惯量为=+=0.0675+0.00571=0.1246kg.根据以上计算可以初步选定步进电动机，其惯量为=0.03 kg.，空载起动频率=3000H。由要求的速度可求出运行的频率：f=VL=2000(600.01)=3333HZ可知需要加减速的驱动方式。齿轮比：G=360/L=0.0075 360/ (1.80.01)=150换算到电机轴的负载转矩为T=GL(+F)/ 2 =1500.01(0.289+5)/(6.280.9) =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23倍的余量，所以电机转矩=
36、3T=31.40=4.2 kg.cm =0.41N.M根据以上的计算，我们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。电气原理图如图八所示。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。图八 步进电机的出线图此步进电机的电气技术数据为:电机型号相数步距角相电流驱动电压额定转矩重量42BYGH1012 1.81.7ADC24V0.44NM 0.24 kg（五）步进电机驱动器的原理与选择1 .步进电机驱
37、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V
38、CC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的驱动电流，参见图九和图十。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。 图九 输入信号接口电路 图十 外接限流电阻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，其接口见图十一。 图十一 初相位信号接口电路(2). 报警输出信号：每台
39、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。触点规格：DC24V1A或AC11OVO3A。一般来说，对于两相四根线电机，可以直接和驱动器相连，见图十二。 图十二 电机与驱动器接线图所以我们采用北京斯达特机电科技发展有限公司生产的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
40、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：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十三 图十三 步进电机驱动器接线示意图3.步进电机驱动器细分数和电机相电流的设定(1). 细分数的设定要了解“细分”，先要弄清“步距角”这个概念：它表示控制系统每发一个步进脉冲信号
41、，电机所转动的角度。SH系列驱动器是靠驱动器上的拨位开关来设定细分数的，您只需根据面板上的提示设定即可。在系统频率允许的情况下，尽量选用高细分数。对于两相步进电机,细分后电机的步距角等于电机的整步步距角除以细分数，例如细分数设定为40、驱动步距角为0.9/1.8的电机，其细分步距角为1.840=0.045。可以看出,步进电机通过细分驱动器的驱动，其步距角变小了，如驱动器工作在40细分状态时，其步距角只为电机固有步距角的十分之一，也就是说：当驱动器工作在不细分的整步状态驱动上例的电机时，控制系统每发一个步进脉冲，电机转动1.8；而用细分驱动器工作在40细分状态时，电机只转动了0.045，这就是细
42、分的基本概念。细分功能完全是由驱动器靠精确控制电机的相电流所产生的，与电机无关。驱动器细分后将对电机的运行性能产生质的飞跃，但是这一切都是由驱动器本身产生的，和电机及控制系统无关。在使用时，唯一需要注意的一点是步进电机步距角的改变,这一点将对控制系统所发出的步进信号的频率有影响;因为细分后步进电机的步距角将变小，要求步进信号的频率要相应提高。驱动器细分后的主要优点为：.完全消除了电机的低频振荡。低频振荡(约在200Hz左右)是步进电机的固有特性，而细分是消除它的唯一途径，如果您的步进电机有时要在共振区工作(如走圆弧)，选择细分驱动器是唯一的选择。.提高了电机的输出转矩。尤其是对三相反应式电机，
43、其力矩比不细分时提高约304096。.提高了电机的分辨率。由于减小了步距角、提高了步距的均匀度，提高电机的分辨率是不言而喻的。以上这些优点，尤其是在性能上的优点，并不是一个量的变化，而是质的飞跃。所以我们最好选用细分驱动器。在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。但现在的情况不同了，细分驱动器的出现改变了这种观念，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。所以如果用户采用细分驱动器，相数将变得没有意义(2).电机相电流的设定SH系列驱动器是靠驱动器上的拨位开关来设定电机的相电流，您只需根据面板上的电流设定表格进行设定。4. 步进电机驱动器指示灯说明驱动
44、器的指示灯共有两种：电源指示灯(绿色或黄色)和保护指示灯(红色)。当任一保护发生时，保护指示灯变亮。5. 步进电机驱动器电源接口对于超小型驱动器(SH2H057、SH3F075、 SH2H057M、SH-3F075M)，采用一组直流供电DC(24-40V)，注意正负极不要接错，此电源可以由一变压器变压后加整流滤波(无须稳压)组成;或者由一开关电源提供,参考下图。因为PLC需要采用开关式稳压电源供电,所以在该立体仓库中电源应选用开关式稳压电源，见图十四。 图十四 开关式稳压电源（六）传感器的选择1.反射式传感器的选择在该立体仓库中采用欧姆龙EE-SPY402凹槽型、反射型接插件式传感器作货物检测
45、 ，它是日本欧姆龙公司的产品，采用能抗周围外来光干扰的变调光式；采用变调光式，与直流光式比，不易受外来光干扰的影响；电源电压为DC5-24V的大量程电压输出型；带有容易调整的光轴标识；带有便于调整，动作确认的入光显示灯；其结构图如图十五所示。图十五 反射式传感器结构图工作原理：当物体相对于传感器移动时，反射回来的信号与原先的信号相比较，产生频移，集成电路再把微弱的频移信号进行放大，再经多普勒检测、放大、限幅等措施，最后取得和物体移动信号相关的直流信号输出电平。反射式传感器的时间图和输出回路图如图十六所示图十六 反射式传感器的时间图和输出回路图它有三根连接线(红、蓝、黑)，红色接电源的正极、黑色接电源的负极、蓝色为输出信号，当与挡块接近时输出电平为低电平，否则为高电平。需要注意检测距离不要离传感器太近，否则传感器不能动作；连接是采用接插件方式，千万不要对端子(读出头)进行焊接。此传感器的电气技术数据为型号EE-SPY402形状立式检测方式反射型检测距离5mm(反射率90 1515mm)应差距离0.2mm(检测距离3mm,横方向)光源(发光波长)GaAs红外发光二级管(940nm)显示灯入光时灯亮(红)电源电压DC524V10 脉动(p-p)5以下 消耗电流平均值15mA以上50mA以下控制输出NPN电压输出负载电源电压D
