毕业设计立体车库PLC控制系统设计.docx
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毕业设计立体车库PLC控制系统设计
编号:
毕业论文(设计)
题目:
立体停车场的PLC控制设计
系别:
专业:
班级:
学生姓名:
指导教师:
成绩:
2012年月
摘要
立体停车库生产在中国是个新兴行业,立体停车库可缓解城市动、静态交通问题,改善居住环境,有效利用土地价值。
本系统采用PLC、计算机结合组态画面监控,按动按钮或控制组态画面即可完成汽车存取过程,操作简单,存取方便。
控制电路部分采用交流接触器传统方式,使运行安全可靠。
设计采用可分组合,模块式安装,方便灵活,具备维护使用方便,造价低等特点。
本设计主要的是对车库的控制系统设计及设备总体结构设计,确保客户停车取车方便快捷和安全。
详细论述了控制系统设计的基础上,选择两层三列式车库结构为研究模型。
升降横移式立体车库就其组成部分而言,可分为三大部分:
车库结构部分、传动机构部分和控制系统部分。
依据升降横移式立体车库的运行原理,在对升降横移式立体车库控制系统的设计中,采用了先进的PLC控制,运用三菱公司的编程软件编制了升降横移式立体车库控制系统的程序,并经调试、运行,证明采用可编程序控制器(PLC)作为控制系统简单易行。
关键词:
立体车库,控制系统,可编程序控制器,钢结构
中文摘要Ⅰ
1绪论1
1.1本题设计的背景1
1.2本题设计的内容1
1.3本题设计的目的及意义2
2系统控制方案的设定3
2.1自动化立体车库的描述3
2.2系统设计的基本步骤3
3立体车库系统硬件方面的设计5
3.1升降横移式立体车库的基本结构5
3.2定位控制系统结构设计8
3.2.1定位控制系统的组成8
3.2.2立体车库控制系统的原理8
3.3步进电动机的选择10
3.3.1步进电动机的原理10
3.3.2步进电动机的选型13
4升降横移式立体车库系统软件方面的设计15
4.1可编程控制器的选择15
4.1.1PLC的概述15
4.1.2PLC的选型及特点16
4.2定位控制系统程序设计17
4.2.1检测点与控制点的分布17
4.2.2电气系统部分设计18
4.3PLC定位控制系统的梯形图设计设计19
4.4存取车信号处理操作20
5结束语21
致谢22
参考文献23
附件1:
PLC梯形图设计24
1绪论
1.1本题设计的背景
随着我国城市经济和汽车工业的迅速发展,拥有私家车的家庭越来越多,而与此相对应的是城市停车状况的尴尬。
以北京市为例,截止2007年底,市区仅有公共停车场828处,共计车位5.7万个,仅占市区机动车拥有量的8.6%,停车环境与城市规划的矛盾十分突出。
上海的情况也让人无法乐观,仅有的229个地下车库使用面积不足60万平方米,只能满足1.3万辆机动车停放的要求,路边停车渐呈泛滥之势,比例高达64%,而且还有继续上升之势。
据建设部城市交通工程技术中心对全国15个大城市停车现状的调查,城市机动车保有量与停车位之比平均为4:
84:
1,这一比值对于渴望“车者有其位”的车主来说,形式不容乐观。
停车难产生最主要的原因是城市建设规划上的准备不足。
上世纪80年代初期,北京市权威部门对2000年北京汽车发展数的预测仅仅是70万-80万辆,而事实上到新世纪钟声敲响之前,北京市汽车总量则足足比预期多了100万辆,其中私人小客车的数量就高达45万辆。
面对迅速发展的城市车流,停车设施建设的落后也就不足为奇。
据建设部停车技术开发推广中心介绍,北京市停车设施的“欠账”最保守估计应为20-30%。
停车问题是城市在发展过程中出现的静态交通问题,静态交通是相对于动态交通而存在的一种交通形态,二者相互联系,互相影响,停车设施是城市静态交通的主要内容,随着城市的不断发展,各种车辆的不断增加,对停车设施的需求也在不断增加,如果两者之间失去平衡,城市里就会出现停车难的一系列问题。
