塔式起重機吊點定位控制技術研究*

黃 冀，梁杰金，嚴 波，陳春潮，周 立

(廣西壯族自治區特種設備檢驗研究院，廣西 南寧 530219)

0 引 言

近年來，塔式起重機的定位技術成為了研究熱點，但不同的研究方法也存在一些問題[1-3]。NARA與MIYAMOTO[4-5]采用激光測距來對起重機位置進行定位，但無法準確確定起重機工作吊鉤位置；OMAR[6]設計了全狀態反饋控制器，控制小車的定位和起重臂的回轉，但系統的魯棒性較差；CHATTERJEE S[7]將速度反饋應用到起重機的回轉和變幅運行中，但執行響應時間較長；冷建偉[8]應用激光測距和條碼對起重機進行追蹤定位，但系統未考慮吊鉤上下運動位置。

針對目前塔式起重機工作特點和技術缺陷以及國內外對定位技術研究所存在的問題，本文將研制一套定點吊自動控制系統。

1 多圈編碼器測量幅度和高度技術

編碼器采用絕對型旋轉光電編碼器，抗干擾能力強，可以在任何時刻感知當前的絕對角位置[9]。多圈絕對值編碼器內部結構如圖1所示。

圖1 多圈絕對值編碼器組成

該編碼器由多個光電碼盤按鐘表齒輪機械傳動原理組合工作，中心碼盤旋轉時，通過齒輪帶動另外幾組碼盤旋轉，即可以實現對中心碼盤的圈數編碼。圖示的中心碼盤上有5圈碼道，碼道不同位置的亮暗位置分別代表二進制中的1和0，從光源發出的光線透過碼盤上的亮處，然后穿過光柵板被光敏元件接收，獲得一個5位的二進制碼，且每個位置編碼唯一不重復，多圈絕對值編碼器把多個碼盤上獲得的二進制碼按照設定的次序組合在一起，即可以獲得一個多位的二進制編碼(格雷碼)。

多圈絕對值編碼器通過聯軸器分別與起重機變幅和起升卷筒連接。

塔式起重機進行變幅或者起升作業時，卷筒的轉動圈數與塔式起重機水平幅度或吊鉤高度存在線性對應關系，電機驅動變幅或起升卷筒旋轉，卷筒轉軸帶動編碼器作同軸同步旋轉。多圈絕對值編碼器能夠識別2的24次方組不同的二進制碼[10]，因此不同幅度位置在編碼器中都有一個唯一的二進制編碼與其對應，因此通過從編碼器獲得的二進制碼可以實時監測塔式起重機幅度。連接起升卷筒的編碼器則可以實時監測吊鉤高度。

2 電子羅盤測量水平絕對角技術

定點吊自動控制系統采用基于磁阻效應傳感器的平面電子羅盤測量起重臂的旋轉角度數據。磁阻式傳感器是根據磁性材料的磁阻效應制作而成的測量用傳感器[11]。其磁阻效應原理如圖2所示。

圖2 磁阻效應原理

圖2中，在平行于合金平面但垂直于電流方向施加一外磁場E的作用下，合金薄膜平行于電流流向的內磁場E1旋轉一個角度A，進而使得合金的電阻R發生變化，其函數關系為：

R=R0+ΔR0cos2θ

(1)

式中：R0—合金薄膜在未施加外磁場時具有的電阻值；ΔR0—合金薄膜材料的阻值絕對變化量；θ—合金薄膜內磁場與電流夾角。

由此可見：電阻與磁場間是非線性關系，磁阻效應是一個角度效應，非常適合于角度參數的測量。

磁阻效應傳感器是由4個連接成惠期通電橋的合金電阻組成[12]。在被測磁場作用下，電橋中位于相對位置的兩個電阻阻值增大，另外兩個電阻的阻值減小。在其線性范圍內，電橋的輸出電壓與被測磁場成正比。塔式起重機做回轉運動時，起重臂與地球磁場之間形成一個變化的夾角，通過測量磁阻效應傳感器的輸出量，進而確定塔式起重機起重臂的水平絕對角度。

本研究安裝了電子羅盤的塔式起重機，起重臂回轉至與地球磁場形成夾角，電子羅盤內的信號處理系統根據此時磁阻效應傳感器輸出的模擬量，經過信號放大、模數轉換后，得出的數據與地球磁場的數據修正值進行對比，最終確定起重臂的水平絕對角度。

電子羅盤安裝在塔式起重機的平衡臂上的專用非鐵磁性平臺支架上，其測量平面與水平面盡可能保持平行，存在一定傾角的情況下不影響測量結果。平臺設置的目的是避免電子羅盤受到塔機上易磁化材料的微弱磁場干擾[13]。

3 塔式起重機吊點定位控制技術

基于電子羅盤和多圈絕對值編碼器的起重機定點吊控制系統主要由數據采集傳感器、中央處理器、人機操作界面組成，其控制系統結構如圖3所示。

圖3 控制系統結構框圖

定點吊控制系統采用高度、幅度、角度傳感器測量起重機吊鉤坐標位置，用戶可以將吊鉤任意位置設置為定點，并通過系統將定點存儲到MCU(微控器)。在用戶指定要去的吊點后，MCU調出該吊點的坐標數據并與運行的吊鉤位置實時進行比較，當吊鉤坐標接近吊點坐標時，定點吊系統控制減速繼電器實現運行減速，吊鉤達到吊點后停止起重機動作。塔式起重機定點吊控制系統的整體安裝布局方案如圖4所示。

