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1、XX大学毕业设计(论文)任务书课题名称基于S7-2000 PLC控制制的小型自动动化立体仓库设计学 院 电气信息学院专业班级自动化084班班姓 名XX学 号0890644444毕业设计(论文文)的主要内内容及要求：（1）了解自动动化立体仓库库的组成及基基本功能，熟熟悉PLC控控制系统设计计的一般步骤骤。（2）结合相关关资料设计立立体仓库的系系统结构图； 本课题所所设计的立体体仓库具有以以下功能：1、堆垛机（机机械手）要有有三个自由度度，即：前进进、后退；上上、下；左、右右2、堆垛机的运运动由步进电电机驱动3、堆垛机前进进（或后退）运运动和上（或或下）运动可可同时进行4、堆垛机前进进、后退和上上
2、、下运动时时必须有超限限位保护5、每个仓位必必须有检测装装置（微动开开关），当操操作有误时发发出错误报警警信号6、当按完仓位位号后，没按按入或取前，可可以按取消键键进行取消该该操作7、整个电气控控制系统必须须设置急停按按钮，以防发发生意外起止时间：2012年2月21日至2012年6月5日共15周指 导 教 师师签 字系 主 任签 字院 长签 字装订线XXXX大学 毕业设计论文摘要自动化立体仓库库是现代物流流系统中迅速速发展的一个个重要组成部部分,是一种多层层存放货物的的高架仓库系系统，由自动动控制与管理理系统、高位位货架、巷道道堆垛机、自自动入库、自自动出库、计计算机管理控控制系统以及及其他辅
3、助设设备组成。它它具有节约用用地、减轻劳劳动强度、消消除差错、提提高仓储自动动化水平及管管理水平、提提高管理和操操作人员素质质、降低储运运损耗、有效效地减少流动动资金的积压压、提高物流流效率等诸多多优点。如今今我国国民经经济的飞速发发展,自动化立体体仓库必然会会在各行各业业中得到越来来越广泛的应应用。本课题的电气控控制主要由西西门子公司的的PLC、步进进电机驱动器器、步进电动动机、直流电电动机等器件件组成。本文文首先对本课课题进行简要要的介绍，包包括背景，研研究意义，现现状等；其次次对该系统的的硬件组成、结结构、原理进进行了阐述和和分析；再次次对本系统用用到的器件分分别进行介绍，重重点对PLC
4、C程序进行了了编写；最后后对设计本课课题所学到的的知识进行归归纳和总结。关键字：立体仓仓库 可编程控控制器（PLLC） 西门子S7-200 AbstracctThe auttomateed warrehousse is one oof thee impoortantt partts in moderrn loggisticcs. Its a mullti-laayer ooverheead waarehouuse syystem to sttore ggoods. By tthe auutomattic coontroll and managgementt systtem, hhigh ssh
5、elf, roaddway sstackeer, auutomattic sttoragee, auttomatiic libbrary, compputer contrrol syystemss, andd otheer auxxiliarry equuipmennt, it haas a lland cconserrvatioon, annd redduce llabor intennsity and eeliminnate eerrorss, impprove the llevel of waarehouuse auutomattion aand maanagemment llevel,
6、 to iimprovve thee quallity oof mannagemeent annd opeeratioons sttaff, reducce outtages, and effecctive in reeducinng thee backklog oof liqquiditty andd imprrove llogisttics eefficiiency and mmany oother advanntagess. Todayy, witth thee rapiid devvelopmment oof Chiinas natioonal eeconommy, thhe autt
7、omateed warrehousse willl ineevitabbly appplicaation in alll wallks off lifee.The subbject is maainly made of Siiemenss PLC, steppper mmotor drivees, sttepperr motoors, ddirectt currrent mmotor otherr deviices. Firstt, a bbrief introoductiion too the topicc, inccludinng bacckgrouund, ssignifficancce
8、, sttatus; Seconnd, thhe sysstem hhardwaare, tthe sttructuure, pprinciiples are ddescriibed aand annalyzeed; Thirdd, thee deviices tthat aare ussed inn thiss systtem weere inntroduuced, focussing oon thee prepparatiion off PLC progrram; Finallly, tthe knnowleddge leearnedd and concllusionns on the t
9、topic are ssummarrized.Keywordds : SStereooscopiic warrehousse Prrogrammmablee conttrolleer Siiemenss S7-2000目 录第1章 绪论论11.1 本课题题设计的背景景11.2 本课题题设计内容11.3 本课题题设计的目的的和意义21.4 小结2第2章.系统控控制方案的确确定32.1 自动化化立体仓库的的简介32.2 立体仓仓库系统的功功能32.3 采用 PLC 控控制立体仓库库的优点52.4 立体仓仓库技术参数数的确定52.5 系统设设计的基本步步骤52.6 小结6第3章 系统硬硬件设计73.
