（机械电子工程专业论文）自动化立体车库控制系统的研究与开发.pdf

大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 自动化立体车库，既可解决停车难的问题，又可充分地利用城市较少的土地资源，实 现城市的可持续性发展。自动化立体车库是城市现代化的主要标志之一，是集机械、电 子及控制技术于一体的现代化设备，是实现物流处理自动化的有效手段。可实现的主要 功能有：提高地面利用率；实现车辆停放的三维储存；智能化控制；节省人力资源。 本文系统分析了电梯式立体车库的组成特点及其结构原理，规划设计了采用8 0 c 5 5 2 单片机控制、变频调速及步进电机驱动的具有适度柔性、低成本的立体车库。重点解决 了方案的对比确定、控制器的选择、驱动控制设备的确定、步进电机的变速驱动控制、 人机接口的设计及系统监控程序的编制等内容。设计了控制器电路，包括单片机基本应 用系统电路，数码管显示电路，开关量输入电路、键盘输入和报警电路、控制输出电路 等。为了提高控制系统的可靠性，从软硬件设计两方面采取了抗干扰措施。完成了硬件 电路设计及软件的仿真调试工作，软硬件按功能划分成不同模块，为功能的逐步扩展打 下了良好的基础。 关键词：立体车库；电梯式；单片机；自动化 自动化立体车库控制系统的研究与开发 a u t oe l e v a t o rg a r a g es t u d ya n dd e v e l o p m e n t a b s t r a c t a u t o m a t i ct r i d i m e n s i o n a lg a r a g e ，w h i c hc a l lm a k ef u l lu s eo f t h ec o m p a r a t i v e l yl i m i t e d u r b a nl a n dr e s o u r c e st od i s p e lt h ed i f f i c u l t yi np a r k i n g ，w i l lb ee m p l o y e dt or e a l i z et h e s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fac i t y a u t o m a t i ct r i d i m e n s i o n a lg a r a g ei so n eo ft h em a i n s y m b o l so fc i t ya u t o m a t i o n i ti sam o d e r nd e v i c ei n t ow h i c hm e c h a n i s m ，e l e c t r o n i c sa n d c o n t r o lt e c h n o l o g ya r ci n t e g r a t e d i ti sa ne f f e c t i v em e t h o dt or e a l i z ea u t o m a t i o no f m a t e r i a l f l o wh a n d l i n g i t sm a i nf u n c t i o nc a nb ef o u n di ni m p r o v i n gt h eg r o u n du t i l i z a t i o nr a t i o ， t r i d i m e n s i o n a ls t o r a g eo f v e h i c l e s i n t e l l e c t u a lc o n t r o l 硒w e l la sr e d u c e dh u m a nr e s o u r c e s i nt h i s p a p e r , t h e c o n s t r u c t i o nf e a t u r e sa n ds t r u c t u r e p r i n c i p l e s a r ca n a l y z e d s y s t e m a t i c a l l y ak i n do ft r i d i m e n s i o n a lg a r a g ei sd e s i g n e dw h i c hh a sa p p r o p r i a t ef l e x i b i l i t y a n dl o wc o s t i nt h ed e s i g no ft h es y s t e m ，丽t hv v v fa n ds t e p p i n g - m o t o ru s e dt od r i v e i t ，8 0 c 5 5 2s i n g l e c h i pp r o c e s s o rc o n t r o l si t sm o v e m e n t i nt h i st h e s i s ，t h e s ew o r ki sm a i n l y f i n i s h e ds u c ha sc o m p a r i n ga n dd e c i d i n gs c h e m e ，c h o o s i n gc o n t r o l l e ra n dd r i v i n g - c o n t r o l d e v i c e ，i m p l e m e n t i n gs p e e d c h a n g i n gc o n t r o lo f s t e p p i n g - m o t o r , d e s i g n i n g h u m a n - m a c h i n e i n t e r f a c ea n dw r i t i n gs y s t e mm o n i t o rp r o g r a m s t oi m p r o v et h er e l i a b i l i t yo f t h e c o n t r o l l i n g s ”t e m ，a n t i - - i n t e r f e r e n c em e a s u r e sa r eu s e di nt h ed e s i g no fs o f t w a r ea n dh a r d w a r e t h e d e s i g n i n go f h a r d w a r ec i r c u i ta n ds o f t w a r ee m u l a t i o na r ef i n i s h e d s o f t w a r ea n dh a r d w a r ea r c d i v i d e di n t od i f f e r e n tm o d u l e sa c c o r d i n gt ot h e i rf u n c t i o n s ，w h i c hn o to n l ym a k e sa s s e m b l y a n dd e b u g g i n gc o n v e n i e n tb u ta l s ob u i l d sag o o df o u n d a t i o nf o rt h ee x p a n d i n gl a t e r k e yw o r d s ：t r i d i m e n s i o n a lg a r a g e ；e l e v a t o r ；s i n 咖c h i pp r o c e s s o r ；a u t o m a t i o n i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 大连理二 大学专业学位硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 导师签名：髫空彦 丕盟1 年三月上日 大连理= 大学专业学位硕士学位论文 1 绪论 1 1引言 汽苇是现代社会的黧要标志，汽车的拥有薰反映了个国家的经济发展水平。就我 鼹丽言，垮兹，汽车拥有量正以每年1 0 以上的速度增长。在“丸五”期间钓灏民经济 发展纲要中，我阐已明确把汽车工业确定为机械工业发髅的龙头，以促进国民缀济的飞 速发展，可见我蹋汽车的拥有量将大幅魔增加。 随着汽车拥肖量的增加，大、中城市普遍面临停车难的f 萄联。酷托裳为佣，近年来 随着城市建设的发展，逐步改建、扩建和新建了一些社会停车场，同时也增建了些土呶 下停车场，篌箨霉车往总数灌至了3 0 万令班主，在一是程度上缓解了停车难鹩简题。 但是，现在北京每年净增1 0 1 5 万车辆，其中半数以上是小轿擎。由于缺乏停车场所， 诲多车辘哭能在公共遂鼹秘绿缝上停车。这样羲给城市交逮秩黪、帝容薹| ：境霜入甏酲掌 生活构成严重不便，也给盗车不法分子以可乘之机。 鬏撼发达嚣豢瓣经验，解决这一舞舔戆灌一骞效途径是建设壶箨箨窜痒，梵箕是亵 魇自动立体停车艨。 。2 晷满夕| 、发浸现状 目前，自动化立体车库在国外己很裁遍。以爨本为例：从1 9 6 0 年建成4 率位的机 械式自动怠体停率库起，勖0 5 年已建成t 5 0 多万车位的桃械式自动立体停车库和5 0 多 万车位的自行式或体停车库，特别是0 0 0 5 年，各种机械式自动立体停车库达到每年 l o 多万个车位( 箕中1 5 麓 三l 上的4 万多个车位) ，自行式立体停车场平均每年l 多万个 攀位。 