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1、TVT99C 立体仓库模型一、实验目的1.掌握 PLC 控制的基本原理,主要以 PLC 编程练习及位置控制、上位机监控练习。2.掌握步进电机的工作原理,掌握步进电机驱动器的使用方法。3.掌握通过传感器信号采集，PLC 编程，实现对步进电机及直流电机进行较复杂的位置控制及时序逻辑控制等功能4.两台或两台以上模型联机控制，可以学习低速工业网络的使用及协议，在上位机监控方面，可以学习多台模型优化控制运行，与实际监控现场的控制规模相似，是一种涵盖了 PLC 控制技术、位置控制技术、检测技术，局域网络技术的实物仿真模型。二、实验设备 1.立体仓库模型 1 台2.计算机 1 台3.编程电缆 1 根三、实验
2、原理与步骤(一)、立体仓库的基本结构立体仓库主体由底盘、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1 自 动 选 择 1 号 仓 位手 动 机 构 水 平 向 左 移 动自 动 选 择 2 号 仓 位2手 动 机 构 垂
3、直 向 下 移 动自 动 选 择 3 号 仓 位3手 动 机 构 水 平 向 右 移 动自 动 选 择 4 号 仓 位4手 动 机 构 水 平 向 后 移 动自 动 选 择 5 号 仓 位5手 动 机 构 垂 直 向 上 移 动自 动 选 择 6 号 仓 位6手 动 机 构 水 平 向 前 移 动自 动 选 择 7 号 仓 位7手 动 无 意 义自 动 选 择 8 号 仓 位8手 动 无 意 义自 动 选 择 9 号 仓 位9手 动 无 意 义自 动 选 择 10 号 仓 位10手 动 无 意 义自 动 选 择 11 号 仓 位11手 动 无 意 义自 动 选 择 12 号 仓 位12手 动
4、无 意 义(二)立体仓库硬件原理1.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，实现宽广范围内速度的无级平滑控制。步进电动机的这种控制
5、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.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。.步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比.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。.起制动、正反转、变速等控制
6、方便。.价格便宜,可靠性高。.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。.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。.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
7、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，如图三所示 。图三 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lTNTyf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=4
8、kg. cm磨擦系数 =0.04螺栓机构的效率 =O. 9螺栓轴径 =1.2cmBD螺栓长 =42cmL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)=1b轴向力F=Fa+ M=4+0.0425=5kg. cm负载转矩=FP(2 )+( )/2 lT0FP=50.3(2 3.140.9)+ (0.31.67 0.3)/(2 3.14)=0.289kg. cm螺栓的惯量=（ ）/32BJBL4D=（3.147.9 42
9、 ）/3231042.=0.0675kg.2cm移动体的惯量=MtJ)/(P=25 28.630=0.0571 kg.c负载惯量为= +LJBt=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 =0.03 MJkg. ，空载起动频率 =3000H。2csf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)=150b换算到电机轴的负载转矩为T=GL( +F)/ 2 lT=1500.01(0.289+5)/(6.280.9)
10、=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 =3T=31.40=4.2 kg. cm =0.41N. MNT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。电气原理图如图四所示。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。图四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
11、电压 额定转矩 重量42BYGH101 2 1.8 1.7A DC24V 0.44N M 0.24 kg2.步进电机驱动器的原理与选择(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
12、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 的驱动电流，参见图五和图六。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。图五 输入信号接口电路 图六 外接限流电阻 R步进电机驱动器的输出信号有两种:.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
13、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，其接口见图七。图七 初相位信号接口电路. 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。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，见图八。 图八 电机与驱动器接线图所以我们采用北京斯达特机电
14、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
15、器接线示意图见图九 图九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. 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，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
