劉建

（中國(guó)石油川慶鉆探川東鉆探公司機(jī)械廠，重慶 400021）

北石頂驅(qū)編碼器技術(shù)分析與應(yīng)用

劉建

（中國(guó)石油川慶鉆探川東鉆探公司機(jī)械廠，重慶 400021）

北石DQ70BSC頂驅(qū)上采用了增量式光電編碼器檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速，受工作環(huán)境和電磁干擾的影響，編碼器容易損壞或者不能正常工作。本文介紹了頂驅(qū)的編碼器工作原理、接線方法和使用注意事項(xiàng)，便于現(xiàn)場(chǎng)人員正確安裝和使用頂驅(qū)編碼器。

北石頂驅(qū)；6SE70西門子變頻器；增量式光電編碼器；DTI

1 編碼器簡(jiǎn)介

編碼器（Encoder）是傳感器(Sensor)的一種，主要用來(lái)檢測(cè)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的速度、位置、角度、距離或計(jì)數(shù)，除了應(yīng)用在機(jī)械外，許多的馬達(dá)控制如伺服馬達(dá)均需配備編碼器以供馬達(dá)控制器作為換相、速度及位置的檢出。

1.1 增量式光電編碼器

增量式光電編碼器的優(yōu)點(diǎn)是：原理構(gòu)造簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)；機(jī)械平均壽命長(zhǎng)，可達(dá)到幾萬(wàn)小時(shí)以上；分辨率高；抗干擾能力較強(qiáng)，信號(hào)傳輸距離較長(zhǎng)，可靠性較高。其缺點(diǎn)是它無(wú)法直接讀出轉(zhuǎn)動(dòng)軸的絕對(duì)位置信息（圖1）。

圖1 增量式光電編碼器輸出信號(hào)波形

1.2 編碼器的輸出方式

在大多數(shù)情況下，直接從編碼器的光電檢測(cè)器件獲取的信號(hào)電平較低，波形也不規(guī)則，還不能適應(yīng)于控制、信號(hào)處理和遠(yuǎn)距離傳輸?shù)囊?。所以，在編碼器內(nèi)還必須將此信號(hào)放大、整形。經(jīng)過(guò)處理的輸出信號(hào)一般近似于正弦波或矩形波。由于矩形波輸出信號(hào)容易進(jìn)行數(shù)字處理，所以這種輸出信號(hào)在定位控制中得到廣泛的應(yīng)用。采用正弦波輸出信號(hào)時(shí)基本消除了定位停止時(shí)的振蕩現(xiàn)象，并且容易通過(guò)電子內(nèi)插方法，以較低的成本得到較高的分辨率。增量式光電編碼器的信號(hào)輸出形式有：集電極開(kāi)路輸出（Open Collector）、電壓輸出（Voltage Output）、互補(bǔ)型輸出（Complemental Output）、推挽式輸出（Totem Pole）、線驅(qū)動(dòng)輸出（Line Driver）。各種輸出方式示意圖見(jiàn)表1。

表1

2 6SE70變頻器中應(yīng)用的編碼器

北石頂驅(qū)變頻驅(qū)動(dòng)裝置使用的是西門子公司生產(chǎn)的6SE70型變頻器。變頻器CUVC控制板X103接口只能接收單端輸入的相差為90度的HTL編碼器信號(hào)，電源電壓為11～30Vdc,編碼最大頻率不大于400kHz。當(dāng)編碼器與變頻器距離超過(guò)150m時(shí)，噪聲的影響就不容忽視。北石頂驅(qū)電機(jī)上安裝的第一代編碼器是德國(guó)霍普納HUBNER GIESSEN公司生產(chǎn)的FGHJ4K-1024G-90G/20P型光電增量編碼器。該編碼器為空心軸型，采用絕緣軸承，每轉(zhuǎn)輸出1024個(gè)方波脈沖信號(hào)，帶對(duì)稱負(fù)信號(hào)輸出，雙通道，相差90度,最大輸出信號(hào)頻率100kHz，輸出形式為差動(dòng)線驅(qū)動(dòng)，HTL電平，防護(hù)等級(jí)IP66，電源電壓12～30Vdc。實(shí)際使用的電源電壓是15Vdc。北石頂驅(qū)使用的第二代編碼器是Baumer HUBNER公司生產(chǎn)的HOG 165 C DN 1024I型光電增量編碼器。技術(shù)參數(shù)基本相同，每轉(zhuǎn)1024個(gè)脈沖，HTL電平帶對(duì)稱負(fù)信號(hào)輸出，相差90度，電壓電壓9～30Vdc；防護(hù)等級(jí)IP67，高于第一代。北石第一代與第二代編碼器端子排接線顏色見(jiàn)表2。

