編碼器在大型船舶龍門起重機(jī)中的應(yīng)用

針對(duì)大型船舶龍門起重機(jī)承載能力大、跨度大、起升高度高的特點(diǎn)，這里為大家介紹編碼器在起重機(jī)閉環(huán)同步控制和行程測(cè)量中的應(yīng)用，使起重機(jī)能夠安全可靠地工作。對(duì)同類起重機(jī)的設(shè)計(jì)具有參考和借鑒意義。

摘要

大型船舶龍門起重機(jī)（以下簡(jiǎn)稱船舶龍門起重機(jī)）作為碼頭區(qū)停工不可或缺的起重設(shè)備，已朝著超大跨度、超大承載能力的方向發(fā)展。目前，我國(guó)大型造船龍門起重機(jī)的承載能力達(dá)到1600噸，跨度230米，起吊高度100米。這對(duì)起重機(jī)操作中控制位置的同步定位和安全工作提出了更高的要求。龍門起重機(jī)跨度大，結(jié)構(gòu)形狀的剛性支腿和柔性支腿導(dǎo)致腹板兩側(cè)異步運(yùn)行，容易發(fā)生安全事故。龍門起重機(jī)吊裝高度大，給定位吊裝作業(yè)帶來很大困難。編碼器可用于定位、速度和長(zhǎng)度測(cè)量，廣泛應(yīng)用于大型造船龍門起重機(jī)

編碼器簡(jiǎn)介

編碼器是一種將物理量轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式的傳感器，用于檢測(cè)物體機(jī)械運(yùn)動(dòng)的速度、位置、角度和計(jì)數(shù)。運(yùn)動(dòng)控制器中旋轉(zhuǎn)編碼器的功能是將位置和角度等參數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量?？梢允褂弥T如電接觸、磁效應(yīng)、電容效應(yīng)和光電轉(zhuǎn)換之類的機(jī)制來形成不同類型的編碼器。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中最常見的編碼器是光電編碼器。光電子編碼可以分為增量編碼器和絕對(duì)編碼器。兩者通常用作速度控制或位置控制中的檢測(cè)部件。

增量編碼器

增量編碼器直接利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出A、B、Z三組方波脈沖。兩個(gè)脈沖組A和B之間的相位差為90°，因此可以很容易地確定旋轉(zhuǎn)方向。Z相每轉(zhuǎn)輸出一個(gè)脈沖用于參考點(diǎn)定位。當(dāng)編碼器旋轉(zhuǎn)時(shí)，它會(huì)發(fā)出脈沖，并通過計(jì)數(shù)設(shè)備知道它的位置和速度。當(dāng)編碼器靜止或關(guān)閉時(shí)，依靠計(jì)數(shù)器的內(nèi)部存儲(chǔ)器來記住其位置。通過這種方式，編碼器在電源故障后不能以任何方式移動(dòng)。如果有當(dāng)前調(diào)用，編碼器的輸出脈沖過程中應(yīng)該沒有干擾，并且脈沖不應(yīng)該丟失。否則，由計(jì)數(shù)裝置存儲(chǔ)的零點(diǎn)偏移，并且偏移量可能是未知的。只有當(dāng)出現(xiàn)錯(cuò)誤的生產(chǎn)結(jié)果時(shí)，才能知道。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，平均使用壽命長(zhǎng)，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，適用于連續(xù)操作和高精度定位控制。其缺點(diǎn)是不能輸出波旋轉(zhuǎn)的絕對(duì)位置信息。

