利用絕對(duì)值編碼器精確定位垂直螺旋卸車機(jī)起升機(jī)構(gòu)的方法

楊平

摘 要：垂直螺旋卸車機(jī)是起升機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)部分，主體結(jié)構(gòu)是YP2系列電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速機(jī)連接卷筒，在卷筒上纏繞鋼絲繩，由鋼絲繩吊載垂直螺旋卸車機(jī)的垂直、喂料、集料機(jī)構(gòu)做上升下降運(yùn)動(dòng)。利用絕對(duì)值編碼器輸出數(shù)字量代碼的唯一性特點(diǎn)，與PLC配合使用對(duì)垂直螺旋卸車機(jī)起升機(jī)構(gòu)定位控制，避免了因斷電導(dǎo)致的位置丟失。

關(guān)鍵詞：格雷碼 二進(jìn)制碼 最大分辨率 數(shù)據(jù)類型 操作數(shù)

中圖分類號(hào)：TN762 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）03（c）-0070-02

1 編碼器分類

編碼器分為增量型和絕對(duì)值型。

1.1 增量型編碼器

增量型編碼器，輸出的是脈沖，通常是非常規(guī)律的正弦波或方波，波的周期取決于編碼器精度，AB脈沖相差90°。根據(jù)收到的脈沖數(shù)，可知編碼器旋轉(zhuǎn)了多少，從而確定位移或速度；根據(jù)接收到的A超前B或者A落后B，即可確定旋轉(zhuǎn)方向。零脈沖每旋轉(zhuǎn)一圈輸出一個(gè)脈沖，提供了一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)。

1.2 絕對(duì)值型編碼器

絕對(duì)值編碼器輸出的不是脈沖，而是碼值，是一串二進(jìn)制數(shù)（或格雷碼等），比如：?jiǎn)稳?位絕對(duì)值編碼器，輸出的是一串9位的二進(jìn)制數(shù)，編碼器旋轉(zhuǎn)一圈，會(huì)有2的9次方個(gè)不同的數(shù)，超出一圈會(huì)出現(xiàn)碼值重復(fù)，所以說(shuō)測(cè)量范圍是360°。單圈絕對(duì)值編碼器如圖1所示。

單圈絕對(duì)值編碼器的轉(zhuǎn)動(dòng)不得超過(guò)360°，所以，在安裝過(guò)程中要保證其轉(zhuǎn)動(dòng)不得超過(guò)一周，因此，需要通過(guò)增加齒輪變速器來(lái)實(shí)現(xiàn)，保證垂直螺旋卸車機(jī)起升機(jī)構(gòu)直線位移對(duì)應(yīng)編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)一周，這樣編碼器獲取唯一的編碼，得到精準(zhǔn)的測(cè)量值。

2 定位控制原理

基于以上對(duì)絕對(duì)值編碼器的了解，我們采用單圈絕對(duì)值編碼器，將編碼器安裝于起升減速機(jī)構(gòu)末端。基本硬件組成為：西門子S7-200 224 PLC，宜科EAC58A系列單圈絕對(duì)型編碼器，匯川CS700系列變頻器。

2.1 S7-200 PLC與絕對(duì)型編碼器接線

S7-200 PLC的輸入端子接口與絕對(duì)型編碼器并行輸出相連，有多少位就有多少位接點(diǎn)，使用12位輸出的單圈絕對(duì)型編碼器，由于S7-200 PLC的輸入端是高電平有效，所以編碼器選擇PNP集電極開(kāi)路輸出，需要占用CPU224的12位輸入點(diǎn)。絕對(duì)型編碼器的12位信號(hào)輸出線Bit0—Bit11依次接入CPU224的I0.0—I0.7，I1.0—I1.3（如圖1）。

2.2 格雷碼碼值處理

編碼器輸出給PLC模塊的是格雷碼，需要通過(guò)程序指令轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制。用WXOR_W指令，最高位直接輸出，再利用WXOR_W指令將第二個(gè)高位跟最高位的運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行邏輯運(yùn)算，再利用WXOR_W指令將第三個(gè)高位跟第二個(gè)高位運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行邏輯運(yùn)算，直到最低位[2]。