10、1控制系统统结构设计73.2可编程控控制器的选型型73.2.1可编编程控制器的的基本结构73.2.2可编编程控制器（PLC）的特点83.2.3控制制功能的选择择83.2.4 PPLC 机型型的选择83.3步进电机机的选择93.3.1步进进电机的介绍绍93.3.2步进进电机的结构构103.3.3步进进电机的工作作原理103.3.4步进进电机的控制制123.3.5步进进电机的特点点143.3.6步进进电机驱动系系统的基本组组成143.3.7步进进电机的选择择计算153.4步进电动动机驱动器的的选择173.5传感器的的选择193.6微动开关关的选择203.7并联型开开关稳压电源源203.8 PLCC
11、输入输出分分配表213.9 电气原原理图的设计计223.10 小结结22第4章 系统软软件设计234.1编程语言言的介绍234.2系统流程程图244.3主要程序序的设计254.4小结330结论31致谢32参考文献333附录A 梯梯形图设计34VI第1章 绪论论1.1本课题设设计的背景立体仓库的产生生和发展是第第二次世界大大战之后生产产和技术发展展的结果。550年代初，美国国出现了采用用桥式堆垛起起重机的立体体仓库；500年代末60年代初出出现了司机操操作的巷道式式堆垛起重机机立体仓库；1963年美美国率先在高高架仓库中采采用计算机控控制技术，建建立了第一座座计算机控制制的立体仓库库。此后，自自
12、动化立体仓仓库在美国和和欧洲得到迅速速发展，并形形成了专门的的学科。600年代中期，日日本开始兴建建立体仓库，并并且发展速度度越来越快，成成为当今世界界上拥有自动动化立体仓库库最多的国家家之一。我国对立体仓库库及其物料搬搬运设备的研研制开始并不不晚，19663年研制成成第一台桥式式堆垛起重机机（机械部北北京起重运输输机械研究所所），19773年开始研研制我国第一一座由计算机机控制的自动动化立体仓库库（高15米，机械械部起重所负负责），该库库1980年投投入运行。到到2003年为为止，我国自自动化立体仓仓库数量已超超过200座。立立体仓库由于于具有很高的的空间利用率率、很强的入入出库能力、采采用
13、计算机进进行控制管理理而利于企业业实施现代化化管理等特点点，已成为企企业物流和生产管管理不可缺少少的仓储技术术，越来越受受到企业的重重视。本论文主要是基基于PLC所设计计的立体仓库库电气控制系系统。下面简简单阐述PLLC的发展背背景。19668年美国最最大的汽车制制造商通用汽汽车公司为了了适应汽车型型号不断更新新，提出把计计算机的完备备功能、灵活活性、通用性性好等优点和和继电器-接触器控制制系统的简单单易懂、操作作方便、价格格低等优点结结合到一起，做做成了一种能能适应工业环环境的通用控控制装置，并并把其编程方方法及程序输输入方法简化化，使不熟悉悉计算机的人人员也能够快快速掌握其使使用技术。根根
14、据这一设想想，美国数字字设备公司于于1969年率率先研制出第第一台可编程程控制器(简称PLC)，并在通用用汽车公司的的自动装配线线上试用获得得成功。由于于PLC的可靠靠性高，操作作简单，可以以大大减少设设备的维修和和停产所造成成的经济损失失。当前PLLC已经成为为了电气自动动化控制系统统中应用最为为广泛的核心心 控制装置。11985 年年国际电工委委员会（IEEC）对PLC的定义义如下：“可编程控制制器是一种进进行数字运算算的电子系统统，是专为在在工业环境下下的应用而设设计的工业控控制器，它采采用了可以编编程的存储器器，用来在其其内部存储执执行逻辑运算算、顺序控制制、定时、计计算和算术运运算等
