旋轉(zhuǎn)編碼器技術(shù)在電梯（TOEC—60）控制中的應(yīng)用

吳立剛

摘要：文章介紹了采用旋轉(zhuǎn)編碼器技術(shù)對OTIS電梯（TOEC-60）進行控制改進方案，著重分析了主機馬達旋轉(zhuǎn)編碼器位置脈沖檢測原理及其改進方法，使改進的電梯提高了自動控制水平和安全性，達到了較理想的控制效果，改善了電梯運行平穩(wěn)度和舒適感。

關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)編碼器；電梯脈沖；測距控制

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）17-0051-02

交流調(diào)速控制系統(tǒng)中鋼帶選層是最早一種實現(xiàn)電梯選層控制方法之一，近年來隨著電梯控制技術(shù)的不斷發(fā)展，旋轉(zhuǎn)編碼器得到廣泛應(yīng)用，在電梯上的應(yīng)用也越來越

成熟。

某單位一臺OTIS（TOEC-60）30層30站電梯1.75米/秒，采用的是交流馬達，已漸老化，故障率越來越高，控制系統(tǒng)采用陳舊的PPT鋼帶輪測距；拖動系統(tǒng)采用交流調(diào)速裝置，使用頻率很高，運行已有十幾年之久；一直以來有啟動抖動、停層蹲底、到站不平層，有時還會出現(xiàn)困人的現(xiàn)象以及鋼帶斷帶的情況；特別是更換鋼帶價格昂貴，零配件不好買。感覺越來越不適應(yīng)現(xiàn)代發(fā)展的需要，為了改變這種現(xiàn)狀，對電梯平層系統(tǒng)進行改造，取消現(xiàn)轎廂平層鋼帶輪、鋼片帶、鋼片斷帶開關(guān)、張緊輪，采用先進的主機馬達光電旋轉(zhuǎn)編碼器計數(shù)控制技術(shù)，以期達到電梯平層更加準確、運行更加穩(wěn)定、乘坐更加舒適；同時還可以減少電梯井道里的運動部件，減少摩擦，降低了電梯的養(yǎng)護成本。

1 改造方案

1.1 電梯選層控制的種類

電梯的選層控制電路有多種，主要分為硬件式選層器和軟件式選層器。硬件式選層器包括層樓感應(yīng)器式和鋼帶選層器式。前者一般在交流雙速貨梯中使用，而鋼帶選層器廣泛用于早期的客梯中。這種類型的選層方式由于其設(shè)計缺陷（計數(shù)精度不高），一般只在開環(huán)系統(tǒng)或單閉環(huán)控制系統(tǒng)電梯中使用。隨著電梯電梯工業(yè)的發(fā)展電梯的選層器都采用軟件選層器，其主要有如下三種：（1）采用永磁交流測速發(fā)電機式，其轉(zhuǎn)子為永磁鐵，定子為繞組式。它是一種模擬量計數(shù)方式，測速信號是根據(jù)測速發(fā)電機輸出電壓，通過整流后直接作為反饋信號，再利用微機計算處理來判斷電梯速度和位置信號的。其唯一缺點是電梯在低速時由于發(fā)電機輸出電壓較低，電梯易丟失反饋信號。（2）采用光電碼盤方式，它由發(fā)光管和接收管及光碼盤組成。發(fā)光管發(fā)射一束紅外光波，通過與曳引電機同步的光碼盤，盤上同一圓周上均勻地分布許多小孔。曳引電機旋轉(zhuǎn)時，光碼盤跟著旋轉(zhuǎn)，每當小孔有光束通過時，接收管就接收到一個光脈沖。這是一種較簡單的計數(shù)方式。（3）現(xiàn)在電梯常采用的是一種旋轉(zhuǎn)編碼器脈沖計數(shù)方式，其計數(shù)精度高。它為電梯獲得很高的平層精度提供了有力保障。

