巷道堆垛類立體車庫結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)設(shè)計

1、<p>　　巷道堆垛類立體車庫結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　摘要：為了改進立體倉庫巷道堆垛機的控制系統(tǒng)性能，設(shè)計制作了自動化立體倉庫和三自由度單立柱巷道堆垛機實體模型。在此基礎(chǔ)上，提出了基于ARM微處理器的立體倉庫巷道堆垛機控制方案。詳細討論了控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)和硬件電路設(shè)計，闡述了控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計過程。實際運行效果表明，該控制方案提高了巷道堆垛機的運行可靠性和準確性，較好地滿足了自動化倉儲

2、系統(tǒng)的作業(yè)需求，是一種新穎的巷道堆垛機控制方案。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：ARM;自動化立體倉庫;I/O;控制系統(tǒng);嵌入式技術(shù) </p><p>　　中圖分類號：TU318 文獻標識碼：A </p><p>　　近年來，電子技術(shù)、通信技術(shù)、計算機技術(shù)特別是嵌入式技術(shù)的飛速進步，為立體倉庫巷道堆垛機嵌入式控制系統(tǒng)的發(fā)展提供了重要的技術(shù)支持。如何利用功能強大的嵌入

3、式處理器改進傳統(tǒng)的巷道堆垛機控制系統(tǒng)已經(jīng)成為有關(guān)廠家重要的研究課題。 </p><p>　　一、概述巷道堆垛式 </p><p>　?。ㄒ唬?、巷道堆垛式的概念 </p><p>　　巷道堆垛式是用巷道堆垛機或特種起重機將汽車水平且同時垂直移動到預(yù)定泊車位置或相反取出汽車的機械式停車設(shè)備。可根據(jù)場地的不同設(shè)置在室外(一般采用全封閉型式)、室內(nèi)、地上或地卜。同時，該設(shè)備

4、也要求存車空間相對獨立，無其它設(shè)備的干擾，且設(shè)備成本較高。一部巷道堆垛機和搬運器所負責(zé)的車輛在50~100輛之間較為合適，不宜超200輛。每一層的停車數(shù)量一般在20輛以上，層數(shù)的確定應(yīng)根據(jù)不同車庫的具體使用面積。在停車設(shè)備的市場份額約占3-5%。存車層數(shù)七層以下，通常選擇五層左右較為合適。 </p><p>　?。ǘ?、巷道堆垛式的特點 </p><p>　　特點：全封閉車庫，存車率高、安

5、全可靠、節(jié)省空間、控制操作方便等特點。該類車庫主要適用于大型密集式存車。 </p><p>　　主要設(shè)備及停車方式:進出口設(shè)備、庫內(nèi)搬運設(shè)備、車輛存放設(shè)施、電控系統(tǒng)、安全檢測裝置等設(shè)備。通常停車位設(shè)置在巷道兩邊或一側(cè)，入庫時司機只需將車停到進出口設(shè)備上，(對停車方向無要求)，其余工作由搬運裝置完成。出庫時司機操作控制面板，汽車自動由升降機泊出至司機等候地點。降低了對司機技術(shù)的要求，縮短了人車交換時間。 </

6、p><p>　　在該自動化立體倉庫實體模型中，設(shè)置了一臺單立柱巷道堆垛機，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。 </p><p>　　圖1巷道堆垛機示意圖 </p><p>　?。ㄈ⑾锏蓝讯鈾C立體車庫結(jié)構(gòu) </p><p>　　巷道堆垛機是自動化立體倉庫的核心存取設(shè)備，其主要機構(gòu)包括行走機構(gòu)、升降機構(gòu)、貨叉伸縮機構(gòu)、立柱及機架、電氣及安全聯(lián)鎖保護機構(gòu)等。

7、為了對基于ARM處理器的立體倉庫巷道堆垛機控制系統(tǒng)進行試驗研究和驗證，需要建立立體倉庫實體模型。堆垛機主要由水平機構(gòu)、垂直機構(gòu)及伸叉機構(gòu)三部分組成，分別完成堆垛機的水平行走、載貨臺的垂直升降和貨叉伸縮的三自由度運動。水平、垂直和伸叉機構(gòu)的運行分別由X軸、Y軸和Z軸的步進電機驅(qū)動具有自鎖功能的絲杠完成。 </p><p>　　為使巷道堆垛機快速、準確地將貨物送入立體倉庫的相應(yīng)倉位并確保存取貨物時的準確性、安全性，系

8、統(tǒng)對堆垛機運動位置的控制可靠性有較高的要求。需要實現(xiàn)的具體控制目標包括:堆垛機控制系統(tǒng)具有自動和手動控制功能;能根據(jù)系統(tǒng)發(fā)出的控制指令作出相應(yīng)的存取動作;系統(tǒng)具備安全聯(lián)鎖保護功能。為此，采用Philips公司基于ARM7TDMI-S內(nèi)核的LPC2131型ARM處理器作為核心控制器，采用高精度、高穩(wěn)定性的42BYGH5403型兩相混合式步進電機及SJ-220型步進電機驅(qū)動器作為其執(zhí)行元件，構(gòu)建了巷道堆垛機的控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示