15、操作的的指令，并通通过数字或模模拟式的输入入和输出，控控制各种类型型机械的生产产过程1。”因此，进行行立体仓库的的PLC控制系系统的设计，可可以推动机械械手行业的发发展，扩大PPLC在自动动控制领域的的应用，具有有一定的经济济和理论研究究的价值。1.2 本课题题设计内容本设计用西门子子S7-200系列的的控制器作为为控制核心，实实现一个十二二仓位的立体体仓库的入库库出库功能。立立体仓库主体体有底盘、四四层十二仓位位库体、运动动机械及电气气控制等四部部分组成。电电气控制部分分由西门子生生产的S7-200型的可可编程控制器器、步进电机机驱动、各种种位置电磁传传感器和一些些低压电器元元件组成。SS7
16、-200型可编编程控制器作作为控制核心心，采集输入入端口信号后后完成各种逻逻辑控制和数数据的运算，然然后通过输出出端口完成电电机的运动和和各种信号的的现实。该系系统要能够实实现手动和自自动两种工作作模式，通过过键盘可以对对设备进行控控制。1.3 本课题题设计的目的的和意义自动化立体仓库库在各行各业业得到而来广广泛的应用，进进行PLC立体仓仓库的设计对对于节约土地地资源，节省省劳动力方面面都有着不可可代替的作用用。PLC作为工工业自动化三三大支柱的重重要一部分，因因为其可靠性性高、抗干扰扰能力强、设设计安装容易易等特点而被被广泛的应用用于自动化控控制的各个领领域。PLCC控制系统可可以很好的完完
17、成立体仓库库的控制有助助于其实现自自动化。因此此，进行立体体仓库的PLLC控制系统统的设计，可可以推动机械械手行业的发发展，扩大PPLC在自动动控制领域的的应用，具有有一定的经济济和理论研究究的价值。1.4 小结本章以课题设计计为中心，分分别介绍了课课题设计的背背景、内容、目目的和意义。立立体仓库发展展速度越来越越快，采用计计算机进行控控制管理而利利于企业实施施现代化管理理等特点，已已成为企业物物流和生产管管理不可缺少少的仓储技术术，越来越受受到企业的重重视。PLCC凭借着其可可靠性高、抗抗干扰能力强强、使用方便便、设计安装装容易等特点点能很好的完完成立体仓库库控制系统的的设计。第2章.系统控
18、控制方案的确确定2.1自动化立立体仓库的简简介自动化立体仓库库是机械和电电气、强电控控制和弱电控控制相结合的的产品。它主主要由货物储储存系统、货货物存取和传传送系统、控控制和管理等等三大系统所所组成。货物物存储系统由由立体货架的的货格(托盘或货箱箱)组成，货架架按照排、列列、层组合而而成立体仓库库储存系统；货物存取和和传送系统承承担货物存取取、出入仓库库的功能，它它由有轨或无无轨堆垛机、出出入库输送机机、装卸机械械等组成；自自动化立体仓仓库视情况不不同采取不同同的控制方式式：有的仓库库只采取对存存取堆垛机、出出入库输送机机的单台 PPLC 控制制，机与机无无联系；有的的仓库对各单单台机械进行行
19、联网控制。更更高级的自动动化立 体仓库的控控制系统采用用集中控制、分分离式控制和和分布式控制制，即由管理理计算机、中中央控制计算算机和堆垛机机、出入库输输送等直接控控制的可编程程序控制器组组成控制系统统。2.2 立体仓仓库系统的功功能图2-1 立体体仓库模型图图在此设计的立体体仓库需要满满足一下功能能：（1）堆垛机（机机械手）要有有三个自由度度，即：前进进、后退；上上、下；左、右右；（2）堆垛机的的运动由步进进电机驱动；（3）堆垛机前前进（或后退退）运动和上上（或下）运运动可同时进进行；（4）堆垛机前前进、后退和和上、下运动动时必须有超超限位保护；（5）每个仓位位必须有检测测装置（微动动开关）
20、，当当操作有误时时发出错误报报警信号；（6）当按完仓仓位号后，没没按入或取前前，可以按取取消键进行取取消该操作。（7）整个电气气控制系统必必须设置急停停按钮，以防防发生意外。系统控制面板如如下图2-22所示： 图 2-2 控控制面板因此本课题设计计的具体控制制功能如下： （1）将选择开开关置于自动动位置，通电电状态下，各各机构复位，即即返回零位。立立体仓库坐标标定位以零位位开始。 （2）当送货的的时候，选择择欲送货物的的仓位号，按按动仓位号对对应的按钮，控控制面板数码码管显示仓位位号。按送货货按钮后，货货物自动送入入指定的仓位位号对应的仓仓库位里。若若被指定的仓仓位号里有货货物，则送货货命令不