数据显示,最近几年我国城市机动车辆平均增长速度在15%-20%,而同时期城市停车基础设施的平均增长速度只有2%-3%,特别是大城市的机动车拥有量的增长速度远远超过停车基础设施的增长速度,因此,我们必须重视城市停车难的问题,并积极探求解决的措施。
专家们指出,解决城市静态交通问题,大体分为软硬两种措施。
所谓软措施,就是通过政策法规,限制路面停车,提高停车场利用效率,使部分车主更愿意改乘公共交通工具,以减少机动车对停车场的需求。
而硬措施,主要包括增建停车场,建设地下及立体停车场、利用其它空间满足停车需求。
而无论采取什么措施,在规划后再收拾残局,于局限内弥补不足,政府和管理部门所需投入得精力和资金都不小
1.2本题设计的内容
本课题的主要内容是基于三菱FX2N系列PLC的立体车库控制系统的设计,升降横移类机械停车库利用托盘移位产生垂直通道,实现高层车位升降存取车辆。
其车位结构为2维矩阵形式,可设计为多层和多列。
由于受收链装置及进出车时间的限制,一般为2~4层(国家规定最高为4层),2层、3层者居多,现以典型的地上2×3升降横移式为例,说明停车库的运行原理。
立体车库结构特点是:
底层只能平移,顶层只能升降。
除顶层外,底层都必须预留一个空车位,供进出车升降之用。
当底层车位进出车时,无需移动其他托盘就可直接进出车;顶层进出车时,先要判断其对应的下方位置是否为空,不为空时要进行相应的平移处理,直到下方为空才可进行下降动作,进出车完成后再上升回到原位置。
其运动的总原则是:
升降复位,平移不复位。
1.3本题设计的目的及意义
作为现代大都市的标志,城市中心商住区高楼大厦林立,社区道路、高架交通干道、立交桥和地下铁路,编织出城市立体交通网,汽车的住宅--停车场也有了长足的发展,由平面停车向立体停车,由简单的机械车库向计算机管理高度自动化的现代立体停车演变,成为具有较强的实用性、观赏性和适合城市环境的建筑。
作为现代大都市的标志,立体建筑和立体交通都有了显著发展,道路拥挤、车满为患已成为当今快节奏社会中的最不和谐之音,发展立体停车已成为人们的共识。
目前我国经济正处在高速发展时期,随着人们生活水平的不断提高,汽车进入家庭的步伐正在加快,停车产业市场前景广阔。
机械式立体车库既可以大面积使用,也可以见缝插针设置,还能与地面停车场、地下车库和停车楼组合实施,是解决城市停车难最有效的手段,机械车库与传统的自然地下车库相比,在许多方面都显示出优越性。
首先,机械车库具有突出的节地优势。
以往的地下车库由于要留出足够的行车通道,平均一辆车就要占据40平方米的面积,而如果采用双层机械车库,可使地面的使用率提高80%—90%,如果采用地上21层立体式车库的话,50平方米的土地面积上便可存放40辆车,这可以大大地节省有限的土地资源,并节省土建开发成本。
机械车库与地下车库相比可更加有效地保证人身和车辆的安全,人在车库内或车不停准位置,由电子控制的整个设备便不会运转。
应该说,机械车库从管理上可以做到彻底的人车分流。
在地下车库中采用机械存车,还可以免除采暖通风设施,因此,运行中的耗电量比工人管理的地下车库低得多。
机械车库一般不做成套系统,而是以单台集装而成。
这样可以充分发挥其用地少、可化整为零的优势,在住宅区的每个组团中或每栋楼下都可以随机设立机械停车楼。
这对眼下车库短缺的小区解决停车难的问题提供了方便条件。
当以往的路边、人行道上停车、地下或地面停车场均解决不了上述问题时,采用机械式立体停车设备是一个非常有效的措施。
机械式立体停车设备又名立体车库,它占地空间小,并且可最大限度地利用空间,安全方便,立体车库的设计目的:
是解决城市用地紧张,缓解停车难的一个有效手段。
可以预见立体车库具有非常广阔的市场前景。
2系统控制方案的设定
2.1自动化立体车库的描述
目前,立体车库主要有以下几种形式:
