北石頂驅(qū)編碼器技術(shù)分析與應(yīng)用

劉建

（中國石油川慶鉆探川東鉆探公司機械廠，重慶 400021）

北石頂驅(qū)編碼器技術(shù)分析與應(yīng)用

劉建

（中國石油川慶鉆探川東鉆探公司機械廠，重慶 400021）

北石DQ70BSC頂驅(qū)上采用了增量式光電編碼器檢測電機轉(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，便于現(xiàn)場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 編碼器簡介

編碼器（Encoder）是傳感器(Sensor)的一種，主要用來檢測機械運動的速度、位置、角度、距離或計數(shù)，除了應(yīng)用在機械外，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)點是：原理構(gòu)造簡單、易于實現(xiàn)；機械平均壽命長，可達(dá)到幾萬小時以上；分辨率高；抗干擾能力較強，信號傳輸距離較長，可靠性較高。其缺點是它無法直接讀出轉(zhuǎn)動軸的絕對位置信息（圖1）。

圖1 增量式光電編碼器輸出信號波形

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器件獲取的信號電平較低，波形也不規(guī)則，還不能適應(yīng)于控制、信號處理和遠(yuǎn)距離傳輸?shù)囊?。所以，在編碼器內(nèi)還必須將此信號放大、整形。經(jīng)過處理的輸出信號一般近似于正弦波或矩形波。由于矩形波輸出信號容易進行數(shù)字處理，所以這種輸出信號在定位控制中得到廣泛的應(yīng)用。采用正弦波輸出信號時基本消除了定位停止時的振蕩現(xiàn)象，并且容易通過電子內(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輸出形式有：集電極開路輸出（Open Collector）、電壓輸出（Voltage Output）、互補型輸出（Complemental Output）、推挽式輸出（Totem Pole）、線驅(qū)動輸出（Line Driver）。各種輸出方式示意圖見表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，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150m時，噪聲的影響就不容忽視。北石頂驅(qū)電機上安裝的第一代編碼器是德國霍普納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個方波脈沖信號，帶對稱負(fù)信號輸出，雙通道，相差90度,最大輸出信號頻率100kHz，輸出形式為差動線驅(qū)動，HTL電平，防護等級IP66，電源電壓12～30Vdc。實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個脈沖，HTL電平帶對稱負(fù)信號輸出，相差90度，電壓電壓9～30Vdc；防護等級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表2。

表2 北石新舊編碼器接線顏色表

3 DTI數(shù)字測速機接口板

6SE70變頻器只能接收單端輸入的相差90度HTL信號，需要一塊電路板進行信號的轉(zhuǎn)換。這塊電路板就是DTI板（數(shù)字測速機接口板）。具有差動電平電壓輸出的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)過光電隔離。X401端子排輸入RS-422差動TTL(晶體管-晶體管邏輯，5Vdc)信號；X402端子排輸入差動HTL（高電平晶體管邏輯，11～30Vdc）信號；X405端子排輸出差動TTL信號；X403端子排輸出單端HTL信號。需要注意，輸入端子排X401和X402只能使用1個。也就是說，DTI板只能輸入1臺數(shù)字編碼器的信號，要么是TTL，要么是HTL，二者不能同時輸入。X401輸入TTL信號，對應(yīng)X405輸出TTL信號；X402輸入HTL信號，對應(yīng)X403輸出HTL信號；北石頂驅(qū)采用后者接法。輸入與輸出端子說明見表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DQ70BSC，本體上有兩臺交流變頻電機，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，然后分別接入兩臺變頻器的DTI板X402端子排，經(jīng)過DTI進行電平轉(zhuǎn)換后從X403端子排處輸出單端HTL信號，進入CUVC的X103端子排。6SE70編碼器接線端子表見表4。

表4 6SE70變頻器編碼器接線表

5 編碼器使用注意事項

（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，導(dǎo)致接收端收到的編碼器信號受到嚴(yán)重干擾，影響信號的識別。

（2）正確選型。要正確選擇編碼器的類型（增量式、絕對值式）、電源電壓等級、輸出信號形式、每轉(zhuǎn)輸出脈沖數(shù)等，長距離時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，必須使用DTI接口板進行信號電平轉(zhuǎn)換。

（4）編碼器安裝要牢固，轉(zhuǎn)動要平穩(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°，避免振動過大，造成編碼器機械損壞。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，會造成電機時快時慢。

6 結(jié)語

了解編碼器的結(jié)構(gòu)、工作原理，以及使用注意事項，對于正確安裝和使用編碼器具有非常重要的意義。通過本文的介紹，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，也不會因電磁干擾而無法正常工作，從而降低頂驅(qū)編碼器的故障率。

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

[2]文曉燕等.[J]電工技術(shù)學(xué)報，2012.

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1671-0711（2017）03（上）-0135-02