一種快速有效檢測編碼器的方法

涂志剛

摘 要：頂部驅動鉆井裝置是當今鉆井裝備中技術含量較高、結構復雜的機電液一體化的設備，已成為現代鉆機的重要配置，是21世紀鉆井三大技術裝備之一。頂驅電機驅動系統中采用編碼器作為閉環控制中的速度反饋源。本文以北石頂驅使用的Hubner HOG165光電編碼器為例，介紹一種快速有效檢測編碼器的方法。

關鍵詞：頂驅 編碼器 S120

編碼器作為高精度的數字測速機，在石油化工、冶金、交通運輸，醫藥等行業有著廣泛的用途。作為21世紀鉆井三大技術裝備之一的頂驅裝置，其電機驅動系統一般采用交流變頻技術，編碼器作為閉環控制中的速度反饋源，其工作狀態的好壞直接決定著頂驅是否能平穩運轉，是整個控制系統中不可或缺的一環。

一、編碼器原理

目前檢測編碼器的手段主要是采用萬用表測量輸出電壓和示波器檢測輸出波形相結合的方式，這種方法可以較好的檢測出靜態或極低速運轉狀態下編碼器的輸出波形，但測量單個編碼器所需的時間相對較長，而在測量高速運轉狀態下的編碼器輸出波形，或測量波形中的丟碼、尖峰等失真信號時，則顯得無能為力，另一方面，上述檢測手段也不能檢測出編碼器與編碼器接口模塊是否匹配，只有在頂驅整機裝配完成，臺架實驗的時候才能驗證編碼器與其接口模塊是否匹配，一旦無法匹配，則只能更換編碼器或接口模塊，耽誤生產進度。因此，在編碼器大規模應用于頂驅裝置的現實需求下，迫切需要找到一種快速，有效的編碼器檢測方法。本文以北石頂驅使用的Hubner HOG165增量式光電編碼器為例，提出一種基于Siemens S120系統的編碼器檢測方法。

Siemens S120系統采用Starter軟件調試，該軟件圖形化程度高，人機界面友好。其中集成的Trace功能可以提供類似示波器的作用，借助CU320控制單元的強大數據處理能力，其基本采樣周期可以短至2ms，下面就具體的軟硬件配置分別介紹。

二、編碼器軟硬件配置

硬件部分利用實驗室現有設備，用一套小功率S120交流變頻系統，一臺帶編碼器連接軸和反扭矩支架的小功率電機，模擬一臺I型頂驅，除輸出功率遠小于頂驅系統外，CU320控制單元、編碼器接口模塊和網絡拓撲結構都盡可能與I型頂驅保持一致，保證檢測結果的準確性和實際性。

軟件部分為盡量避免數據傳輸、轉換過程中的設定值偏差，通過Starter軟件集成的Control Panel功能，直接將速度設定值傳送到驅動裝置內部，再通過Trace功能實時將編碼器接口模塊采集到的編碼器信號顯示在計算機屏幕上，直觀的看到編碼器檢測結果。通過改變速度設定值，可以非常方便的測試不同轉速下的編碼器反饋信號，轉速范圍可以在0-2300rpm之間任意設定，調速精度可以達到1rpm。

通過Trace功能，可以直接看到接口模塊檢測到的編碼器反饋信號。

為了降低使用難度，也可以采用WinCC等較為友好的人機界面，測試時啟動WinCC即可以直觀方便的輸入速度設定值。

三、編碼器檢測方法的優點

與傳統檢測方法相比，本文提出的檢測方法具有以下優點：

1.操作簡單，具有計算機基礎知識者稍加培訓即可操作；

2.充分利用現有設備，不需額外增加資金投入；

3.靜態、低速，高速等各種工況均可以模擬，模擬精度高，檢測范圍全面，且可以同時檢測編碼器和編碼器接口模塊；

4.檢測速度快，因編碼器和接口模塊均采用快速插接端子連接信號線，拆裝只需5分鐘，不需要特殊工裝，尤其適合檢測大批量的編碼器和接口模塊。