升降横移式、巷道堆垛式、垂直提升式、垂直循环式、箱型水平循环式、圆形水平循环式等。
在对国内外各种同类产品进行分析的基础上,再结合造价、技术难度以及用户需求等各个方面的因素,可以发现升降横移式立体车库形式比较多,规模可大可小,而且对场地的适应性较强,同时采用这类设备的车库十分普遍。
因此,最终确定研究对象为升降横移式立体车库。
2.2系统设计的基本步骤
立体车库系统设计与调试的主要步骤,如图2.1所示
图2.1立体车库控制系统的修订步骤
在本次课题设计过程中主要考虑以下几点:
1.深入的了解和分析立体车库的工艺条件和控制要求。
2.根据立体车库的控制系统的功能要求,确定系统的设计系统结构。
3.根据所设计的场所,选择电动机的类型。
4.根据I/O的点数选择合适的PLC的类型。
5.分配I/O点,分配PLC的输入、输出点。
6.设计立体车库系统的梯形图设计。
7.将程序输入PLC程序进行调试,查出错误,让程序更加完善。
3立体车库系统硬件方面的设计
3.1升降横移式立体车库的基本结构
升降横移式立体车库是指利用载车板的升降或横向平移存取停放车辆的机械式停
车设备。
升降横移式立体车库每个车位均有载车板,所需存取车辆的载车板通过升、降、横移运动到达地面层,驾驶员进入车库,存取车辆,完成存取过程。
停泊在这类车库地面的车只作横移,不必升降,上层车位要将载车板升或降到地面层,驾驶员才可进入车库内将汽车开进或开出车库。
图3.1为一个地上5车位的升降横移式停车设备,其工作原理是:
第二层三个车位可以升降,一层的两个车位只能横向横移,空车位供二层的车位下降时借用。
1、2号车位可以直接存放车辆;5号车位需下降后再存放车辆;3号车位,则需先将1号和2号载车板右移,再将3号载车板下降;4号车位,则需先将2号载车板右移,再将4号存车板下降;由于升降横移式停车设备对场地的适应性强,介绍系统各机械部分部件结构和功能可根据不同的地形和空间进行任意的组合、排列,规模可大可小,对土建的要求比较低,因此,应用非常广泛。
图3.1五车位升降横移式立体车库工作原理图
本设计以两层三列式立体车库为模型建立研究对象。
升降横移式立体车库主要由结构框架部分、载车板部分、横移系统、提升系统、控制系统、安全防护系统六大部分组成。
下面我们重点对车库的主要组成(图3.2所示)进行分析。
图3.2升降横移式立体车库主要组成
1.结构框架
立体车库一般主要以钢结构和钢筋混凝土为主,在升降横移式车库中我们选用钢架结构(如图3.3所示)。
钢架结构与其它建筑结构相比,具有如下特点:
图3.3立体车库的结构框架
a.可靠性高
钢材在生产时,整个过程可严格控制,质量比较稳定,性能可靠。
钢材组织均匀,接近于各向同性匀质体;钢材的物理力学特性与工程力学对材料性能所作的基本假定符合较好;钢结构的实际工作性能比较符合目前采用的理论计算结果,计算结果可靠,所以说钢结构的可靠性高。
b.材料的强度高,钢结构自重小
与混凝土等材料相比,虽然钢材的重力密度大,但它的强度和弹性模量较高,而且强度与重力密度之比也高得多。
钢结构自重小,从而便于运输与安装,可减轻基础的负荷,降低地基和基础部分的造价。
c.材料的塑性和韧性好
钢材的塑性好,钢结构在一般条件不会因超载等而突然断裂。
破坏前一般都会产生
显著的变形,易于被发现,可及时采取补救措施,避免重大事故发生。
钢材的韧性好,钢结构对动力荷载的适应性强,具有良好的吸能能力,抗震性能优越。
d.钢结构制造简便,施工工期短
钢结构一般在专业工厂制造,易实现机械化,生产效率和产品精度高,质易于保证,是工程结构中工业化程度最高的一种结构。
构件制造完成后,运至施工现场拼装成结构。
拼装可采用安装方便的螺栓连接,有时还可在地面拼装成较大的单元,再进行吊装。
施工工期短,可尽快发挥投资的经济效益。
由于钢结构具有连接的特性,故易于加固、改建和拆迁。