21、被执执行。送货完完成后，小车车自动返回原原来的位置。 （3）当取货的的时候，选择择欲取货物的的仓位号后，按按动取货按钮钮后，在控制制面板的数码码管里显示出出来，堆垛机机可以自动将将货物取出。如如果小车里有有货物，则取取货命令不被被执行。（4）取货和送送货指令完成成后，机构自自动返回原来来位置。 （5） 整个电电气控制系统统必须设置急急停按钮，以以防发生意外外。2.3 采用 PLC 控控制立体仓库库的优点PLC 的应用用非常广泛，按按PLC编程功功能可分为 4 大类2：开关关量顺序控制制、通信功能能、模拟量控控制、运动控控制。PLCC的应用大大大提高了控制制系统的稳定定性、适用性性、并且降低低了
22、系统成本本。其控制系系统简单，更更改容易，施施工周期短；系统维护容容易。自动化化立体仓库，少少不了自动化化仓库管理系系统，只有使使用强大的仓仓库管理系统统才能使得仓仓库管理和业业务流程上一一个台阶，才才能将先进的的硬件设备发发挥作用、 产生效益，针针对这一仓库库管理系统，我我选择了PLLC。选择 PLLC是因为它它的稳定性比比单纯的使用用单片机要稳稳定的多，所所能实现的功功能也强大的的多。总的来来看，基于PPLC的自动动化立体仓库库可以总结为为如下几点优优点：低成本本、范围广、高高速、便捷、永永远在线、结结构灵活、数数字化等。2.4立体仓库库技术参数的的确定表2-3立体仓仓库具体参数数：出/入
23、货柜台最最重物品20Kg每个仓位的高度度45CM仓位的上下距离离05CM仓位的平行距05CM仓位的体积4 M3可编程控制器（PLC）电源24V DC堆垛机电源220V ACC,50Hzz2.5系统设计计的基本步骤骤在立体仓库控制制系统的设计计过程中主要要要考虑以下下几点：（1）深入了解解和分析立体体仓库的工艺艺条件和控制制要求。（2）确定I/O设备。根根据立体仓库库控制系统的的功能要求，确确定系统所需需的用户输入入、输出设备备。（3）根据I/O点数选择择合适的PLLC类型。（4）分配I/O点，分配配PLC的输入入输出点，编编制出输入输输出分配表或或者输入输出出端子的接线线图。（5）设计立体体仓
24、库系统的的梯形图程序序，根据工作作要求设计出出周密完整的的梯形图程序序，这是整个个立体仓库系系统设计的核核心工作。（6）将程序输输入PLC进行软软件测试，查查找错误，使使系统程序更更加完善。（7）立体仓库库整体调试，在在PLC软硬件件设计和现场场施工完成后后，就可以进进行整个系统统的联机调试试，调试中发发现的问题要要逐一排除，直直至调试成功功。立体仓库系统设设计与调试的的主要步骤，如如图2-4所示：图2-4 课题题设计步骤2.6小结本章围绕系统方方案的确定，首首先对自动化化立体仓库进进行了简单的的介绍。自动动化立体仓库库是机械和电电气、强电控控制和弱电控控制相结合的的产品。主要要由货物储存存系
25、统、货物物存取和传送送系统、控制制和管理等三三大系统所组组成。其次阐阐述了本课题题设计的自动动化立体仓库库实现的功能能与总体的控控制步骤。第第三节讲述了了PLC的优点点和选择PLLC进行控制制的原因。最最后确定了立立体仓库的具具体参数，并并详细介绍了了本课题设计计的基本步骤骤。第3章 系统硬硬件设计3.1控制系统统结构设计本课题设计采用用的是运用 PLC 控控制系统来控控制立体仓库库的运动.这种设计的的优点是能快快速的对输入入信号做出反反应控制立体体仓库,而且检修起起来较为方便便。控制系统统结构图如下下图 3-11 所示。图 3-1 控控制系统结构构图3.2可编程控控制器的选型型3.2.1可编