1.2 電梯的故障原因

對電梯的故障現(xiàn)象經(jīng)過長時間的仔細觀察和分析，判斷有以下原因：

1.2.1 電梯控制系統(tǒng)采用的是鋼帶測距，鋼帶與鋼帶輪滑移是造成電梯到站不平層的主要原因。

1.2.2 曳引輪繩輪滑移也是電梯不平層、啟動抖動、停層蹲底的原因之一。根據(jù)電梯的故障現(xiàn)象和現(xiàn)有的配置提出改進方案，電梯轎廂層高位置檢測改為：采用主機馬達旋轉(zhuǎn)編碼器測距取代現(xiàn)用的鋼帶測距，使用井道隔磁板進行層樓數(shù)據(jù)校正；電梯其他部件保持不變。

2 改進后編碼器的工作原理

旋轉(zhuǎn)編碼器通過內(nèi)部兩個光敏接受管轉(zhuǎn)化其角度碼盤的時序和相位關(guān)系，得到其角度碼盤角度位移量增加（正方向）或減少（負方向）。編碼器轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時，有相應(yīng)的脈沖輸出，其計數(shù)起點任意設(shè)定，可實現(xiàn)多圈無限累加和測量。編碼器軸轉(zhuǎn)一圈會輸出固定的脈沖，脈沖數(shù)由編碼器光柵的線數(shù)決定。編碼器原理示意圖如圖1：

圖1

增量式編碼器是直接利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出三組方波脈沖A、B和Z相；A、B兩組脈沖相位差90°，從而可方便地判斷出旋轉(zhuǎn)方向，而Z相為每轉(zhuǎn)一個脈沖，用于基準點定位。它的優(yōu)點是原理構(gòu)造簡單，機械平均壽命可在幾萬小時以上，抗干擾能力強，可靠性高，適合于長距離

傳輸。

電梯控制系統(tǒng)可分邏輯控制部分和調(diào)速部分。邏輯控制部分是由LB板完成的。LB邏輯微機負責處理來自外呼、轎相操作系統(tǒng)、廳門、轎門、門機系統(tǒng)、井道信息、旋轉(zhuǎn)編碼器的脈沖、調(diào)速器保護等信號的邏輯運算。當安全回路正常，門回路接通，MIB板得到方向運行指令，從而向速度控制器VFCU發(fā)出起、停信號，同時速度控制器也將本身的工作狀態(tài)反饋給LB形成雙向聯(lián)絡(luò)關(guān)系。系統(tǒng)還配置了與電動機同軸連接的旋轉(zhuǎn)編碼器及分頻器，完成速度檢測及反饋，形成速度閉環(huán)和位置閉環(huán)。旋轉(zhuǎn)編碼器與主電動機同軸連接，通過編碼器連接板對電動機測速和反饋電梯的位置。旋轉(zhuǎn)編碼器與電動機同軸連接，產(chǎn)生A、B兩相脈沖。當A相脈沖超前于B相脈沖90°時，認為電動機處于正轉(zhuǎn)狀態(tài)；當A相脈沖滯后于B相脈沖90°時，認為電動機處于反轉(zhuǎn)狀態(tài)。根據(jù)A、B相脈沖的相序，可判斷電動機的轉(zhuǎn)向。根據(jù)A、B脈沖的頻率（或周期）可測得電動機的轉(zhuǎn)速。若以A、B相脈沖的前沿或后沿產(chǎn)生計數(shù)脈沖，可以形成代表正向位移和反向位移的脈沖序列。旋轉(zhuǎn)編碼器將此脈沖輸出給CUB1計數(shù)板，計數(shù)板CUB1再將此反饋信號分別送給邏輯板LB和速度控制器VFCU，以便進行運算

