北石顶驱编码器技术分析与应用

刘建

（中国石油川庆钻探川东钻探公司机械厂，重庆 400021）

北石顶驱编码器技术分析与应用

刘建

（中国石油川庆钻探川东钻探公司机械厂，重庆 400021）

北石DQ70BSC顶驱上采用了增量式光电编码器检测电机转速，受工作环境和电磁干扰的影响，编码器容易损坏或者不能正常工作。本文介绍了顶驱的编码器工作原理、接线方法和使用注意事项，便于现场人员正确安装和使用顶驱编码器。

北石顶驱；6SE70西门子变频器；增量式光电编码器；DTI

1 编码器简介

编码器（Encoder）是传感器(Sensor)的一种，主要用来检测机械运动的速度、位置、角度、距离或计数，除了应用在机械外，许多的马达控制如伺服马达均需配备编码器以供马达控制器作为换相、速度及位置的检出。

1.1 增量式光电编码器

增量式光电编码器的优点是：原理构造简单、易于实现；机械平均寿命长，可达到几万小时以上；分辨率高；抗干扰能力较强，信号传输距离较长，可靠性较高。其缺点是它无法直接读出转动轴的绝对位置信息（图1）。

图1 增量式光电编码器输出信号波形

1.2 编码器的输出方式

在大多数情况下，直接从编码器的光电检测器件获取的信号电平较低，波形也不规则，还不能适应于控制、信号处理和远距离传输的要求。所以，在编码器内还必须将此信号放大、整形。经过处理的输出信号一般近似于正弦波或矩形波。由于矩形波输出信号容易进行数字处理，所以这种输出信号在定位控制中得到广泛的应用。采用正弦波输出信号时基本消除了定位停止时的振荡现象，并且容易通过电子内插方法，以较低的成本得到较高的分辨率。增量式光电编码器的信号输出形式有：集电极开路输出（Open Collector）、电压输出（Voltage Output）、互补型输出（Complemental Output）、推挽式输出（Totem Pole）、线驱动输出（Line Driver）。各种输出方式示意图见表1。

表1

2 6SE70变频器中应用的编码器

北石顶驱变频驱动装置使用的是西门子公司生产的6SE70型变频器。变频器CUVC控制板X103接口只能接收单端输入的相差为90度的HTL编码器信号，电源电压为11～30Vdc,编码最大频率不大于400kHz。当编码器与变频器距离超过150m时，噪声的影响就不容忽视。北石顶驱电机上安装的第一代编码器是德国霍普纳HUBNER GIESSEN公司生产的FGHJ4K-1024G-90G/20P型光电增量编码器。该编码器为空心轴型，采用绝缘轴承，每转输出1024个方波脉冲信号，带对称负信号输出，双通道，相差90度,最大输出信号频率100kHz，输出形式为差动线驱动，HTL电平，防护等级IP66，电源电压12～30Vdc。实际使用的电源电压是15Vdc。北石顶驱使用的第二代编码器是Baumer HUBNER公司生产的HOG 165 C DN 1024I型光电增量编码器。技术参数基本相同，每转1024个脉冲，HTL电平带对称负信号输出，相差90度，电压电压9～30Vdc；防护等级IP67，高于第一代。北石第一代与第二代编码器端子排接线颜色见表2。

表2 北石新旧编码器接线颜色表

3 DTI数字测速机接口板

6SE70变频器只能接收单端输入的相差90度HTL信号，需要一块电路板进行信号的转换。这块电路板就是DTI板（数字测速机接口板）。具有差动电平电压输出的TTL或HTL的编码器均可以接至DTI板，DTI板的输入与输出之间经过光电隔离。X401端子排输入RS-422差动TTL(晶体管-晶体管逻辑，5Vdc)信号；X402端子排输入差动HTL（高电平晶体管逻辑，11～30Vdc）信号；X405端子排输出差动TTL信号；X403端子排输出单端HTL信号。需要注意，输入端子排X401和X402只能使用1个。也就是说，DTI板只能输入1台数字编码器的信号，要么是TTL，要么是HTL，二者不能同时输入。X401输入TTL信号，对应X405输出TTL信号；X402输入HTL信号，对应X403输出HTL信号；北石顶驱采用后者接法。输入与输出端子说明见表3。

表3 DTI板输入输出端子

4 编码器与变频器之间的接线

以05018顶驱为例，顶驱型号DQ70BSC，本体上有两台交流变频电机，编码器接线盒处采用E116型接线，分别接线接至PLC柜端子排X101、X102，然后分别接入两台变频器的DTI板X402端子排，经过DTI进行电平转换后从X403端子排处输出单端HTL信号，进入CUVC的X103端子排。6SE70编码器接线端子表见表4。

表4 6SE70变频器编码器接线表

5 编码器使用注意事项

（1）使用的屏蔽电缆不合适或者屏蔽接地不正确，就有可能引入电磁干扰信号，导致接收端收到的编码器信号受到严重干扰，影响信号的识别。

（2）正确选型。要正确选择编码器的类型（增量式、绝对值式）、电源电压等级、输出信号形式、每转输出脉冲数等，长距离时要考虑到抗电磁干扰的要求。

（3）编码器输出电压电平与变频器不匹配时，必须使用DTI接口板进行信号电平转换。

（4）编码器安装要牢固，转动要平稳。

（5）应保证编码器轴与用户输出轴的不同轴度＜0.20mm，与轴线的偏角＜1.5°，避免振动过大，造成编码器机械损坏。特别要注意平键一定要装上，否则输出波形和正常波形偏差很大，会造成电机时快时慢。

6 结语

了解编码器的结构、工作原理，以及使用注意事项，对于正确安装和使用编码器具有非常重要的意义。通过本文的介绍，希望大家能够正确地安装和使用北石顶驱编码器，尤其是接线一定要正确，屏蔽要可靠，才能让编码器既不因人为因素造成损坏，也不会因电磁干扰而无法正常工作，从而降低顶驱编码器的故障率。

[1]出厂编号：13461.2013年7月.北京石油机械厂.顶部驱动钻井装置操作手册.

[2]文晓燕等.[J]电工技术学报，2012.

TN762

A

1671-0711（2017）03（上）-0135-02