e.钢结构密闭性好
钢结构采用焊接连接可制成水密性和气密性较好的常压和高压结构、管道等。
f.钢材的耐锈蚀性差
在没有腐蚀介质的一般环境中,普通钢材制成的钢结构经除锈后再涂上合格的防锈涂料,锈蚀问题并不严重。
立体车库多在没有腐蚀介质的环境中,所以对钢结构本身的维护费用低。
结构主体采用热制H型钢、槽钢、角钢和钢板等型材制造,具有较好的强度和刚度,轻巧、美观,并可二次拆卸安装,运输方便。
2.上载车板及其提升系统
每块上载车板都配有一套独立的电机减速机与链传动组合的传动系统。
其工作原理如图3.1所示,电机顺时针旋转时,载车板上升,电机逆时针旋转时,载车板下降。
根据载车板及车重确定链条所需的传动力。
根据传动力及载车板的移动速度确定电机功率。
根据车身高度确定上下载车板间的距离,根据这个距离确定链条的长度,最后根据传动力确定链轮大小,链节形状及大小。
3.下载车板及其横移系统
由于下载车板不需悬挂链条,所以为了节省材料,下载车板比上载车板要短。
每块下载车板后部都配有一套独立的电机减速机传动系统,藏于载车板内。
在下载车板底部装有四只钢轮,可以在导轨上行走,其中两只为主动轮,装于长传动轴两端,另两只为独立安装的从动轮。
电机减速机驱动长传动轴运转,长传动轴上的主动钢轮在导轨上滚动行走从而使下载车板作横向平移运动。
根据载车板及车辆的重量、行走速度、滚轮与导轨间的摩擦系数确定横移电机的驱动功率。
4.安全装置
上载车板上装有上下行程极限开关和防坠落安全装置。
防坠落安全装置装在纵梁与上载车板上停位之间,在纵梁两测各装两只挂钩,上载车板两侧相应位置处各装两只耳环,当上载车板上升到位后,纵梁下面的四只挂钩便自动套入四只耳环内,以防止升降电机常闭制动器慢释放后,上载车板在汽车和载车板本身的重力作用下慢慢下滑,压坏下层汽车。
另外也防止制动器一旦失灵,上载车板从上停车位坠落,砸坏下层汽车。
下载车板的安全装置主要是行程极限开关和防碰撞板。
行程极限开关的作用是使载车板横移到位后自动停止。
防碰撞板的作用是:
下载车板横移时,如果碰撞到人、遗留行李或车主宠物时,切断横移电机电源,横移停止。
5.控制系统
升降横移式立体停车设备的控制系统采用PLC可编程序控制器控制,主要有手动、自动、复位、急停四种控制方法。
自动控制应用于平时的正常工作状态,手动控制应用于调试、维修状态,复位应用于排除故障场合,急停应用于发现异常的紧急场合。
对于本文中所列的5车位升降横移式立体停车设备,PLC主要要控制二层三个升降电机的正反转和一层横移电机的正反转。
此外要控制上层车位上安全钩的电磁铁和系统报警显示装置等。
3.2定位控制系统结构设计
3.2.1定位控制系统的组成
系统主要由:
PLC、组态监控部分、电气传动部分、检测部分、手动控制部分、支架模型组成。
PLC程序设计要求:
a.1号车位、2号车位、3号车位只能上下移动,不能左右移动;
b.4号车位、5号车位只能左右移动,不能上下移动;
c.下排车位上的汽车可以直接开出;
d.上排车位的汽车,要想开出需要先按下相应车位标号呼叫按键,再按下叫车按键,然后下排车位先左右移动,让出位置,上排车位降至下层,再进出车辆。
3.2.2立体车库控制系统的原理
整个车库设计由一台PLC对车库进行统一的管理和监控,通过PLC控制载车板纵横传动装置以完成对车辆的存取操作。
各车位内车辆的调入调出由PLC根据当前各车位的车辆存放情况,按照相应的调度策略调度车辆进出。
立体车库的自动存取车控制系统包括弱电与强电两套系统。
弱电系统主要包括各种信号的采集、报警与控制输出。
PLC输出信号给接触器线圈,控制接触器的接通与关断。
强电系统包括载车板电机控制线路、控制电机正反转接触器、到位限位及载车板的上下行程限位。
车库采用车位检测装置代替人工找位,用升降装置输送汽车到位。
