利用绝对值编码器精确定位垂直螺旋卸车机起升机构的方法

杨平

摘 要：垂直螺旋卸车机是起升机构的传动部分，主体结构是YP2系列电动机通过减速机连接卷筒，在卷筒上缠绕钢丝绳，由钢丝绳吊载垂直螺旋卸车机的垂直、喂料、集料机构做上升下降运动。利用绝对值编码器输出数字量代码的唯一性特点，与PLC配合使用对垂直螺旋卸车机起升机构定位控制，避免了因断电导致的位置丢失。

关键词：格雷码 二进制码 最大分辨率 数据类型 操作数

中图分类号：TN762 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）03（c）-0070-02

1 编码器分类

编码器分为增量型和绝对值型。

1.1 增量型编码器

增量型编码器，输出的是脉冲，通常是非常规律的正弦波或方波，波的周期取决于编码器精度，AB脉冲相差90°。根据收到的脉冲数，可知編码器旋转了多少，从而确定位移或速度；根据接收到的A超前B或者A落后B，即可确定旋转方向。零脉冲每旋转一圈输出一个脉冲，提供了一个基准点。

1.2 绝对值型编码器

绝对值编码器输出的不是脉冲，而是码值，是一串二进制数（或格雷码等），比如：单圈9位绝对值编码器，输出的是一串9位的二进制数，编码器旋转一圈，会有2的9次方个不同的数，超出一圈会出现码值重复，所以说测量范围是360°。单圈绝对值编码器如图1所示。

单圈绝对值编码器的转动不得超过360°，所以，在安装过程中要保证其转动不得超过一周，因此，需要通过增加齿轮变速器来实现，保证垂直螺旋卸车机起升机构直线位移对应编码器转动一周，这样编码器获取唯一的编码，得到精准的测量值。

2 定位控制原理

基于以上对绝对值编码器的了解，我们采用单圈绝对值编码器，将编码器安装于起升减速机构末端。基本硬件组成为：西门子S7-200 224 PLC，宜科EAC58A系列单圈绝对型编码器，汇川CS700系列变频器。

2.1 S7-200 PLC与绝对型编码器接线

S7-200 PLC的输入端子接口与绝对型编码器并行输出相连，有多少位就有多少位接点，使用12位输出的单圈绝对型编码器，由于S7-200 PLC的输入端是高电平有效，所以编码器选择PNP集电极开路输出，需要占用CPU224的12位输入点。绝对型编码器的12位信号输出线Bit0—Bit11依次接入CPU224的I0.0—I0.7，I1.0—I1.3（如图1）。

2.2 格雷码码值处理

编码器输出给PLC模块的是格雷码，需要通过程序指令转换成二进制。用WXOR_W指令，最高位直接输出，再利用WXOR_W指令将第二个高位跟最高位的运算结果进行逻辑运算，再利用WXOR_W指令将第三个高位跟第二个高位运算结果进行逻辑运算，直到最低位[2]。

格雷码转换成二进制码（解码）：从左边第二位起，将之后的每位与左边一位解码后的值进行异或，得到的值作为该位解码后的值（最左边一位不变写入结果）。例如：1011，要将它变为自然二进制：

0与第四位1进行异或结果为1。

上面结果1与第三位0异或结果为1。

上面结果1与第二位1异或结果为0。

上面结果0与第一位1异或结果为1。

因此，最终结果为：1101，这就是二进制码即十进制13，如表1所示。

2.3 码值和距离的线性关系

通过GRAY_BIN_W指令格雷码转换成标准的二进制的码值，数据以十进制表示后就是编码器到达的位置对应的位置值。使用标准量具测量一下垂直螺旋卸车机的起升机构井架实际移动的位置，让起升机构起升或下降一定高度后，通过码值的变化多少就能算出位移对应线性关系。比如：格雷码转换后的码值为101000011，对应放到一个字中MW0，那么MW0的值为323（十进制）。我们把得到的这个十进制232值作为初始值。如果起升机构运行了100 cm的距离后编码器的值为723，我们就能计算出初始值了。100cm/（723-323）=0.25 cm，即编码器的每个脉冲变化对应的起升机构运行距离为0.25cm。因此，通过读取当前绝对值编码器码值就能算出实际对应的起升机构运行距离了。

3 起升机构变频器输出频率控制

当确定了实际对应运行距离，将此距离与变频器的频率做出线性对应关系。频率控制命令由PLC的模拟量输出给定。此关系要求起升机构实现缓慢启动后加速到最高速度，之后再降速直到缓慢停止。因此电机要经过加速、恒速、减速3个阶段。比如：从0～1 000 mm，对应变频器的输出频率为2～29 Hz；1 001～4 000 mm，对应变频器的输出频率为30 Hz；4 001～5 000 mm，对应变频器的输出频率为30-0 Hz；这里的2 Hz是变频器的启动频率，30 Hz是变频器的最高运行频率。

4 结语

综合以上内容，已经详细介绍了绝对值编码器与PLC并口连接的方式，格雷码如何转换成二进制码，以及对变频器的频率控制命令，经上述方法能够实现垂直螺旋卸车机的起升机构通过实际位置的变化对应速度的变化，提高了垂直螺旋卸车机的卸车效率。

参考文献

[1] 高虹.电气自动化技术在机械设备中的应用[J].科技创新与应用，2014（6）：58-59.

[2] 张东宁，杨啸，倪建成.格雷码式旋转编码器在位移检测中的应用[J].组合机车与自动化加工技术，1999（3）：36-37.

[3] 西门子，S7-200系列可编程控制器系统手册[Z].