格雷碼轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制碼（解碼）：從左邊第二位起，將之后的每位與左邊一位解碼后的值進(jìn)行異或，得到的值作為該位解碼后的值（最左邊一位不變寫入結(jié)果）。例如：1011，要將它變?yōu)樽匀欢M(jìn)制：

0與第四位1進(jìn)行異或結(jié)果為1。

上面結(jié)果1與第三位0異或結(jié)果為1。

上面結(jié)果1與第二位1異或結(jié)果為0。

上面結(jié)果0與第一位1異或結(jié)果為1。

因此，最終結(jié)果為：1101，這就是二進(jìn)制碼即十進(jìn)制13，如表1所示。

2.3 碼值和距離的線性關(guān)系

通過(guò)GRAY_BIN_W指令格雷碼轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的二進(jìn)制的碼值，數(shù)據(jù)以十進(jìn)制表示后就是編碼器到達(dá)的位置對(duì)應(yīng)的位置值。使用標(biāo)準(zhǔn)量具測(cè)量一下垂直螺旋卸車機(jī)的起升機(jī)構(gòu)井架實(shí)際移動(dòng)的位置，讓起升機(jī)構(gòu)起升或下降一定高度后，通過(guò)碼值的變化多少就能算出位移對(duì)應(yīng)線性關(guān)系。比如：格雷碼轉(zhuǎn)換后的碼值為101000011，對(duì)應(yīng)放到一個(gè)字中MW0，那么MW0的值為323（十進(jìn)制）。我們把得到的這個(gè)十進(jìn)制232值作為初始值。如果起升機(jī)構(gòu)運(yùn)行了100 cm的距離后編碼器的值為723，我們就能計(jì)算出初始值了。100cm/（723-323）=0.25 cm，即編碼器的每個(gè)脈沖變化對(duì)應(yīng)的起升機(jī)構(gòu)運(yùn)行距離為0.25cm。因此，通過(guò)讀取當(dāng)前絕對(duì)值編碼器碼值就能算出實(shí)際對(duì)應(yīng)的起升機(jī)構(gòu)運(yùn)行距離了。

3 起升機(jī)構(gòu)變頻器輸出頻率控制

當(dāng)確定了實(shí)際對(duì)應(yīng)運(yùn)行距離，將此距離與變頻器的頻率做出線性對(duì)應(yīng)關(guān)系。頻率控制命令由PLC的模擬量輸出給定。此關(guān)系要求起升機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)緩慢啟動(dòng)后加速到最高速度，之后再降速直到緩慢停止。因此電機(jī)要經(jīng)過(guò)加速、恒速、減速3個(gè)階段。比如：從0～1 000 mm，對(duì)應(yīng)變頻器的輸出頻率為2～29 Hz；1 001～4 000 mm，對(duì)應(yīng)變頻器的輸出頻率為30 Hz；4 001～5 000 mm，對(duì)應(yīng)變頻器的輸出頻率為30-0 Hz；這里的2 Hz是變頻器的啟動(dòng)頻率，30 Hz是變頻器的最高運(yùn)行頻率。

4 結(jié)語(yǔ)

綜合以上內(nèi)容，已經(jīng)詳細(xì)介紹了絕對(duì)值編碼器與PLC并口連接的方式，格雷碼如何轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制碼，以及對(duì)變頻器的頻率控制命令，經(jīng)上述方法能夠?qū)崿F(xiàn)垂直螺旋卸車機(jī)的起升機(jī)構(gòu)通過(guò)實(shí)際位置的變化對(duì)應(yīng)速度的變化，提高了垂直螺旋卸車機(jī)的卸車效率。

參考文獻(xiàn)

[1] 高虹.電氣自動(dòng)化技術(shù)在機(jī)械設(shè)備中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2014（6）：58-59.

[2] 張東寧，楊嘯，倪建成.格雷碼式旋轉(zhuǎn)編碼器在位移檢測(cè)中的應(yīng)用[J].組合機(jī)車與自動(dòng)化加工技術(shù)，1999（3）：36-37.

[3] 西門子，S7-200系列可編程控制器系統(tǒng)手冊(cè)[Z].