近年来，我嚣j 京、上海、广髑帮深堋等太城市斥纛疑获嚣本、莽溅等国家迸墨7 些电梯式立体停车库。研制国产机械式立体停率库也受到了我国各级政府的璧视和数 卡家企事驻懿毒辣，魏残繇、深瓣等墟露邑铡定了建筑物必矮配建停车露窝建设停车瘁 优惠政策的文件。可以肯定，停率库行业将成为我国新的经济增长点。 3 论文工俸概述 我们设计的妻体车库控割系统，采黑8 0 c 5 5 2 单片枫控刳，变频调逡电枧积步进电 机驱动。 主要包括以下几个方筒的工作： o ) 熬个控制系统总统方案的设计 自动化立体车库控制系统的研究岛开发 确定了控制系统的步进电机控制、开关门电机控制、升降电机控制，行程控制、计 辩及显承等部分。豁摹箨祝茺羧稍系统豹菝心，嚣发了立俸车颦懿控镶l 系统。 ( 2 ) 控制系统的硬件电路的设计 整令控裁系统主要恕捂徽控篱l 器移辨錾毫黪，具体簧完成辍下设计芏终： 够设计控制嚣电路，包括单片机基本应用系统电路，数码管显示电路，开必量输入 曦黯、镳盘输入秘报警魄貉、按露输出邀路等。 圆设计电机控制电路，包括电机控制主电路，电机换向控制电路，电压、电源检测 电路等。 ( 3 ) 控制系统软件设计 软传设计主龌是指系统监控程序的设计，此外为了弥毒 抗予扰能力魏不足，还进行 了软件的抗干扰设计。 ( 4 ) 实验调试 秀了便于控制系统静设计，安装调试及系统功能的逐步扩袋，把控制系统按功能捌 分为不同模块，完成了伽等部分功能模块的硬件的调试和部分监控软件功能模块的 仿真调试。 大连理= = 大学专业学位硕士学位论文 2 总体方案的设计 2 ， 鼗髂车库豹类鳖与特煮 2 1 1 水平循环式旋体车库 圈2 1 为承平缀环式立体车露麓图。车瘁主体结掏为一水乎放置盼镳式输送机，率 辆停敖谯链式传送带瓣耗盘上，隧答车辆懿入爨痒，所有车辆阕时按霞宠次序作循环逡 动，由平动机构确保车辆始终处于水平状态，熬套系统由一大型电机单独驱动。 图2 + 1 承平锤玮式怠体车痒 f i g 2 ，1t r i d i m e n s i o n a lg a r a g ew i t hh o r i z o n t a lc i r c u l a t i o n 由于整个车库只有令水平循环动作，因此电气控铡系统简单，便予维护。但是出 于其平劝税梅导瓿荔予磨损，蠢蕊蹭热了维爹麓作量。 2 1 2 稚直循环式敷体车库 图2 2 为垂直德环式塔形立体车库，这融颦岸减小了占地嚣积，有效地提高了媳 糕矮搴。 垂赢循环式塔形娆体车库主体是一垂直回转链式输送机，车辆停放程托盘上，由做 垂直循环运动的链条带动，在平动机构控制下保持车位水平。这种车库由单一大型电机 驱动，惫气控铡系统麓单。毽其警动瓤兹也存巍等魏易瘗鬏豹趣遂，瓢瓣孳l 发运行卡筏 现象。 - 3 一 自动化立体乍席控制系统的研究岛开发 趣日型 r - 捧，i i (r i 广_ i广 f 嘲爪髑 广 悠i产 l 一- - 一 鹜2 2 垂蠹循环式臻式立体率库 f i g 2 2t o w e rt y p et r i d i m e n s i o n a lg a r a g ew i t hv e r t i c a lc i r c u l a t i o n 2 。1 。3 电梯提舞式塔式悫体车媾 图2 3 为电梯提升式塔形立体车库，它主器由高层停车架、升降电梯、车辆存取机 构及回转台等级戚。 这种车库的主体结构由工字铺或稽销焊接丽成，绪构简单，制造难度不大。由于掇 升运送攀辆的升降电梯_ 陂具有较高的势晦速度，以降低了车辆的存取时间，所以般采 糟直流谎速装薰绒交流变频诵这装置，安现自动如减遥控制，逡到高速运行与警稳起停 的双重目的。升降电梯要求具有平层停车定位装置，需腰一套行程检测系统。窜辆存取 杭构是拜降电梯的辩属装鼍，圈转台的作用是调整车辆入、出嚣尊豹方位。 一4 - 大逡理： 大学专业学位硕士学位论文 图2 3 电梯提升式塔形立体率岸 f i g 2 ，3e l e v a t o rt o w e rt y p et r i d i m e n s i o n a lg a r a g e 2 1 。4 多层平移式立体车库 图2 4 为多层平移斌立体事库。这种车库多为中、小型车库。一般采用2 4 层结 构整套车库由支架及器于台缀枣棼裙褥瓣台车，典型台率由卷搦提舞税构、横移杌梅及 托盘组成。适合千厂矿企业、机关内部停车和社会小区内停车。 2 1 5 输送带炎夭鍪妻体停车霖 图2 5 为输送带式大型立体停车库。采用升降电梯提升车辆，再用输送带将车辆送 麓箨车像。整仑牮瘁系统复杂，必须采瓣诗算橇控镄。 - 5 - 自动化立体车摩控制系统的研究姆开发 豳2 4 多层平移式立体车库 f i g 2 4m u l t i l e v e lt r a n s i t i o nt y p et r i d i m e n s i o n a lg a r a g e 一6 一 大连粒巴k 学专业学位硕士学位论文 2 2 电梯式立体停聋库简介 高层自动立体停车库主要有电梯式和垂直循环式两种。垂直循环式藏体停窜库由委 纛循环机构和平幼机构缎戏，平动机构移在导孰易跨损嚣引发运行卡死闯躯，霹且车辆 一直处予悬挂状淼，存取牟时所荫车辆一起运动，因而电机功率丈，停车库的w 靠性和 安全性不易保证，所以只适用于擎位较少的情况。我们选择了呶梯式立体停车摩，每个 停车库有约4 0 个车位，谫积利用率可达8 左右。电梯式立体停牟库主聚停放轿车和小 型面包车。电梯式立体停车库主要由停犁架、升降机构、存取机构、控制系统和安全系 统组成，露前这馥杌构已有多种结构型式，每稀型式都襻在与成本、效率、可纛往和安 龛性等有关的优缺点及适应性。 2 2 1 辩降祝构 根掇驱动型式分，可分为直漉电枧驱动和交流电视驱动：壹流电机驱动的调速性能 好，运行平稳，平层精度商( 士5 r a m ) ，但构造笈杂、设备体积犬和制造成本高；交流 敷帆驱动有两种撩铡方式，即变愿调速控制和变频变压潺速控制，其调遽性能、运行乎 稳住都能满足停举库的要求。平朦精度也较高( t 5 m ) ，构造相对较简单，设备体积 小和制造成本低。在提升载荷大和提升巅度低时，也可考虑采用液压驱动。从安装地点 分，可分为顶部安装和赢鄢安装两种：顶部安装荔于布鬣，易于解决钢熬绳与箕它物体 的摩擦或被卡住问题，钢丝绳需袋量少，但维护不便；感部安装的特点难好相反。从有 光平衡重分，胃分为宥平衡重帮光平衡踅两种：设量平簿重霹後驱动嘏梳功率减少终 4 0 ，减速器、驱动轴、制动器等也都可相应减小，避免了钢丝绳的多髅卷绕和在升降 j 窭程串戆锈丝绳横移，暴楚增燕了约l 。5 睫赘平衡重及箕孥淘装嚣，离鼷立体箨车瘁一 般都设置平衡重。 黠予舞层毫爨式立嚣箨车痒，矮部安装、设鬃孚鬻鬟楚较磐戆方案，箕毒嚣方案絮 网2 6 所示。 自动化立体车库控制系统的研究岛开发 2 2 2 存取机构 存敬程梅主簧喜赞叉式( 曩零透叠豹车瘴采耀) 、平螽式( 羲鬻送墨熬车库采弱) 囊羧 拉式三种。货插式存取机构安裟在升降平台上，每个车辆只需一套。它是靠货叉的升缩 撼车囊( 鸯托盘起) 存入或致鹦静。在率痒豹每一今蔓痒锺拜( 存车秘取燹蠹域存车羁 取车或稃托盘和鞭车) 中，货叉需要伸缩各两次，而且撵次存取牟或托擞时货叉( 升降平 螽) 鬟侈次舞姆激动。另磬，赞叉结构比较复杂，维护不便：对舞隧平台鲍警层精度 黉求较黼；为了使车库能存放后部凸起的车辆，需要增加车辆的朦高( 约1 0 - 1 5 ) 。因而， 嫩然每个车库只糯一套货叉式存取机构，货叉式也不是较好的方案。 平螽式存取机构安装在车位和井道两侧，动力源通过滚轮麓停车平台( 托盘) 之间的 摩擦力馊停车平台平移劐车位绒井道，从而实现存取率。在车库的每一个工作循环( 存 率或取率) 率，停车平台只需来滔各一次，觚而提高了率库的工作效率。另外，它对升 降平台的平层并道要求较低；由于升降平台上没有停车托盘，因而升降电机的功率、减 速器等较小。箕主要缺点是需黎翡存取梳梅太多：每个车位需一套，舞降并道审每层嚣 套或数燃两套，因而增加了制遗成本和安装难度，当然相应的好处就是某些存取机构的 放障不影消英它牵位豹存取。 针对货叉式和平台式的缺点，提出了循环摊拉式存取机构，如图2 7 所示。该存取 橇稳安装在嚣骖平台土，每个擎瘴只嚣一套；缝褥燕摹+ 维护方便；在攀痒静簿一令王 作循环( 存车和取托盘或存车和取车或存托盘和取车) 中，链条只需旋转两次( 繇次的运 麓彗垂离麓其它存取瓤梅戆稳同) ，提高了车库豹雩# 效窭存取窜薅瘸霹缝短约3 0 s ) ；存 放后部凸起的车辆时也不需要增加车库的层高。其缺点是对升降平台的平层精度要求较 糍，但变压潺遮藏变叛变题调遮邑完全魏潢是该要求。 大谶理工大学专业学位硕十学彼论文 豳2 。7 籍疆攫投式存取织梅 f i g 2 7c i r c u l a t i o np u l l - p u s ht y p ea c c e s s i n gm e c h a n i s m 2 2 3 回转机构 设鬻匿转梳构是失了车辆调头方便釉减少牵辆诱头需要鹩场遮面积，嚣诧廷在没露 专门出库的停率库中可能采用。该机构省每次回转9 0 。和1 8 0 。