立体仓库巷道堆垛机控制系统设计

时间：2024-07-28

张晓东曹毅李秀娟

(河南工业大学电气工程学院，河南郑州 450001)

0 引言

随着我国经济的持续快速发展和企业物流规模的不断扩大，自动化立体仓库技术在我国逐步得到了推广和应用。自动化立体仓库系统使用高层立体货架存储货物，利用巷道堆垛机和出入库输送设备进行货物存取作业，具备计算机信息识别、监控、管理等功能［1－2］。立体仓库具有提高物流效率、充分利用存储空间、减轻工人劳动强度、合理进行库存和生产决策等优点。以功能先进的自动化立体仓库技术替代传统的平面库房式存储模式已经成为现代物流行业的发展趋势［3］。

近年来，电子技术、通信技术、计算机技术特别是嵌入式技术的飞速进步，为立体仓库巷道堆垛机嵌入式控制系统的发展提供了重要的技术支持［4－5］。如何利用功能强大的嵌入式处理器改进传统的巷道堆垛机控制系统已经成为有关厂家重要的研究课题［6］。

本文以自动化立体仓库实体模型为例，详细探讨了基于ARM处理器的立体仓库巷道堆垛机控制系统的设计及其实现过程。

1 系统总体方案

巷道堆垛机是自动化立体仓库的核心存取设备，其主要机构包括行走机构、升降机构、货叉伸缩机构、立柱及机架、电气及安全联锁保护机构等［7－8］。为了对基于ARM处理器的立体仓库巷道堆垛机控制系统进行试验研究和验证，需要建立立体仓库实体模型。为此，笔者所在的团队设计制作了一部单一巷道的多层立体仓库模型。在该自动化立体仓库实体模型中，设置了一台单立柱巷道堆垛机，其结构示意图如图1所示。

图1 巷道堆垛机示意图Fig.1 Schematic of the roadway stacker

堆垛机主要由水平机构、垂直机构及伸叉机构三部分组成，分别完成堆垛机的水平行走、载货台的垂直升降和货叉伸缩的三自由度运动。水平、垂直和伸叉机构的运行分别由X轴、Y轴和Z轴的步进电机驱动具有自锁功能的丝杠完成。

为使巷道堆垛机快速、准确地将货物送入立体仓库的相应仓位并确保存取货物时的准确性、安全性，系统对堆垛机运动位置的控制可靠性有较高的要求。需要实现的具体控制目标包括:堆垛机控制系统具有自动和手动控制功能;能根据系统发出的控制指令作出相应的存取动作;系统具备安全联锁保护功能。为此，采用Philips公司基于ARM7 TDMI-S内核的LPC2131型ARM处理器作为核心控制器，采用高精度、高稳定性的42BYGH5403型两相混合式步进电机及SJ-220型步进电机驱动器作为其执行元件，构建了巷道堆垛机的控制系统。控制系统结构如图2所示。

图2 堆垛机控制系统结构图Fig.2 Structure of the stacker control system

在实际运行时，ARM控制器接收远程上位监控管理计算机或现场专用键盘输入的控制指令并响应执行，输出PWM脉冲宽度调制信号给电机驱动器驱动步进电机;利用丝杠带动工作台在导轨上作三维立体运动，完成货物在立体仓库的自动存取。与此同时，使用非接触式光电传感器检测立体仓库仓位的行、列信号;使用多个限位开关确保水平行走机构、载货台升降和货叉伸缩的限位保护，避免堆垛机各方向的运动范围超出安全区域。

2 硬件电路设计

ARM微处理器是整个堆垛机控制系统的核心。微处理器选用了16/32位的ARM7 TDMI-S内核的LPC2131芯片，它集成了16位的Thumb扩展指令集，CPU运行频率高达60 MHz。该芯片内部集成了8 kB片内静态RAM、32 kB片内Flash存储器、看门狗定时器、2个32位定时器、1个8路10位A/D转换器、多达47个可承受5 V电压的通用I/O接口以及可提供6路PWM通道输出的PWM单元。其小型化的LQFP64封装形式和极低的运行功耗使得LPC2131微处理器特别适合应用于立体仓库巷道堆垛机等工业控制领域［9－10］。

在巷道堆垛机控制系统中，LPC2131微处理器使用3.3 V的电源供电，微处理器的各个GPIO接口引脚也使用3.3 V的TTL电平，而且最高可以承受5 V的电压。SJ-220型步进电机驱动器可分别接收直流5 V、12 V(外接 680 Ω 电阻)和 24 V(外接 1.8 kΩ 电阻)的外部电压输入信号。因此，可将LPC2131微处理器的GPIO管脚与SJ-220型步进电机驱动器的CP步进脉冲信号端直接相连，接收GPIO输出的最高5 V的双边沿PWM脉冲宽度调制信号，而不需要额外加装外接电阻。

3 系统软件设计

巷道堆垛机需要使用42BYGH5403型步进电机作为执行元件来驱动工作台在导轨上做三自由度运动，因此，LPC2131微处理器需要将3个非重叠的PWM脉冲宽度调制信号输出给步进电机驱动器，并对3个PWM信号的脉宽和位置进行独立控制。使用LPC2131微处理器产生PWM脉冲宽度调制信号的流程如图3所示。

图3 PWM信号产生流程图Fig.3 Flow chart of the PWM signal generation

LPC2131芯片的脉冲宽度调制器建立在标准定时器和7个匹配寄存器之上，可同时实现6个单边沿PWM信号或3个双边沿PWM脉冲宽度调制信号的控制输出。在本设计中，采用3个非重叠的PWM信号并同时产生正负脉冲控制步进电机的转动。

PWM脉宽调制信号产生的程序流程确定之后，接下来利用ARM Developer Suite v1.2集成开发环境编写了生成双边沿PWM脉宽调制信号及具备手动和自动两种操作模式的下位机软件代码;同时使用AXD Debugger调试器对代码进行了编译调试。试验测试表明，巷道堆垛机无论在手动还是自动模式下都能够灵敏、可靠地完成货物在立体仓库实体模型仓位中的模拟存取动作，并具备仓位检测、系统急停、动作限位、载货台回零等功能，基本完成了预期的设计目标。