絕對(duì)值編碼器

絕對(duì)編碼器是一種直接輸出數(shù)字量的傳感器。在圓形碼盤上，沿徑向有幾個(gè)同心的碼道，每個(gè)都由透明和不透明的扇區(qū)區(qū)域組成。相鄰代碼軌道的數(shù)量是雙重關(guān)系，代碼盤上的代碼軌道數(shù)量是二進(jìn)制數(shù)字的數(shù)量。絕對(duì)編碼器根據(jù)其機(jī)械位置來確定每個(gè)位置的唯一性。它不需要內(nèi)存、參考點(diǎn)和連續(xù)計(jì)數(shù)。如果需要知道位置，他會(huì)讀取位置。這顯著提高了編碼器的抗干擾性能和數(shù)據(jù)可靠性。由于絕對(duì)編碼器相對(duì)于增量編碼器在定位方面的顯著優(yōu)勢(shì)，它們?cè)絹碓蕉嗟赜糜跈C(jī)械運(yùn)動(dòng)定位。其優(yōu)點(diǎn)是可以直接讀取角坐標(biāo)的絕對(duì)值，而不會(huì)累積誤差，并且在關(guān)閉電源后不會(huì)丟失位置信息。然而，分辨率由二進(jìn)制系統(tǒng)中的位數(shù)決定，精度取決于位數(shù)。

因此，增量編碼器和絕對(duì)編碼器之間的區(qū)別在于，增量編碼器將位移轉(zhuǎn)換為周期性電信號(hào)，然后將其轉(zhuǎn)換為計(jì)數(shù)脈沖。脈沖的數(shù)量用于表示偏移的大小，但只能在打開時(shí)存儲(chǔ)，而絕對(duì)編碼器的每個(gè)位置都對(duì)應(yīng)于特定的數(shù)字代碼。其指示僅指測(cè)量的開始和結(jié)束位置，與測(cè)量的中間過程無關(guān)。而且它有內(nèi)置存儲(chǔ)器，可以在斷電時(shí)存儲(chǔ)計(jì)數(shù)值。因此，絕對(duì)值編碼器更昂貴。如果編碼器的計(jì)數(shù)存儲(chǔ)器安裝在電子控制中，則可以使用增量編碼器來代替絕對(duì)編碼器。

編碼器實(shí)現(xiàn)閉環(huán)和同步控制

由于大型造船龍門起重機(jī)吊裝工藝的要求，通常在上車架上放置兩套起重機(jī)構(gòu)進(jìn)行配合，同時(shí)與下車架的起重機(jī)構(gòu)一起進(jìn)行吊裝和倒置，對(duì)吊裝的同步性要求較高。在變頻電氣控制中，增量編碼器通常用于電機(jī)的同軸安裝。編碼器的儀表和輸出連接到電子控制系統(tǒng)，用于閉環(huán)調(diào)節(jié)。電子控制系統(tǒng)可以通過調(diào)節(jié)閉環(huán)控制來精確控制電機(jī)速度，達(dá)到精確控制機(jī)構(gòu)速度的效果。當(dāng)兩組相似的機(jī)構(gòu)需要同步時(shí)，電子控制系統(tǒng)可以通過雙閉環(huán)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)速度的同步，以確保提升和提升的安全。同時(shí)，這種控制方法也被用于行走機(jī)構(gòu)中，以確保同步和安全行走。

大型造船龍門起重機(jī)的行程測(cè)量主要包括測(cè)量行程高度和測(cè)量行程距離，而行程測(cè)量一般使用絕對(duì)編碼器。原則上，電機(jī)同軸編碼器也可以進(jìn)行行程測(cè)量。但不建議使用。一方面，雖然電機(jī)和機(jī)構(gòu)在安裝完成時(shí)形成線性關(guān)系，但在維修過程中拆卸或調(diào)整時(shí)，轉(zhuǎn)速和驅(qū)動(dòng)位置之間的對(duì)應(yīng)比例可以改變，這也可以通過調(diào)整電子控制系統(tǒng)的參數(shù)或重新設(shè)置限制來解決；另一方面，用于電機(jī)的通用同軸編碼器使用增量編碼器，在電源故障的情況下，增量編碼器可能會(huì)失去其驅(qū)動(dòng)位置。也可以安裝內(nèi)部存儲(chǔ)來解決這個(gè)問題。但這些方法不如絕對(duì)值編碼器可靠。

所有編碼器行程測(cè)量都是通過測(cè)量傳動(dòng)鏈中的轉(zhuǎn)數(shù)或角度并將其轉(zhuǎn)換為速度輸出來實(shí)現(xiàn)的。行程位置由編碼器在傳動(dòng)鏈中的位置與待測(cè)量行程之間的線性關(guān)系確定。機(jī)構(gòu)的速度也可以通過與系統(tǒng)中的時(shí)間參數(shù)進(jìn)行比較來確定。同時(shí)，在上述類型中也可以獲得一些特殊的控制參數(shù)。



