立體倉庫巷道堆垛機控制系統設計

張曉東 曹 毅 李秀娟

(河南工業大學電氣工程學院，河南 鄭州 450001)

0 引言

隨著我國經濟的持續快速發展和企業物流規模的不斷擴大，自動化立體倉庫技術在我國逐步得到了推廣和應用。自動化立體倉庫系統使用高層立體貨架存儲貨物，利用巷道堆垛機和出入庫輸送設備進行貨物存取作業，具備計算機信息識別、監控、管理等功能［1－2］。立體倉庫具有提高物流效率、充分利用存儲空間、減輕工人勞動強度、合理進行庫存和生產決策等優點。以功能先進的自動化立體倉庫技術替代傳統的平面庫房式存儲模式已經成為現代物流行業的發展趨勢［3］。

近年來，電子技術、通信技術、計算機技術特別是嵌入式技術的飛速進步，為立體倉庫巷道堆垛機嵌入式控制系統的發展提供了重要的技術支持［4－5］。如何利用功能強大的嵌入式處理器改進傳統的巷道堆垛機控制系統已經成為有關廠家重要的研究課題［6］。

本文以自動化立體倉庫實體模型為例，詳細探討了基于ARM處理器的立體倉庫巷道堆垛機控制系統的設計及其實現過程。

1 系統總體方案

巷道堆垛機是自動化立體倉庫的核心存取設備，其主要機構包括行走機構、升降機構、貨叉伸縮機構、立柱及機架、電氣及安全聯鎖保護機構等［7－8］。為了對基于ARM處理器的立體倉庫巷道堆垛機控制系統進行試驗研究和驗證，需要建立立體倉庫實體模型。為此，筆者所在的團隊設計制作了一部單一巷道的多層立體倉庫模型。在該自動化立體倉庫實體模型中，設置了一臺單立柱巷道堆垛機，其結構示意圖如圖1所示。

圖1 巷道堆垛機示意圖Fig.1 Schematic of the roadway stacker

堆垛機主要由水平機構、垂直機構及伸叉機構三部分組成，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、垂直和伸叉機構的運行分別由X軸、Y軸和Z軸的步進電機驅動具有自鎖功能的絲杠完成。

為使巷道堆垛機快速、準確地將貨物送入立體倉庫的相應倉位并確保存取貨物時的準確性、安全性，系統對堆垛機運動位置的控制可靠性有較高的要求。需要實現的具體控制目標包括:堆垛機控制系統具有自動和手動控制功能;能根據系統發出的控制指令作出相應的存取動作;系統具備安全聯鎖保護功能。為此，采用Philips公司基于ARM7 TDMI-S內核的LPC2131型ARM處理器作為核心控制器，采用高精度、高穩定性的42BYGH5403型兩相混合式步進電機及SJ-220型步進電機驅動器作為其執行元件，構建了巷道堆垛機的控制系統?？刂葡到y結構如圖2所示。

圖2 堆垛機控制系統結構圖Fig.2 Structure of the stacker control system

在實際運行時，ARM控制器接收遠程上位監控管理計算機或現場專用鍵盤輸入的控制指令并響應執行，輸出PWM脈沖寬度調制信號給電機驅動器驅動步進電機;利用絲杠帶動工作臺在導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;使用多個限位開關確保水平行走機構、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域。

2 硬件電路設計

ARM微處理器是整個堆垛機控制系統的核心。微處理器選用了16/32位的ARM7 TDMI-S內核的LPC2131芯片，它集成了16位的Thumb擴展指令集，CPU運行頻率高達60 MHz。該芯片內部集成了8 kB片內靜態RAM、32 kB片內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轉換器、多達47個可承受5 V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用于立體倉庫巷道堆垛機等工業控制領域［9－10］。

在巷道堆垛機控制系統中，LPC2131微處理器使用3.3 V的電源供電，微處理器的各個GPIO接口引腳也使用3.3 V的TTL電平，而且最高可以承受5 V的電壓。SJ-220型步進電機驅動器可分別接收直流5 V、12 V(外接 680 Ω 電阻)和 24 V(外接 1.8 kΩ 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型步進電機驅動器的CP步進脈沖信號端直接相連，接收GPIO輸出的最高5 V的雙邊沿PWM脈沖寬度調制信號，而不需要額外加裝外接電阻。

3 系統軟件設計

巷道堆垛機需要使用42BYGH5403型步進電機作為執行元件來驅動工作臺在導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脈沖寬度調制信號輸出給步進電機驅動器，并對3個PWM信號的脈寬和位置進行獨立控制。使用LPC2131微處理器產生PWM脈沖寬度調制信號的流程如圖3所示。

圖3 PWM信號產生流程圖Fig.3 Flow chart of the PWM signal generation

LPC2131芯片的脈沖寬度調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6個單邊沿PWM信號或3個雙邊沿PWM脈沖寬度調制信號的控制輸出。在本設計中，采用3個非重疊的PWM信號并同時產生正負脈沖控制步進電機的轉動。

PWM脈寬調制信號產生的程序流程確定之后，接下來利用ARM Developer Suite v1.2集成開發環境編寫了生成雙邊沿PWM脈寬調制信號及具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調試器對代碼進行了編譯調試。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、系統急停、動作限位、載貨臺回零等功能，基本完成了預期的設計目標。

4 結束語

本文針對自動化倉儲系統的作業需求，設計實現了基于Philips公司LPC2131型ARM微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、以步進電機驅動器和兩相混合式步進電機為執行元件的巷道堆垛機總體方案和硬件電路設計，并討論了堆垛機軟件系統的實現過程。

實際測試效果表明，該控制系統實現了巷道堆垛機安全、可靠的運行，滿足了自動化倉儲系統存取貨物的作業需求。將該堆垛機控制系統稍作改進后可以廣泛應用于立體車庫、糧食、冶金、制造等領域的物料存儲與堆垛作業。

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