26、编程控制器的的基本结构可编程控制器的的基本结构由由输入/输出模块、中中央处理单元元、电源部件件和编 程器等组成成。PLC与计算算机的基本组组成一致，它它实际上就是是一种工业控控制计算器3。 （1）输入/输输出模块在PPLC中，CPU是通过过输入/输出模块与与外界连接的的。 输入模块用用于将控制现现场输入信号号变换成CPPU能接收的的信号，并对对其进行滤波波、电平转换换、隔离和放放大等；输出出模块用于将将 CPU的决决策输出信号号变换成驱动动控制对象执执行机构的控控制信号，并并对输出信号号进行功率放放大、隔离PPLC内部和和外部执行元元件等。（2）中央处理理单元 （3）电源部件件中央处理器器单元
27、包括微微处理器、系系统程序存储储器和用户程程序存储器。微微处理器 CCPU 是PLC的核心心部件。电源源部件是把交交流电转换成成直流电源的的装置，它向向PLC提供所所需的高质量量直流电源。3.2.2可编编程控制器（PPLC）的特特点 （1）可靠性高，抗抗干扰强。 （2）功能强大大，性价比高高。 （3）编程简易易，现场可修修改。 （4）配套齐全全，使用方便便。 （5）寿命长，体体积小，能耗耗低。 （6）系统的设设计、安装、调调试、维修工工作量少，维维修方便。3.2.3控制制功能的选择择该选择包括运算算功能、控制制功能、通信信功能、编程程功能、诊断断功能和处理理速度等特性性的选择。根据本课题所设设
28、计的自动门门控制的需要要，主要介绍绍以下几种功功能的选择4。（1）控制功能能PLC主要用于于顺序逻辑控控制，因此，大大多数场合常常采用单回路路或多回路控控制器解决模模拟量的控制制，有时也采采用专用的智智能输入输出出单元完成所所需的控制功功能，提高PPLC的处理理速度和节省省存储器容量量。（2）编程功能能离线编程方式：PLC和编程程器公用一个个CPU，编程程器在编程模模式时，CPPU只为编程程器提供服务务，不对现场场设备进行控控制。完成编编程后，编程程器切换到运运行模式，CCPU对现场场设备进行控控制，不能进进行编程。离离线编程方式式可降低系统统成本，但使使用和调试不不方便。在线线编程方式：CP
29、U和编程程器有各自的的CPU，主机机CPU负责现现场控制，并并在一个扫描描周期内与编编程器进行数数据交换，编编程器把在线线编制的程序序或数据发送送到主机，下下一扫描周期期，主机就根根据新收到的的程序运行。这这种方式成本本较高，但系系统调试和操操作方便，在在大中型PLLC中常采用用。五种标准化编程程语言：顺序序功能图（SSFC）、梯梯形图（LDD）、功能模模块图（FBBD）三种图图形化语言和和语句表（IIL）、结构构文本（STT）两种文本本语言。（3）诊断功能能PLC的诊断功功能包括硬件件和软件的诊诊断。硬件诊诊断通过硬件件的逻辑判断断确定硬件的的故障位置，软软件诊断分内内诊断和外诊诊断。通过软
30、软件对PLCC内部的性能能和功能进行行诊断是内诊诊断，通过软软件对PLCC的CPU与与外部输入输输出等部件信信息交换功能能进行诊断是是外诊断。PPLC的诊断断功能的强弱弱，直接影响响对操作和维维护人员技术术能力的要求求，并影响平平均维修时间间。3.2.4 PPLC 机型型的选择（1）输入电源源电压：244VDC 还还是 2200VAC，根根据供电系统统电压来选择择，一般来说说，不建议直直接从动力电电源直接取电电，最好用隔隔离变压器把把动力电源和和控制电源隔隔离开来，同同时做好滤波波等抗干扰措措施。本设计计采用 244V 直流电电。（2）输入输出出点数：所谓谓的输入输出出点数指的是是整个控制系系
