1、巷道堆垛类立体车库结构和控制系统设计摘要：为了改进立体仓库巷道堆垛机的控制系统性能，设计制作了自动化立体仓库和三自由度单立柱巷道堆垛机实体模型。在此基础上，提出了基于 ARM 微处理器的立体仓库巷道堆垛机控制方案。详细讨论了控制系统的整体结构和硬件电路设计，阐述了控制系统的软件设计过程。实际运行效果表明，该控制方案提高了巷道堆垛机的运行可靠性和准确性，较好地满足了自动化仓储系统的作业需求，是一种新颖的巷道堆垛机控制方案。 关键词：ARM;自动化立体仓库;I/O;控制系统;嵌入式技术 中图分类号：TU318 文献标识码：A 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
2、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。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。 一、概述巷道堆垛式 （一） 、巷道堆垛式的概念 巷道堆垛式是用巷道堆垛机或特种起重机将汽车水平且同时垂直移动到预定泊车位置或相反取出汽车的机械式停车设备。可根据场地的不同设置在室外(一般采用全封闭型式)、室内、地上或地卜。同时，该设备也要求存车空间相对独立，无其它设备的干扰，且设备成本较高。一部巷道堆垛机和搬运器所负责的车辆在 50100 辆之间较为合适，不宜超200 辆。每一层的停车数量一般在 20 辆以上，层数的确定应根据不同车库的具体使用面积
3、。在停车设备的市场份额约占 3-5%。存车层数七层以下，通常选择五层左右较为合适。 （二） 、巷道堆垛式的特点 特点：全封闭车库，存车率高、安全可靠、节省空间、控制操作方便等特点。该类车库主要适用于大型密集式存车。 主要设备及停车方式:进出口设备、库内搬运设备、车辆存放设施、电控系统、安全检测装置等设备。通常停车位设置在巷道两边或一侧，入库时司机只需将车停到进出口设备上，(对停车方向无要求)，其余工作由搬运装置完成。出库时司机操作控制面板，汽车自动由升降机泊出至司机等候地点。降低了对司机技术的要求，缩短了人车交换时间。 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
4、 1 所示。 图 1 巷道堆垛机示意图 （三） 、巷道堆垛机立体车库结构 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。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。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、
5、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 ARM7TDMI-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 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
6、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。 二、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 ARM7TDMI-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 60MHz。该芯片内部集成了 8kB 片内静态RAM、32kB 片内 Flash
7、 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 5V 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。 在巷道堆垛机控制系统中，LPC2131 微处理器使用 33V 的电源供电，微处理器的各个 GPIO 接口引脚也使用 33V 的 TTL 电平，而且最高可以承受 5V 的电压。SJ-220 型步进电机驱动器可分别接收直流 5V、12V(外接 680 电阻)和 24V(外接 18
8、k 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 5V 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。 三、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
9、。 图 3PWM 信号产生流程图 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 v12 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
10、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。 总之，本文针对自动化仓储系统的作业需求，设计实现了基于Philips 公司 LPC2131 型 ARM 微处理器的巷道堆垛机控制方案。详细给出了以 ARM 微处理器为核心、以步进电机驱动器和两相混合式步进电机为执行元件的巷道堆垛机总体方案和硬件电路设计，并讨论了堆垛机软件系统的实现过程。 实际测试效果表明，该控制系统实现了巷道堆垛机安全、可靠的运行，满足了自动化仓储系统存取货物的作业需求。将该堆垛机控制系统稍作改进后可以广泛应用于立体车库、粮食、冶金、制造等领域的物料存储与堆垛作业。 参考文献： 1 李国光，王文海基于 ARM7 的暖通空调直接数字控制器设计J 自动化仪表，2011，32(7):1114 2 周奇才基于现代物流的自动化立体仓库系统(AS/RS)管理及控制技术研究D 成都:西南交通大学，2002 3 朱建红，顾菊平，吴晓秦堆垛机实时控制系统优化设计J 制造业自动化，2011(8):1012 4 胡胜，胡必武，宋跃，等基于 ARM7 与 FPGA 的无功动态补偿控制器J 仪表技术与传感器，2011(4):7375 5 黄皎，许晓娟，陆晓春等嵌入式电磁流量计智能监控终端的设计J 自动化仪表，2012，33(4):7376