圖4 控制系統安裝示意圖

在塔式起重機作回轉、起升、變幅過程中，分別由電子羅盤、兩個多圈絕對值編碼器采集塔式起重機起重臂的水平角度、吊鉤垂直高度、小車水平幅度的數據，并通過MCU中央信號處理器進行解包和效驗，建立當前吊鉤的三維空間位置，同時將三維空間位置的坐標數據實時顯示在操作界面上。系統工作時，司機操作吊鉤至指定位置，按下定點按鍵取得定點位置坐標，MCU中央信號處理器自動將定點位置坐標存儲并將定點顯示操作界面上，當需要將重物吊運至指定位置時，司機通過操作界面按鈕選擇定點位置，MCU中央信號處理器調出該點的定位數據，并顯示在操作界面上，同時MCU通過自適應算法和模糊神經算法將定點坐標與當前吊鉤坐標數據進行對比，計算出最佳定點位置數據，并以動態的進度條圖型的形式顯示定點與吊鉤的距離。塔式起重機運行時，幅度、高度、角度的數值和進度條連續變化顯示吊鉤的實時位置；同時采用人工智能技術的聲光輔助定位電路(即人機交互聲光電路)，即以聲光方式提醒司機當前位置坐標與定點位置的距離。吊鉤當前的幅度值、高度值、角度值3項中任意一個接近定點的坐標值時，定點吊控制系統自動對相應的控制繼電器發出減速指令，控制變幅，起升或回轉的電機實現預減速；到達定點坐標位置后，系統發出停止指令，通過繼電器控制相應電機斷電、制動器制動。

4 吊點定位控制技術特點及優勢

通過安裝電子羅盤和多圈絕對編碼器的吊點定位控制系統塔式起重機與傳統塔式起重機的使用對比，安裝該吊點定位控制系統的塔式起重機具有如下優點：

(1)幅度、高度采用多圈絕對編碼器測量，測量精度高、重復性好，在實際應用中能夠達到較高的定位精度：幅度誤差≤0.2 m、高度誤差≤0.4 m、回轉平均誤差0.5°(經過3-5次自學習后)；

(2)回轉角度采用電子羅盤測量，準確可靠，無需調試；

(3)采用預減速控制方式，對機械結構、變頻器等設備沖擊小且定點位置準確；

(4)回轉定點停車采用自適應算法，對不同塔機的適應性好；

(5)人機交互界面友好，采用高清晰液晶屏實時顯示高度、幅度和角度參數；

(6)采用不同聲音提示與目標點距離便于司機了解塔機定點狀態。

5 實驗驗證

為了驗證定點吊控制系統的可靠性、重復性及定位精度，本研究對定點吊控制系統人為設定2個定點空間坐標，使塔式起重機吊鉤在兩定點之間相互移動，并通過人為現場儀器測量兩定點坐標數據進行實驗驗證。

為便于實驗操作及測試數據的準確性，實驗應用全站儀測試數據，并將全站儀設置在塔式起重機回轉中心軸上，使全站儀測試讀取數據即為吊鉤實際位置坐標。實驗前司機操作塔式起重機使吊鉤移動到兩坐標為A(20，20，90°)，B(10，10，45.5°)處，并將A、B兩點在系統中設置為兩定點。實驗操作過程中首先使塔式起重機吊鉤位于A點，并測量A點的幅度與高度；測試記錄完成后使吊鉤從A點自動運行到B點，測試B點幅度、高度及A點到B點的水平角度；其中A點運行到B點過程中的顯示界面如圖5所示。

圖5 A點運行到B點過程中顯示界面

B點數據測試記錄完成后使吊鉤從B點自動運行到A點，測試A點幅度、高度及B點到A點的水平角度，如何循環10次并測試數據，實驗驗證流程圖如圖6所示。

圖6 實驗驗證流程圖

本研究通過定點吊控制系統現場實驗測試兩定點幅度、高度及角度(為便于測試數據的分析，應用全站儀測試角度的分與秒全部換算為度)，測試數據如表1所示。

表1 實驗驗證現場測試數據

可以發現:定點A幅度、高度及角度在系統自學習5次后達到定位精度，定點B幅度、高度及角度在自學習4次后達到定位精度，并且隨著系統自學習次數越多，系統的定位精度越高，同時驗證了系統具有高的準確性、可靠性及好的重復性。

6 結束語

本研究研究了塔式起重機應用多圈絕對編碼器測量幅度及高度技術、電子羅盤測量水平絕對角技術，以及通過自適應算法和神經模糊算法建立的吊點定位控制系統。

現場實驗驗證了吊點控制系統的定位精度、可靠性及重復性，并且該系統具有自學習功能，隨著測試次數的增加，定位精度會逐步提高；系統可根據定點的使用頻率，將使用頻率高的定點優先置于顯示屏前供操作人員選擇使用。