31、统需要用到到的 PLCC的输入点个个数和输出点点个数。一般般来说，当然然是预先设计计好整套系统统方案， 然然后算出所有有的输入输出出点个数，如如果是第一次次设计的方案案，建议预留留点数。经 过估算本设设计中需要输输入端口400个，输出端端口 21个个。（3）输出触点点类型：是继继电器输出类类型还是晶体体管输出类型型。根据所控控制的 执行行机构电源电电压及功率来来决定输出触触点类型，如如果系统里有有需要用到高高速脉冲 输输出控制步进进电机或伺服服系统时，一一定要选择晶晶体管输出类类型。本设计计因为有步 进电机的控控制所以选择择晶体管输出出类型。西门门子S7系列列PLC体积积小、速度快快、 标准化
32、化，具有网络络通信能力，功功能更强，可可靠性更高。SS7 系列 PLC 产产品可分为微微型 PLCC（如 S77-200），小小规模性能要要求的 PLLC（如 SS7-3000）和中、高高性能要求的的 PLC（如如 S7-4400）等。SS7系列 PPLC有专门门的高速脉冲冲输出端，可可以方便的完完成步进电机机的控制。根根据控制功能能要求选 择择微型 PLLC。微型PPLC S77-200系列列可编程控制制器主机分为为 10、114、24、440 点四档档，还有各种种输入和输出出扩展单元，这这样在增加 I/O 点点数时，不必必改变机型，可可以通过扩展展模块实现，降降低了经济投投入。本课题题设计
33、的立体体仓库控制系系统有输入信信号40个，输输出信号211个。所选 I/O 点点不得低于661点，结合合实际情况，考考虑到经济实实惠所选本系系统所采用的的PLC是西西门子S7-200 CCPU2266 DC244V，外加一一个数字量扩扩展模块EMM22311。3.3步进电机机的选择3.3.1步进进电机的介绍绍步进电动机是将将电脉冲信号号转换为相应应的角位移或或直线位移的的一种特殊电电机。每输入入一个电脉冲冲信号电机就就转动一个角角度，它的运运动形式是步步进式的，所所以称为步进进电动机。又又由于它输入入的是脉冲电电流所以也叫叫脉冲电动机机14。步进电动机在不不需要变换的的情况下，能能直接将数字字
34、脉冲信号转转换成角位移移或线位移，因因此它很适合合作为数字控控制系统的伺伺服元件。此此外，它还具具有一系列的的优点，一是是输出角位移移量或线位移移量与其输入入的脉冲数成成正比，而转转速或线速度度与脉冲的频频率成正比，在在负载能力范范围内，这些些关系不受电电压的大小、负负载的大小、环环境条件等外外界各种因素素的干扰。二二是它每转一一周都有固定定的步数，所所以步进电动动机在不失步步的情况下运运行，其步距距误差不会长长期积累。三三是控制性能能好，它可以在开开环系统中在在很宽的范围围内通过改变变脉冲的频率率来调节电机机的转速，并并且能够快速速启动制动和和反转。四是是有些型式的的步进电动机机在停止供电电
35、的状态下，还还有定位转矩矩，有些型式式在停机后某某些相绕组仍仍保持通电状状态，具有自自锁能力，不不需要机械制制动装置等。当当采用速度和和位置检测装装置后，它可可构成闭环控控制系统。计算机技术、电电力电子技术术和微电子技技术的发展，给给步进电动机机的应用开辟辟了广阔的前前景，应用非非常广泛。如如数控机床、绘绘图机、自动动记录仪表、遥遥控装置和航航空系统等等等，都大量使使用步进电动动机。3.3.2步进进电机的结构构图3-2为三相相反应式步进进电动机的径径向截面图。定定转子铁芯由由硅钢片叠压压而成，定子子磁极为凸极极式，磁极的的极面上开有有小齿。定子子上有三套控控制绕组，每每一套有两个个串联的集中中
36、控制绕组分分别绕在径向向相对的两个个磁极上。每每套绕组叫一一相，三相绕绕组接成星形形，所以定子子磁极数通常常为相数的两两倍，即2pp=2m （p为极对数，mm为相数）。转转子上没有绕绕组，沿圆周周也有均匀的的小齿，其齿齿距和定子磁磁极上小齿的的齿距必须相相等，而且转转子的齿数有有一定的限制制。这种结构构形式的优点点是制造简便便，精度易于于保证，步距距角可以做得得较小，容易易得到较高的的启动和运行行频率。图3-2 步进进电动机的结结构3.3.3步进进电机的工作作原理图3-3是一台台三相反应式式步进电动机机的原理图。定定子铁芯为凸凸极式，共有有三对（六个个）磁极，每每两个相对的的磁极上绕有有一相控