系统在面板处设有急停开关,当发生意外时,按下急停开关,断掉所有电机的电源,使载车盘无法继续运行,以保护人员及设备的安全。
系统输出控制信号包括控制电机运行方向信号,控制电机运行信号,控制电磁铁得、失电信号,控制灯光报警信号,控制车库照明信号。
升降横移式立体车库是一种比较典型的跨学科机电一体化产品,集机械、电子、信息技术于一体。
其中,电子技术、信息技术和传感技术的合理运用与组合构成了车库的控制系统。
升降横移式立体车库的控制系统是整个车库系统的重要组成部分,也是车库系统的核心。
执行机构是“四肢”,框架是“躯体”,那么控制系统就是“大脑”。
它指挥着车库的每个运作过程,并对整个系统的状态过程进行监控。
升降横移式立体车库的系统控制原理:
操作者(人)要通过控制系统信息交流的平台(界面)把操作信息传送给控制系统,经系统处理后,系统把可识别的控制信息通过辅助设备驱动执行结构,来完成车库现场的运作。
其系统控制原理框图,如图3.4所示。
由于PLC的可靠性、抗干扰能力强。
国内外现有的升降横移式立体车库,它们的系统控制形式大都采用可编程控制器控制,特别是应用在智能化要求程度高、多车尾、大容量的现代化升降横移式立体车库中。
PLC的可靠性、抗干扰能力强。
图3.4车库系统控制原理框图
在升降横移式立体车库中,控制系统中主控单元的主要控制对象首先是车库内的横移电机和升降电机,控制系统就是使它们在不同的时间内实现正反转;其次是车库内的各种辅助装置,如指示灯及其各种安全设施等。
为了保证载车板能横移到预定位置以及载车板能上升或下降到指定位置,采用了行程开关。
为了判断载车板上有无车辆,采用了光电开关。
一般小型车库选用按钮操作,界面清楚,易于操作,但对于大型车库来说要用上位机来进行对其控制。
同时在车库中还采用了一些传感器如烟温传感器以及安全预警装置,因本系统只有开关量输入而无模拟量输入,凭可编程序控制器本身的抗干扰能力和隔离变压器就能满足要求,因此可不必再另外增加其它抗干扰措施。
3.3步进电动机的选择
3.3.1步进电动机的原理
步进式伺服驱动系统是典型的开环控制系统。
在此系统中,执行元件是步进电机。
它受驱动控制线路的控制,将代表进给脉冲的电平信号直接变换为具有一定方向、大小和速度的机械转角位移,并通过齿轮和丝杠带动工作台移动。
由于该系统没有反馈检测环节,它的精度较差,速度也受到步进电机性能的限制。
但它的结构和控制简单、容易调整,故在速度和精度要求不太高的场合具有一定的使用价值。
步进电机的工作原理实际上是电磁铁的作用原理。
目前,我国使用的步进电机多为反应式步进电机。
在反应式步进电机中,有轴向分相和径向分相两种,图3.1是一典型的单定子、径向分相、反应式伺服步进电机的结构原理图。
它与普通电机一样,分为定子和转子两部分,其中定子又分为定子铁心和定子绕组。
定子铁心由电工钢片叠压而成,其形状如图中所示。
定子绕组是绕置在定子铁心6个均匀分布的齿上的线圈,在直径方向上相对的两个齿上的线圈串联在一起,构成一相控制绕组。
图3.5所示的步进电机可构成三相控制绕组,故也称三相步进电机。
若任一相绕组通电,便形成一组定子磁极,其方向即图中所示的NS极。
在定子的每个磁极上,即定子铁心上的每个齿上又开了5个小齿,齿槽等宽,齿间夹角为9°,转子上没有绕组,只有均匀分布的40个小齿,齿槽也是等宽的,齿间夹角也是9°,与磁极上的小齿一致。
此外,三相定子磁极上的小齿在空间位置上依次错开1/3齿距。
图3.5单定子径向分相反应式伺服步进电机结构原理图
步进电机的工作原理实际上是电磁铁的作用原理。
图3.2是一种最简单的反应式步进电机,下面以它为例来说明步进电机的工作原理。
图3.6(Ⅰ)中,当A相绕组通以直流电流时,根据电磁学原理,便会在AA方向上产生一磁场,在磁场电磁力的作用下,吸引转子,使转子的齿与定子AA磁极上的齿对齐。
若A相断电,B相通电,这时新的磁场其电磁力又吸引转子的两极与BB磁极齿对齐,转子沿顺时针转过60°。