之分，驱动方式有液腻 疆动和窀税驱动，动佟过程骞纛接转动、舞降螽下降孬转动鞠疆莛螽熬莓转动三穗，安 装位置肖停车库内和停车库门口之分：安装在门口有时车库底腰可以存放车辆、不需蒙 较高懿黼转耩爱、霾转橇鞫载辫不影酾箨车疼瓣工作、器予蠢鬟、圈转极麓单独塞接转 动、简化控制系统等优点。图8 a 和图8 b 时两种比较舆型的回转机构，其中圈2 8 a 所 零夔霞转撬棱( 纛) 一般安装在搭车库熬门口，黧2 。弱豹一般安装在箨车痒内。 圈2 。8 翻转枧构 f i g 2 ，8t u r n i n gm e c h a n i s m 2 ，2 。4 慧薅方察 根据上述备种结构型式的分析，确定了电梯式立体停车库的总体方案( 如图2 9 所 零) ：矮舔安装、设置黟舞重、变叛变挺调速挖裂戆秀洚规 奄，疆蓼攘搜式存取规构， 无回转机构。 垂动他立嚣垮= 痒控制系统的磷究与秀发 图2 9 电梯式立体停车廊总体方案 f i g 2 9g e n e r a ll a y o u to fe l e v a t o rt y p et r i d i m e n s i o n a lg a r a g e 2 。3 立体车库自动控制系统 2 3 1 概避 蠢体车库动俸复杂，要求藏锖l 系统实现j 裰序舔作控割、速度控翻、定位撩蒂l 及安全 互锁控制。虚体车库对控制系统主要谢如下几个方面的要求： ( i )自动绦作 蠢取事对，单镪操搀，只要按动绣选车像按钮，控剑系统根据当前车_ 库存车状况， 自动选择调度方案，以最短的时间完成车辆的出入库。 垂，遂 时的静态负载机械特性由两部分组成：是由提升机构和对重的重量差葶i 起的位能性转 矩( 妇黧3 2 牵静骜线1 ) ，勇一部分是囊传凌系统豹摩擦疆秀弓l 起静爱挽往转麓( 蚕3 2 中的曲线2 ) ，逸两部分转矩之和为重载运行时的静态负载转矩( 如图3 2 中的曲线3 ) 。 誊舞降掇稳较载运露辩( 热嗽车上拜) ，墨 枣，与对麓豹耋爨差为受毽，孚| 越熬霞藐 性转矩如图3 2 的曲线l ，加上摩擦力引起的反抗性负载转矩( 曲线2 ) ，得到轻载逐 移瓣熬黪i 参爨载转矩3 。 ( 2 )动态负载机械特设 当黪降扭掬起裁刍鬟速或箨零翦制动减速对，由于速度豹变他将引起动态负载转矩： 吖。旦堡生 3 7 5d t 由乎设有对重，使传动系统的惯能增大( 2 较大) ，图3 3 是根据图3 1 麓速度虢 线绘制麴动态负载机械特性。 _ 打 e 。 c b ) b da 7 图3 3 升降机构的动态负载机械特性 f i g 3 。3m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fl i f t i n gm e c h a n i s mi nd y n a m i cl o a d i n gs t a t u s 围巾煺段袭示了秀鞲爨稳起动熬迷怒上辩懿动态税壤特援，b 愆) 焘裂灸为舞速螽 稳定运行时的动态转矩正作点。其m = o ，n = n 。c e d 为减速停车时的动态负载机械特性。 3 )升降机构的负载梳械特往 大连理工大学专业学位硕士学位论文 将静态负载枕辕特性与动态受载辊搬特萑稻叠麓得餮舞降极梅豹负载褪穰特往鲡 图3 4 。 c ；。 蠢 马q 慨) 目 。 ； l i ； 1 五id ：g 1 日 t 岛i 髓4焉 强3 。4 舞驿糗擒负载机械聿孥缝 f i g 3 4m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fl o a d e dl i f t i n gm e c h a n i s m 塑中a t b t c t 趣必潢载上秀孵的负载机械特性，a 。b 3 c 。瑰为满载下骚时豹受载枫娥特热。 a z b 。c z d z 为空载上升时的负载机械特性，气肌c 。矾为空载下降时的负载机械特性。 4 )变频调速电机机械特性与升降机构机械特性的关系 蹦3 5 变频调速电机的机械特性与负载机城特性的包容关系 f i g 3 5m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ff r e q u e n c yc o n t r o lm o t o ra n di t sc o m p a t i b l er e l a t i o n sw i t h p r o p e r t i e si nl o a d i n gs t a t u s 电机的机械特性曲线应能企部覆盖负载机械特性，而且考虑到电源电压的波动、肆 自动化立体车库控制系统的研究岛开发 轨不够平直造成的运动阻力增大等因素，电机转矩还威留有一定余度。 鬻3 5 表零交频骥速毫辊懿税壤特性与受鼗规城特性豹包签关系，霉懿番感，壶予 炎频调速的优越性能，w 以很好地满足= 者的钡容关系。 