37、制绕绕组。转子用用软磁性材料料制成，也是是凸极结构，只只有四个齿，齿齿宽等于定子子的极靴宽。下下面通过几种种基本的控制制方式来说明明其工作原理理。图3-3 步进进电动机原理理图（1）三相单三三拍通电方式式当A相控制绕组组通电，其余余两相均不通通电，电机内内建立以定子子A相极为轴线线的磁场。由由于磁通具有有力图走磁阻阻最小路径的的特点，使转转子齿1、33的轴线与定定子A相极轴轴线对齐，如如图3-3(a)所示。若若A相控制绕组组断电，B相相控制绕组通通电时，转子子在反应转矩矩的作用下，逆逆时针方向转转过30，使使转子齿2、44的轴线与定定子B相极轴轴线对齐，即即转子走了一一步，如图33-3(b)所
38、示。若再再断开B相使C相控制绕组组通电转子又又转过30，使转子齿齿1、3的轴线与定定子C相极轴线对对齐，如图33-3(c)所示。如此按A-BB-C-A的的顺序轮流通通电，转子就就会一步一步步地按逆时针针方向转动。其其转速取决于于各相控制绕绕组通电与断断电的频率，旋旋转方向取决决于控制绕组组轮流通电的的顺序。若按按A-C-BB-A的顺序序通电，则电电机按顺时针针反方向转动动。上述通电方式称称为三相单三三拍运行。“三相”是指三相步步进电动机每每次只有一相相控制绕组通通电；控制绕组每每改变一次通通电方式称为为一拍，“三拍”是指经过三三次改变通电电方式为一个个循环。我们们称每一拍转转子转过的角角度为步
39、距角角常用s来表示，三相单三拍拍运行时ss= 30。（2）三相双三三拍通电方式式控制绕组的通电电方式为ABB-BC-CCA-AB或或AB-CAA-BC-AAB。每拍同同时有两相绕绕组通电，三三拍为一个循循环。当A、B两相控制绕绕组同时通电电时，转子齿齿的位置应同同时考虑到两两对定子极的的作用，只有有A相极和B相极对转子子齿所产生的的磁拉力相平平衡，才是转转子的平衡位位置，如图33-4(a)所示。若下下一拍为B、C两相同时通通电时，则转转子按逆时针针转过30到达新的平平衡位置，如如图3-4(b)所示。可见见，双三拍运运行时的步距距角仍是300。但双三三拍运行时，每每一拍总有一一相绕组持续续通电，
40、例如如由A 、B两相通电变变为B、C两相通电时时，B相保持持续续通电状态，C相磁拉力力图使转子逆时针方向转动，而B相磁拉力却起有阻止转子继续向前转动的作用，即起到一定的电磁阻尼作用，所以电机工作比较平稳。 (a) (b)图3-4 三相相双三拍运行行方式3.3.4步进进电机的控制制由于步进电动机机能直接接收收数字量信号号，所以被广广泛应用于数数字控制系统统中。较简单单的控制电路路是利用一些些数字逻辑单单元组成，即即采用硬件的的方式。但要要改变系统的的控制功能，一一般都要重新新设计硬件电电路，灵活性性较差。以微微型计算机为为核心的计算算机控制系统统为步进电动动机的控制开开辟了新的途途径，利用计计算
41、机的软件件或软、硬件件相结合的方方法能使系统统的功能大大大增强，同时时也提高了系系统的灵活性性和可靠性。以步进电动机作作为执行元件件的数字控制制系统有开环环和闭环两种种形式。（1）开环控制制步进电动机系统统的主要特点点是能实现精精确位移、精精确定位，且且无积累误差差。这是因为为步进电动机机的运动受输输入脉冲控制制，其位移量量是断续的，总总的位移量严严格等于输入入的指令脉冲冲数或其平均均转速严格正正比于输入指指令脉冲的频频率；若能准准确控制输入入指令脉冲的的数量或频率率，就能够完完成精确的位位置或速度控控制，无需系系统的反馈，形形成所谓的开开环控制系统统。步进电机的开环环控制系统，由由控制器（包