用于測(cè)量提升高度的旋轉(zhuǎn)編碼器通常安裝在提升絞車卷筒的軸端，與卷筒轉(zhuǎn)數(shù)成線性比例。如圖1所示，齒輪箱轉(zhuǎn)向和鼓通過離合器連接。齒輪箱轉(zhuǎn)向箱輸出端的一側(cè)安裝有旋轉(zhuǎn)編碼器，用于測(cè)量行程高度，另一側(cè)安裝有行程高度限制器，用于限制終點(diǎn)。如果卷筒是多層纏繞機(jī)，編碼器的轉(zhuǎn)速和提升高度不是線性連接的。如果層數(shù)發(fā)生變化，可能會(huì)發(fā)生突然的變化。設(shè)置程序時(shí)，有必要根據(jù)轉(zhuǎn)數(shù)確定鋼絲繩的位置，調(diào)整比例，并準(zhǔn)確測(cè)量提升高度。除了吊鉤的高度測(cè)量外，在多鉤系統(tǒng)中，提升高度測(cè)量還起到提升行程的同步功能。行程高度測(cè)量誤差可以通過使用低于行程高度的減速位置或增加路徑中心的極限位置來重置。

起重機(jī)行程測(cè)量

門式起重機(jī)兩側(cè)的起重機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)均配有行程測(cè)量裝置。一方面，它可以提供系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以確定起重機(jī)在軌道上的位置；另一方面，系統(tǒng)可以比較兩側(cè)的路徑來控制驅(qū)動(dòng)同步誤差，以避免由于兩側(cè)操作的大偏差而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)過載或脫軌。



傳統(tǒng)的大型車輛行駛路徑測(cè)量通常使用獨(dú)立的檢測(cè)輪，編碼器安裝在檢測(cè)輪的同軸軸上。由于獨(dú)立檢測(cè)輪重量較輕，很容易發(fā)生跳動(dòng)或打滑，導(dǎo)致測(cè)量誤差。編碼器現(xiàn)在安裝在同軸從動(dòng)輪上，沒有法蘭，如圖2所示。

對(duì)于大面積龍門起重機(jī)，使用多組檢查輪進(jìn)行校準(zhǔn)，以確保測(cè)量精度。同時(shí)，沿軌道校準(zhǔn)位置設(shè)置限位開關(guān)觸發(fā)點(diǎn)。極限觸發(fā)系統(tǒng)將行進(jìn)路徑測(cè)量系統(tǒng)的行進(jìn)值校正到該位置的對(duì)應(yīng)值，以便校正行進(jìn)路徑測(cè)量體系中的誤差并減少誤差累積。3） 小型車行駛測(cè)量相當(dāng)于測(cè)量大型車的軌跡，不同之處在于小型車的路徑比大型車的路徑小得多，小型車通常沒有動(dòng)力車輪。小型汽車對(duì)環(huán)境的影響低于大型汽車。在實(shí)踐中，當(dāng)汽車沒有動(dòng)力車輪時(shí)，通常使用獨(dú)立的檢測(cè)車輪。由于汽車良好的運(yùn)行環(huán)境，獨(dú)立檢測(cè)輪在行程測(cè)量中也起到了很好的作用。小型汽車的位移測(cè)量不僅起到定位功能的作用，而且還起到在兩個(gè)或多個(gè)小型汽車系統(tǒng)中操作的同步功能。小型汽車的位置測(cè)量也可以作為電子控制系統(tǒng)中物體碰撞保護(hù)的參數(shù)。

小結(jié)

本文分析了編碼器的功能和分類，西安德伍拓自動(dòng)化為大家介紹了編碼器在大型船舶龍門起重機(jī)中的具體應(yīng)用，它可以準(zhǔn)確地進(jìn)行閉環(huán)控制、同步控制和行程測(cè)量，使龍門起重機(jī)能夠可靠、安全地工作。本文提出的編碼器控制方法已在幾臺(tái)大型船舶龍門起重機(jī)上應(yīng)用，取得了良好的效果。

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