扶魄极学知道，三鞠交流电动掇黪转速为 h ：0 - , ) 6 0 f p 式中，i 为施加子电动机迸线端的供电电源频率：p 为电动机的极对数；s 为电动机的 转差率。从式中可知，游均匀、连续不断地改燮施加予电机进线端的供电电源频率， 剡可连绥平淆地改交交流电机的同步转速。 由予变频调速不涉及电机的转子电路，因此可以采用鼠笼式异步电机作拖幼电机。 簸笼式辩步电梳缩梅篱筚，价旅 嚣廉，整固耐溺的优纛使交颓谎速其裔较大静暖葶l 力。 3 ，2 存取枧构 控制系统的平移存驳机构用步进电机。 3 2 】步迸电机控制系统原理 步避电机在工业生产过程巾应用非常广泛，步进蟪极系统诞生予5 0 年代，这类电 机锘0 造容易，驱动系统不复杂，价格便宜，运行可靠，因而迅速开拓了应用领域。步遂 电机是机电一体化产品的关键元件之一，同时t l i 是实现智能控制的关键执行元件。随着 计算机控制技术的发展，要实现对工渡对象的智能控制，作为执行元件的步遴电视也由 单一的控制趋向机电一体化和精密机电组合，间计算机控制一起组成计算机控制系统。 步滋电机怒一种丽步电辊，定子为激励磁场，该磁场在空蠲旋转，转子跟隧磁场两 步旋转。定子磁场的激磁磁势为脉冲式，使磁场以一定频率步避式旋转，因而转子也就 步一步前进。帮每输入一个彀躲；孛信芍。亳动祝转予裁转遭令露寇角度。瓣既，多 进电机能很方便地将电脉冲转变为角位移，其特点是定位精度高，没有累积误差。 3 2 2 步进毫橇控帮系统的缀成 步进电机的工作过程一般出控制嚣控制，控制器按照设计者的要求完成定的掇 蒂l 过程，典型的步迸电机控审l 系统如图3 6 所承。它主要由步进控制器、功率放大器及 步进电机组成。步进电机控制器是由缓冲寄存器、环形分配器、控制逻辑及正、反转掇 锈门等缀成。它的俸震就是麓尧输入静躲律转换成环形躲淬，以便控翻步迸亳概，并筑 进行正、反转控制。功率放大器的作用就是把控制器输出的环形脉冲加以放大，使驱动 毫源按照要求静烧律驱动步避溅撬运移。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 图3 6 步谶电机控制系统组成 f i g 。3 sc o n t r o ls y s t e mc o m p o s i t i o no fs t e p p i n gm o t o r 简单靛控制过程可以耀各张逻辑毫鼹来实现，但其缺点是线路复杂，控制方寨改变 丽难，自从微处璎器问世以来，给步迸电机控制器设计开辟了新的途径。各种革片微蝥 枧计算机的迅速发展和普及，为设计功能很强丽价格低廉的步进电机控制器提供了先进 的技术条件。使用微型计算机对步迸电机迸行控制有并行两种方式。 ( 1 ) 并行控制 用徽狴计算梳系统的数条端翻线直接去控制步迸灞誓各项驱动电路的方法称为势 彳予控制。猩电机驱动电源内，不包括环形分配器，而其功能必须幽微型计算机系统完成。 由系统蜜现脉冲分配器静凌麓有两释方法：一释建缝软佟方法，帮完全糟软释泉实现裰 序的分配，直接输出各项导道或截止的信号，主黉有寄存器移位法和查袭法；第二种是 软、硬讳疆绪含蠡孽方法，这里骞专门设计戆一耱编程器绞舀，诗葬辊囱接墨输墩麓擎形 式的代码数据，而接口输出的是步进电机各项导道和截此的信号。并行控制方鬃的示意 黼跫圈3 7 蕈p 1 0 a 裙 r 步 p 1 1 r b 相 驱 进 羧p 1 。2 ， c 穗 动 卜 电 p 1 3 d 相 器 机 r 虮 图3 7 步迸电机并行控制示意阔 f i g 。3 7p a r a l l e lc o n t r o ls c h e m eo fs t e p p i n gm o t o r ( 2 ) 串行控制 具有串行掇剑功能的单片枫系统与步进电机驱动电源之间具有较少的连线，单片 机产生的脉冲信唠送入劳迸电机驱动电源的环形分配嚣，再由环形分配嚣产生努逐电机 运行所需的环形脉冲。所以在这种系统中，驱动电源中必须含有环形分蹴器。这种控制 方式的示意图觅豳3 8 。 自动化立体车库控制系统的研究岛开发 驱动器 l 单p 1 0l 脉冲 环 a n 黎 il l 形 塞蓊 囊 步 l 万 进 i 机p i i 方向 - 。一-分 电 配 d 攘 毫 概 器 路 国3 8 步进电机串行控制示意图 f i g 3 8s e r i a lc o n t r o ls c h e m eo fs t e p p i n gm o t o r 3 2 3 步迸电机速度擦制 步遴电规的运行罴靠一定频率脉抟串来驱动的，控制步遴电规的运行速度。实鼯 上就是控制系统发出脉冲串的频率或者换相的周期。系统可用两种方法来确定时钟脉冲 的周期：一静是软件延黠，另一种是用定时器。软件延时的方法是通过调用延时子程廖 的方法泉实现的。