編碼器在大型船舶龍門(mén)起重機(jī)中的應(yīng)用

針對(duì)大型船舶龍門(mén)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(mén)起重機(jī)（以下簡(jiǎn)稱船舶龍門(mén)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(mén)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(mén)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(mén)起重機(jī)吊裝高度大，給定位吊裝作業(yè)帶來(lái)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(mén)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。可以使用諸如電接觸、磁效應(yīng)、電容效應(yīng)和光電轉(zhuǎn)換之類的機(jī)制來(lái)形成不同類型的編碼器。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中最常見(jiàn)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(guò)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(lái)記住其位置。通過(guò)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(guò)程中應(yīng)該沒(méi)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(pán)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(pán)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(lái)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?lái)越多地用于機(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(kāi)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(kāi)始和結(jié)束位置，與測(cè)量的中間過(guò)程無(wú)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(lái)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(mén)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(guò)調(diào)節(jié)閉環(huán)控制來(lái)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(guò)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(mén)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(guò)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(guò)調(diào)整電子控制系統(tǒng)的參數(shù)或重新設(shè)置限制來(lái)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(lái)解決這個(gè)問(wèn)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(guò)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(lái)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(guò)與系統(tǒng)中的時(shí)間參數(shù)進(jìn)行比較來(lái)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(guò)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(guò)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(lái)重置。

起重機(jī)行程測(cè)量

門(mén)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(lái)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(guò)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(méi)有法蘭，如圖2所示。

對(duì)于大面積龍門(mén)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(kāi)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(méi)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(méi)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(mén)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(mén)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(mén)起重機(jī)上應(yīng)用，取得了良好的效果。

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