通常,步进电机绕组的通断电状态每改变一次,其转子转过的角度α称为步距角。
因此,图3.6(Ⅰ)所示步进电机的步距角α等于60°。
如果控制线路不停地按A→B→C→A…的顺序控制步进电机绕组的通断电,步进电机的转子便不停地顺时针转动。
若通电顺序改为A→C→B→A…,同理,步进电机的转子将逆时针不停地转动。
上面所述的这种通电方式称为三相三拍。
还有一种三相六拍的通电方式,它的通电顺序是:
顺时针为A→AB→B→BC→C→CA→A…;逆时针为A→AC→C→CB→B→BA→A…。
若以三相六拍通电方式工作,当A相通电转为A和B同时通电时,转子的磁极将同时受到A相绕组产生的磁场和B相绕组产生的磁场的共同吸引,转子的磁极只好停在A和B两相磁极之间,这时它的步距角α等于30°。
当由A和B两相同时通电转为B相通电时,转子磁极再沿顺时针旋转30°,与B相磁极对齐。
其余依此类推。
采用三相六拍通电方式,可使步距角α缩小一半。
图3.6(Ⅱ)中的步进电机,定子仍是A,B,C三相,每相两极,但转子不是两个磁极而是四个。
当A相通电时,是1和3极与A相的两极对齐,很明显,当A相断电、B相通电时,2和4极将与B相两极对齐。
这样,在三相三拍的通电方式中,步距角α等于30°,在三相六拍通电方式中,步距角α则为15°。
图3.6步进电机工作原理图
(1)步进电机定子绕组的通电状态每改变一次,它的转子便转过一个确定的角度,即步进电机的步距角α;
(2)改变步进电机定子绕组的通电顺序,转子的旋转方向随之改变;
(3)步进电机定子绕组通电状态的改变速度越快,其转子旋转的速度越快,即通电
状态的变化频率越高,转子的转速越高;
(4)步进电机步距角与定子绕组的相数m、转子的齿数z、通电方式k有关,可用下式表示:
=360mzk
式中m相m拍时,k=1;m相2m拍时,k=2;依此类推。
对于图3.1所示的单定子、径向分相、反应式伺服步进电机,当它以三相三拍通电方式工作时,其步距角为
=360mzk=36034013
若按三相六拍通电方式工作,则步距角为
=360mzk36034021.5
4.步进电机的主要特性
(1)步距角。
步进电机的步距角是反映步进电机定子绕组的通电状态每改变一次,转子转过的角度。
它是决定步进伺服系统脉冲当量的重要参数。
数控机床中常见的反应式步进电机的步距角一般为。
步距角越小,数控机床的控制精度越高。
(2)矩角特性、最大静态转矩Mjmax和启动转矩Mq。
矩角特性是步进电机的一个重要特性,它是指步进电机产生的静态转矩与失调角的变化规律。
(3)启动频率fq。
空载时,步进电机由静止突然启动,并进入不丢步的正常运行所允许的最高频率,称为启动频率或突跳频率。
若启动时频率大于突跳频率,步进电机就不能正常启动。
空载启动时,步进电机定子绕组通电状态变化的频率不能高于该突跳频率。
(4)连续运行的最高工作频率fmax。
步进电机连续运行时,它所能接受的,即保证不丢步运行的极限频率,称为最高工作频率。
它是决定定子绕组通电状态最高变化频率的参数,它决定了步进电机的最高转速。
(5)加减速特性。
步进电机的加减速特性是描述步进电机由静止到工作频率和由工作频率到静止的加减速过程中,定子绕组通电状态的变化频率与时间的关系。
当要求步进电机启动到大于突跳频率的工作频率时,变化速度必须逐渐上升;同样,从最高工作频率或高于突跳频率的工作频率停止时,变化速度必须逐渐下降。
逐渐上升和下降的加速时间、减速时间不能过小,否则会出现失步或超步。
我们用加速时间常数Ta和减速时间常数Td来描述步进电机的升速和降速特性,如图3.7所示。
图3.7加减速特性曲线
3.3.2步进电动机的选型
在选择步进电动机时首先考虑的是步进电动机的类型选择,其次是具体的品种选择,在该立体车库系统设计中要求步进电动机的电压低、电流小