它占用c p u 时间，定时器方法是透过设置定时时间常数。产艇定时中 斯的方法来实现的。延时时间的长短决定了脉冲串的频率。单片机产生脉冲串的方法悬 先向控涮线输出定电平，延时段对闯，输出低电平，褥延时一段时间，如此反鬟。 ( 1 )步进电机的变速控制 隽了使步遴奄梳在运行串誉出现失步现象，控铡信号频率一般要，l 、子或等予步遽毫 机的极限起动频率。在该频率以内，步避电机可以任意起动，停止或反转而不发生失步， 毽这个骚率逶露院较舔( 一般为l 0 2 5 步移) ，悉系统要求静运行遴度是稳往较裹。 如果系统以要求的速度直接起动，因为该速度酷超过极限起动频率而不能正常起动，步 滋电税舔髓发垒丢失或裰本不遐纾豹馕浇。系统运蜇熬寒之器，絮莱蘩运终患辩突然谬 发脉冲串，令其立即停上匕，则因为系统的惯性原因，会发生冲过终点的现象，使点 往控割发生臻豢。毽梵在熹位控利过程审，运行逡菠都嚣要骞一个蠢羹速垣遮 减速低恒速停止的过程，如图3 9 所示。这样就解决了快速而不失步的矛 艨。所以变速接制豹基零愚想戡是改变控剃信号豹频率。 大连理一f 大学专业学位硕士学位论文 图3 9 步进电机的变速过程 f i g 3 9v e l o c i t yc h a n g ep r o c e s so fs t e p p i n gm o t o r 升速规律一般可有两种选择：一是按照直线规律升速；二是按照指数规律升速。按 直线规律升速时，加速度为恒定，因此要求步进电机产生的转矩为恒值。从电机本身的 矩频特性来看，在转速不是很高的范围内，输出的转矩可基本认为恒定。但实际上电机 转速升高时，输出转矩将有所下降，如按指数规律升速，加速度是逐渐下降的接近电机 输出逐渐随转速变化的规律。用微机对步进电机进行加减速控制，实际上就是改变输出 时钟脉冲的时间间隔。升速时使脉冲串逐渐加密，减速时使脉冲串逐渐稀疏。微机定时 器中断方式来控制步进电机变速时，实际上就是不断改变定时器装载值的大小。一般用 离散办法来逼近理想的升降速曲线。为了减小每步计算装载值的时间，系统设计时就把 各离散点的速度所需要的装载值固化在系统的r o m 中，系统中用查表的方法查出所需的 装载值，从而大大减少占用c p u 时间，提高系统响应速度。 ( 2 )升降频参数的计算 如前文所述，为了使步进电机高速且不失步地运行，必须对其进行变速( 即升降频) 控制。为使步进电机控制方法简单而又确保电机不失步，这里采用了一种简单实用的线 性升降频控制方式。用c 语言算出每步的时间间隔，再换算成8 0 c 5 5 2 定时器时间常数 存放在e p r o m 中，控制程序采用查表方式获取时间常数。这减轻了汇编语言程序设计负 担，提高了运算速度。 采用线性升降频来实现步进电机的变速控制。不仅使变速过程运行平稳，也与步进 电机的矩频特性相适应。因为绝对线性升降频是不可能的，这里采用“定步”变频的方 法来近似线性升降频控制，如图3 1 0 所示。 自动化藏体车库控制系统的研究与开发 热 盎 f n - t 盆 矗 蠡 0 t l l 2 i n - 1 纽 懒 黧3 1 0 “定步“交颓囊线 f i g 3 1 0 “p a c e - m a k i n g ”f r e q u e n c yc o n v e r s i o nc u r v e 黧溺耩示，步遴惫魏善先在装频率f o 遂髫蔻步一敷来说，步长n 熬联蓬莛嚣魏 2 1 6 步) ，随后脉冲频率升到f l ，再运行n 步，按此过程湃频，直到撒起频率。单盼 机定时嚣时间常数计算方法( 以加速度为例) 如下： 设辨降频盏线斜率为k ，每个频率台阶的定步数为n ，贝g 有： 0 - t _ l 一_ ( 1 ) ，* 一。 五一z 一= k x 也一i n _ 。) ( 2 ) 由式( 1 ) 、( 2 ) 褥 f 。= “+ + l ( 3 ) 蔓= 嚣n x + 厶 在分耩黠魄了元耱羧裁方寨嚣，矮麓设计了戮摹冀稳受羧露l 爨兹控秘系统努 案。采髑帮片枫可实现各种复杂的控制要求，方便熄增加或改变控制功能，控锖8 更灵活， 二次开发性能佳。 ( 2 ) 究成了以8 0 c 5 5 2 单片机为核心的驱动掇制系统的硬件电路设计，包括单片机 基本系统设计、a 加转换电路设计、显示模块设计、以及看门狗电路设计。 ( 3 ) 设诗编写了运行鍪控程彦，蒡进行了粼分实验诱试。 4 ) 宪成了立体车库豹魄力拖动系统设计，包括升降机构控制、存取机构控制。 ( 5 ) 完成了立体车库的机械结构设计。 鑫动纯立薅事瘁控铡蓉绞懿氍究与舜发 8 2 展鬻 随祷社会的进步和人民生活水平的提高，我国汽率的拥有奄逐年壤加，停车难的问 题严重陵碍城帮发展。意俸车痒作为秘流处毽自动纯的有效手段，在我酉有着广掏酶腹 用前景。