9、。 </p><p>　　圖2堆垛機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 </p><p>　　在實際運行時，ARM 控制器接收遠程上位監(jiān)控管理計算機或現(xiàn)場專用鍵盤輸入的控制指令并響應(yīng)執(zhí)行，輸出PWM 脈沖寬度調(diào)制信號給電機驅(qū)動器驅(qū)動步進電機; 利用絲杠帶動工作臺在導(dǎo)軌上作三維立體運動，完成貨物在立體倉庫的自動存取。與此同時，使用非接觸式光電傳感器檢測立體倉庫倉位的行、列信號; 使用多個限位開關(guān)確保水平行走機構(gòu)

10、、載貨臺升降和貨叉伸縮的限位保護，避免堆垛機各方向的運動范圍超出安全區(qū)域。 </p><p><b>　　二、硬件電路設(shè)計 </b></p><p>　　ARM微處理器是整個堆垛機控制系統(tǒng)的核心。微處理器選用了16/32位的ARM7TDMI-S內(nèi)核的LPC2131芯片，它集成了16位的Thumb擴展指令集，CPU運行頻率高達60MHz。該芯片內(nèi)部集成了8kB片內(nèi)靜態(tài)R

11、AM、32kB片內(nèi)Flash存儲器、看門狗定時器、2個32位定時器、1個8路10位A/D轉(zhuǎn)換器、多達47個可承受5V電壓的通用I/O接口以及可提供6路PWM通道輸出的PWM單元。其小型化的LQFP64封裝形式和極低的運行功耗使得LPC2131微處理器特別適合應(yīng)用于立體倉庫巷道堆垛機等工業(yè)控制領(lǐng)域。 </p><p>　　在巷道堆垛機控制系統(tǒng)中，LPC2131微處理器使用3．3V的電源供電，微處理器的各個GPIO接

12、口引腳也使用3．3V的TTL電平，而且最高可以承受5V的電壓。SJ-220型步進電機驅(qū)動器可分別接收直流5V、12V(外接680Ω電阻)和24V(外接1．8kΩ電阻)的外部電壓輸入信號。因此，可將LPC2131微處理器的GPIO管腳與SJ-220型步進電機驅(qū)動器的CP步進脈沖信號端直接相連，接收GPIO輸出的最高5V的雙邊沿PWM脈沖寬度調(diào)制信號，而不需要額外加裝外接電阻。 </p><p><b>　

13、　三、系統(tǒng)軟件設(shè)計 </b></p><p>　　巷道堆垛機需要使用42BYGH5403型步進電機作為執(zhí)行元件來驅(qū)動工作臺在導(dǎo)軌上做三自由度運動，因此，LPC2131微處理器需要將3個非重疊的PWM脈沖寬度調(diào)制信號輸出給步進電機驅(qū)動器，并對3個PWM信號的脈寬和位置進行獨立控制。使用LPC2131微處理器產(chǎn)生PWM脈沖寬度調(diào)制信號的流程如圖3所示。 </p><p>　　圖3P

14、WM信號產(chǎn)生流程圖 </p><p>　　LPC2131芯片的脈沖寬度調(diào)制器建立在標準定時器和7個匹配寄存器之上，可同時實現(xiàn)6個單邊沿PWM信號或3個雙邊沿PWM脈沖寬度調(diào)制信號的控制輸出。在本設(shè)計中，采用3個非重疊的PWM信號并同時產(chǎn)生正負脈沖控制步進電機的轉(zhuǎn)動。PWM脈寬調(diào)制信號產(chǎn)生的程序流程確定之后，接下來利用ARM Developer Suite v1．2集成開發(fā)環(huán)境編寫了生成雙邊沿PWM脈寬調(diào)制信號及具

15、備手動和自動兩種操作模式的下位機軟件代碼;同時使用AXD Debugger調(diào)試器對代碼進行了編譯調(diào)試。試驗測試表明，巷道堆垛機無論在手動還是自動模式下都能夠靈敏、可靠地完成貨物在立體倉庫實體模型倉位中的模擬存取動作，并具備倉位檢測、系統(tǒng)急停、動作限位、載貨臺回零等功能，基本完成了預(yù)期的設(shè)計目標。 </p><p>　　總之，本文針對自動化倉儲系統(tǒng)的作業(yè)需求，設(shè)計實現(xiàn)了基于Philips公司LPC2131型ARM微

16、處理器的巷道堆垛機控制方案。詳細給出了以ARM微處理器為核心、以步進電機驅(qū)動器和兩相混合式步進電機為執(zhí)行元件的巷道堆垛機總體方案和硬件電路設(shè)計，并討論了堆垛機軟件系統(tǒng)的實現(xiàn)過程。 </p><p>　　實際測試效果表明，該控制系統(tǒng)實現(xiàn)了巷道堆垛機安全、可靠的運行，滿足了自動化倉儲系統(tǒng)存取貨物的作業(yè)需求。將該堆垛機控制系統(tǒng)稍作改進后可以廣泛應(yīng)用于立體車庫、糧食、冶金、制造等領(lǐng)域的物料存儲與堆垛作業(yè)。 </p&

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