42、包括变频信号号源）、脉冲冲分配器、驱驱动电路及步步进电动机四四部分组成如如图3-5所示。开开环控制系统统的精度主要要取决于步距距角的精度和和负载状况。图3-5 步进进电动机开环环控制原理框框图开环控制常常采采用加减定位位控制方式。因因为步进电动动机的启动频频率要比连续续运行频率小小，所以开环环控制的脉冲冲指令频率，只只有小于电机机的最大启动动频率，电机机才能成功启启动。若电动动机的工作频频率总是低于于最高启动频频率，当然不不会失步，但但没有充分发发挥电机的潜潜力，工作速速度太低。为为此，常用加加减速定位控控制。电机开开始以低于最最高启动频率率的某一频率率启动，然后后再逐步提高高频率，使电电机逐
43、步加速速，到达最高高运行频率，电电机高速转动动。在到达终终点前，降频频使电机减速速。这样就可可以既快又稳稳地准确定位位，如图3-6所示。由由于步进电动动机的电磁转转矩受频率影影响较大，所所以负载的加加减速控制不不能像普通电电机那样。为为了实现加减减速的最佳控控制，往往是是分段设计加加速转矩和加加速时间，采采用微机控制制来实现。由于开环控制系系统不需要反反馈元件，结结构比较简单单、工作可靠靠、成本低。因因而在数字控控制系统中得得到广泛的应应用。图3-6 加减减速定位过程程（2）闭环控制制系统在开环控制系统统中，电机响响应控制指令令后的实际运运行情况，控控制系统是无无法预测和监监视的。在某某些运行
44、速度度范围宽、负负载大小变化化频繁的场合合，步进电动动机很容易失失步使整个系系统趋于失控控。另外，对对于高精度的的控制系统，采采用开环控制制往往满足不不了精度的要要求。因此必必须在控制回回路中增加反反馈环节，构构成闭环控制制系统如图33-7所示。与与开环系统相相比多了一个个由位置传感感器组成的反反馈环节。将将位置传感器器测出的负载载实际位置与与位置指令值值相比较，用用比较信号进进行控制，不不仅可防止失失步，还能够够消除位置误误差提，高系系统的精度。闭环控制系统的的精度与步进进电动机有关关，但主要是是取决于位置置传感器的精精度。在数字字位置随动系系统中，为了了提高系统的的工作速度和和稳定性，还还
45、有速度反馈馈内环。图3-7 步进进电动机闭环环系统原理框框图3.3.5步进进电机的特点点（1）位移与输输入脉冲信号号的信号数相相对应，步距距误差不长期期积累，可以以组成结构简简单且具有一一定精度的开开环控制系统统，也可以在在需要更高精精度时组成闭闭环控制系统统。（2）速度可以以在相当宽的的范围内平滑滑调节。（3）易于起动动、停止、正正反转及变速速，快速响应应性能好。（44）具有自锁锁的能力。当当控制脉冲停停止输入且让让最后一个脉脉冲控制的绕绕组继续通电时，电电机可以保持持在固定的位位置上，即停停在最后一个个控制脉冲所所控制的角位位移的终点位位置上。所以以步进电机具具有带电自锁锁能力。（5）步距
46、角选选择的范围大大，可以在几几十角分至1180范围围内进行选择择。在小步距距情况下，通通常可以在超超低速下高转转矩稳定运行行，可以不经经减速器直接接驱动负载。（6）电动机本本身没有电刷刷、转子上没没有绕组，也也不需要位置置传感器，可可靠性高。3.3.6步进进电机驱动系系统的基本组组成与交直流电动机机不同，仅仅仅接上供电电电源，步进电电机不会运行行的。为了驱驱动步进电动动机，必须由由一个决定电电动机速度和和旋转角度的的脉冲发生器器（在该立体体仓库控制系系统中采用PPLC作脉冲冲发生器进行行位置控制）、一一个使电动机机绕组电流按按规定次序通通断的脉冲分分配器、一个个保证电动机机正常运行的的功率放大器器，以及一个个直流功率电电源等组成一一个驱动系统统，如图3-8所示