控制。

3 編碼器脈沖（軟件）的設(shè)計與計算

來自主機馬達編碼器的脈沖的信號，可根據(jù)所需要的平層精度調(diào)節(jié)脈沖數(shù)據(jù)的分頻比。脈沖編碼器的輸出為A和A-、B和B-兩對差動信號，可用于位置和速度測量，A和A-、B和B-四個方波被引入CUB1和CUB2分頻板，經(jīng)辨向和乘以倍率后，變成代表位移的測量脈沖，將其傳送至邏輯板LB高速計數(shù)端進行位置計算。運行前通過編程方式將各信號，如換速點位置、平層點位置、制動停車點位置等所對應(yīng)的脈沖數(shù)，分別存入相應(yīng)的內(nèi)存單元，在電梯運行過程中，通過旋轉(zhuǎn)編碼器檢測、軟件實時計算以下信號：電梯所在層樓位置、換速點位置、平層點位置，從而進行樓層計數(shù)、發(fā)出換速信號和平層信號。電梯電機編碼器的脈沖數(shù)可以用下列公式計算：

P/P1=D/（λ×D1）

式中：

P——主機馬達旋轉(zhuǎn)編碼器每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)

P1——鋼帶輪每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)

D——曳引輪直徑

λ——減速器的減速比

D1——鋼帶輪直徑

電梯運行至首層平層位置然后設(shè)置為快車模式，自動進入自學習狀態(tài)，見圖2。自學習程序進入初始化狀態(tài)，邏輯板LB的高速計數(shù)器、寄存器、變址寄存器全部清零，電梯開始上行，進行數(shù)據(jù)采集，首先把層樓顯示數(shù)據(jù)寄存器置“1”，然后將換速距離數(shù)據(jù)寫入相應(yīng)的寄存器，電梯慢車從首層運行至頂層后，電梯打板撞到上限位開關(guān)后，數(shù)據(jù)采集結(jié)束，所有的層高數(shù)據(jù)、換速點數(shù)據(jù)、層樓顯示數(shù)據(jù)產(chǎn)生，自學習結(jié)束。

4 硬件處理

機房：保留原有控制柜系統(tǒng)：CUB1、CUB2、LB、IIB、MIB、SGB及接觸器和繼電器，在曳引主機馬達高速軸上加裝增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，井道拆除鋼帶、鋼帶張緊輪及鋼帶斷帶開關(guān)，保留井道層樓感應(yīng)器及層樓隔磁板；轎頂平層感應(yīng)器改為紅外線光電感應(yīng)器，上平層、下平層感應(yīng)器拆除；門機系統(tǒng)：線路保持不變，轎內(nèi)線路保持不變；底坑：線路保持不變。

施工過程如圖2所示：

圖2

5 改造后的效果

該電梯改造后電梯選層控制方式已經(jīng)升級為主機旋轉(zhuǎn)編碼器脈沖測距代替原有井道鋼帶選層器檢測層高位置，采用井道層樓感應(yīng)器校正樓層數(shù)據(jù)，通過長時間的運行觀察，以前經(jīng)常出現(xiàn)的故障幾乎再也沒有出現(xiàn)，提高了電梯的平層準確性和運行的舒適感，還大大提高了電梯的安全性。旋轉(zhuǎn)編碼器常應(yīng)用于機床和計算儀器，近年來更取得長足的發(fā)展，在精密定位、速度、長度、振動等方面得到廣泛的應(yīng)用。通過這次在電梯控制中的應(yīng)用，該裝置可靠性高、操作方便、計量精準，使電梯的故障率明顯降低了，降低了維修保養(yǎng)成本，得到領(lǐng)導和同事們的一致好評，此改進方法在電梯改造方面具有廣泛的推廣價值。

6 結(jié)語

謹此真誠地感謝我單位領(lǐng)導和同事的大力支持和鼓勵，使我有幸在這次改造過程中全程參與和跟蹤，有了此次難得的實踐機會。通過本次實踐，我的知識得到了進一步擴展，專業(yè)技能得到進一步提高，同時增強了分析和解決工程實際的綜合能力；另外，也培養(yǎng)了自己的組織、協(xié)調(diào)、溝通能力。

參考文獻

[1] OTIS-TOEC60調(diào)試手冊.

[2] 電梯與自動扶梯原理、安裝、測試.