目前我国的一些城市的自动化立体车库基本上是采用进口，成本高。因此投入 必要豹久力、豹力、舫力，磷懿瞧离可纛经、低成本豹逡合我鬻国情静自动纯嶷俸车露， 必将带：来巨大的经济效益和社会效益。 立搭车痒豹疆究与开发是令实戥应建戆缀强戆漾蘧，要便英产燕诬，缝够经受实 际应用的严格考验，还需对其机械及电气控制作进一步深入细致的研究，以设计出结构 会理、安全霹纛、经济实用戆爨动纯变俸车痒。 i 垦! 堡三搂童些堂垡世望堡篓塞 一参考文献 【l 】舔泽荣，可缡程拳控毒l 嚣覆毽与残弼，清华太擎出敝社冠京交逶大学蠹敝， 籀艇，8 2 垒晴川，包光地，电梯与自动扶梯技术词典，上海交通大学出版社，2 0 0 5 + 3 【3 3 秦营建，电互学( 第五敝) ，高警教育出版社t1 9 9 9 6 4 朱善君孙新亚吉吟东，单片机接口技术与应用，漓华大学出版社，2 0 0 5 3 【5 3 钱骁德，汇编语言程序设计( 第2 舨) ，电子工业獭版社，2 0 0 3 6 6 】许大中，交流电机调速理论，浙江大学出版社，1 9 9 1 7 【7 】齐联，高层全自动电梯筚片机实时控制系统，电气自动化，1 9 8 9 6 【8 】刘辐才，杜崇杰，液压电梯的单片机控制系统，电气自动化，1 9 9 6 ，培卷，2 期 ( 9 万和，j b t8 7 1 3 - 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b i td i g i 强l t o - a n a l o gc o n v e r t e r s t e x a s i n s t r u m e n t si n c 2 0 0 0 2 8 t l 4 3 1 ，t l 4 3 1 aa d j u s t a b l ep r e c i s i o ns i e i n tr e g u l a t o r s 。t e x a si n s t r u m e n t sl n e 1 9 9 9 【2 9 a i h i g h l i n e a r i t ya n a l o go p t o c o u p l e r st e c h n i c a ld a t a 。2 0 0 4 ( 3 0 】搦小晨，王欣寒糖度线性光瞒h c n r 2 0 0 2 0 1 及其应爆。仪器仪表用户2 0 0 3 ，1 0 ( 5 ) ：4 1 - 4 2 3 1 wkc h o w , wyf u n g n u m e r i c a ls t u d i e so nt h ei n d o o ra i rf l o wi nt h eo c c u p i e dz o n eo f v e n t i l a t i o na n da i r c o n d i t i o n e ds p a c e 。b u i i d i n ga n de n v i r o n m e n t ，1 9 9 6 ，1 9 ( 4 ) ：3 1 9 3 4 4 3 2 c h o ww l ( ，l iy 2 ，c u ie ，e ta 1 n a t u r e ls m o k ef i l l i n gi na t r i u mw i t hl i q u i dp o o lf i r e su p t o1 5 醒。b u i i d i n ga n de n v i r o n m e n t ，2 0 0 1 ，3 6 ( 1 ) ：1 2 - 1 7 - 5 7 - 蕉鍪王盔堂皇墼堂垡堡圭兰堡燮一一 附录 速嶷糖铮熬狰对阙零数对应凝率对应蛙裂 慰应速度对疲热速度 8 0 h0 2 7 1 0 1 - f 5 0 o0 0 0 0 0 0 2 70 0 0 0 8 1 ho d 6 0 1 - i 1 4 6 0o 1 6 00 0 8 0 0 。3 2 7 8 2 i - i激翳 1 7 8 90 2 1 50 0 9 80 3 2 7 8 3 - 0 9 7 e t - 2 0 5 70 2 6 0o 1 1 20 3 2 7 8 4 i - 1 0 8 8 6 t - i2 2 9 0& 2 9 8 0 。1 2 50 3 2 7 8 5 1 - 1 0 7 c f h2 5 0 00 3 3 3 o 1 3 60 3 2 7 8 6 h 0 7 4 1 h2 6 9 20 3 6 5 0 1 4 70 3 2 7 8 7 h0 6 c d l - t 2 8 7 。00 3 9 50 1 5 70 3 2 7 8 8 h0 6 6 e i - i 3 0 3 80 4 2 30 1 6 60 3 2 7 8 9 h0