表2 北石新舊編碼器接線顏色表

3 DTI數(shù)字測(cè)速機(jī)接口板

6SE70變頻器只能接收單端輸入的相差90度HTL信號(hào)，需要一塊電路板進(jìn)行信號(hào)的轉(zhuǎn)換。這塊電路板就是DTI板（數(shù)字測(cè)速機(jī)接口板）。具有差動(dòng)電平電壓輸出的TTL或HTL的編碼器均可以接至DTI板，DTI板的輸入與輸出之間經(jīng)過(guò)光電隔離。X401端子排輸入RS-422差動(dòng)TTL(晶體管-晶體管邏輯，5Vdc)信號(hào)；X402端子排輸入差動(dòng)HTL（高電平晶體管邏輯，11～30Vdc）信號(hào)；X405端子排輸出差動(dòng)TTL信號(hào)；X403端子排輸出單端HTL信號(hào)。需要注意，輸入端子排X401和X402只能使用1個(gè)。也就是說(shuō)，DTI板只能輸入1臺(tái)數(shù)字編碼器的信號(hào)，要么是TTL，要么是HTL，二者不能同時(shí)輸入。X401輸入TTL信號(hào)，對(duì)應(yīng)X405輸出TTL信號(hào)；X402輸入HTL信號(hào)，對(duì)應(yīng)X403輸出HTL信號(hào)；北石頂驅(qū)采用后者接法。輸入與輸出端子說(shuō)明見(jiàn)表3。

表3 DTI板輸入輸出端子

4 編碼器與變頻器之間的接線

以05018頂驅(qū)為例，頂驅(qū)型號(hào)DQ70BSC，本體上有兩臺(tái)交流變頻電機(jī)，編碼器接線盒處采用E116型接線，分別接線接至PLC柜端子排X101、X102，然后分別接入兩臺(tái)變頻器的DTI板X402端子排，經(jīng)過(guò)DTI進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后從X403端子排處輸出單端HTL信號(hào)，進(jìn)入CUVC的X103端子排。6SE70編碼器接線端子表見(jiàn)表4。

表4 6SE70變頻器編碼器接線表

5 編碼器使用注意事項(xiàng)

（1）使用的屏蔽電纜不合適或者屏蔽接地不正確，就有可能引入電磁干擾信號(hào)，導(dǎo)致接收端收到的編碼器信號(hào)受到嚴(yán)重干擾，影響信號(hào)的識(shí)別。

（2）正確選型。要正確選擇編碼器的類型（增量式、絕對(duì)值式）、電源電壓等級(jí)、輸出信號(hào)形式、每轉(zhuǎn)輸出脈沖數(shù)等，長(zhǎng)距離時(shí)要考慮到抗電磁干擾的要求。

（3）編碼器輸出電壓電平與變頻器不匹配時(shí)，必須使用DTI接口板進(jìn)行信號(hào)電平轉(zhuǎn)換。

（4）編碼器安裝要牢固，轉(zhuǎn)動(dòng)要平穩(wěn)。

（5）應(yīng)保證編碼器軸與用戶輸出軸的不同軸度＜0.20mm，與軸線的偏角＜1.5°，避免振動(dòng)過(guò)大，造成編碼器機(jī)械損壞。特別要注意平鍵一定要裝上，否則輸出波形和正常波形偏差很大，會(huì)造成電機(jī)時(shí)快時(shí)慢。

6 結(jié)語(yǔ)

了解編碼器的結(jié)構(gòu)、工作原理，以及使用注意事項(xiàng)，對(duì)于正確安裝和使用編碼器具有非常重要的意義。通過(guò)本文的介紹，希望大家能夠正確地安裝和使用北石頂驅(qū)編碼器，尤其是接線一定要正確，屏蔽要可靠，才能讓編碼器既不因人為因素造成損壞，也不會(huì)因電磁干擾而無(wú)法正常工作，從而降低頂驅(qū)編碼器的故障率。

[1]出廠編號(hào)：13461.2013年7月.北京石油機(jī)械廠.頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置操作手冊(cè).

[2]文曉燕等.[J]電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012.

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