編碼器在門座式起重機中的應用與維修

李 濱

（日照港股份有限公司第三港務公司，山東日照 276800）

0 引言

某公司現有41 臺門機，門機的起升機構為了實現閉環矢量控制，都采用了光電式增量編碼器用來檢測電機運行的速度和角度。但是由于不同門機編碼器品牌不同，變頻器不同，這就使同樣一個故障在不同門機產生的故障現象不完全一樣，給維修造成了很大困難。

1 編碼器在門機中的應用和類型

1.1 編碼器在門機的應用情況

過去在機械設備運行精度要求不高的情況下，電控系統多采用開環控制，運行指令發出后，運行結果無法反饋和比對。隨著工業控制對精度要求的不斷提高，閉環控制成為了必須。將機械設備的運行結果反饋給控制系統的解決方法就是編碼器。

編碼器是一種把機械設備的直線位移或者旋轉角度轉化為電信號的傳感器。按照檢測方式的不同可以分為直線式和旋轉式，其中旋轉式按照信號原理不同可分為增量式編碼器和絕對式編碼器。增量式編碼器是將位移轉換成周期性的電信號，再把這個電信號轉變成計數脈沖，用脈沖的個數表示位移的大小。絕對式編碼器的每一個位置對應一個確定的數字碼。

為了防止制動器打開時溜鉤和制動器閉合時的振動和磨損，同時也為了實現抓斗工況的深挖和追繩，更好的協調開閉機構和支持機構的運行，門機的起升機構電控系統采用力矩控制和零速抱閘控制方式，這就要求變頻器采用閉環矢量控制模式（也稱帶PG 矢量控制、DTC 控制），這就必須配置編碼器。采用編碼器以后，大大提高了門機電控系統的控制精度和啟動轉矩，但也給調試和維修人員造成了一些困難。

1.2 門機編碼器的類型

某公司現有41 臺門機，都采用了帶有編碼器的閉環矢量控制方式。但由于門機到港時間不同、生產廠家不同，配置的編碼器有3 個品牌4 種類型，即：渡邊：HLE45-600-6LY.AC；HLE45-1024-6LY.AC；宜科：EC100P45-H4PR-1024；梅爾：INB512C597R-1024。

1.3 不同編碼器使用情況

1.3.1 渡邊編碼器

渡邊編碼器主要應用在南京港機廠門機上（圖1），屬于全空軸套型編碼器，有600、1024 兩種分辨率，（分辨率是指編碼器每旋轉360°提供多少的通或暗刻線，也稱解析分度或直接稱多少線），編碼器一般每轉分度為5～10 000 線，以渡邊編碼器為例常見的分辨率有90 線、300線、512 線、600 線、1000 線、1024 線、2048 線。早期門機使用型號為600 線，后期型號為1024線。該品牌編碼器的碼盤為玻璃材質，安裝和使用中要特別注意不能磕碰和跌落，否則碼盤一旦碎裂，編碼器就會報故障。

圖1 渡邊編碼器

1.3.2 宜科編碼器

宜科編碼器主要應用在上海港機廠的門機上（圖2），屬于全空軸套型編碼器，安裝尺寸與渡邊編碼器相同，碼盤為塑料材質，抗震性能稍好，內孔為45 mm，軸向安裝長度60 mm，可以與渡邊編碼器互換。

圖2 宜科編碼器

1.3.3 梅爾編碼器

梅爾編碼器應用在公司早期的上海港機廠門機上（圖3），該編碼器內部集成了超速開關和編碼器，碼盤材質為塑料材質，屬于夾緊法蘭式軸型編碼器。該編碼器運行比較穩定，但由于價格昂貴，已通過加工新式聯軸節先后改造為了渡邊編碼器（圖4、圖5）。

圖3 梅爾編碼器

圖4 改造前（梅爾編碼器）

圖5 改造后（渡邊編碼器）

2 編碼器結構原理

2.1 編碼器功能和原理

門機上采用的編碼器一般為旋轉式增量型光電編碼器，編碼器內部有一個與中心同軸的光電碼盤，一般為玻璃或塑料材質，碼盤上有環形通、暗的刻線，碼盤兩側有光電發射和接收器件（圖6）。在編碼器旋轉時，將旋轉信號轉化為正弦波（電流或電壓），方波（TTL、HTL），集電極開路（PNP、NPN），推拉式多種形式。其中TTL 方波為長線差分驅動（對稱A、A-；B、B-；Z、Z-），HTL 也稱推拉式、推挽式輸出，編碼器的信號接收設備接口（PG 接口板）應與編碼器對應。門機上使用的為TTL 差分驅動方式。

圖6 編碼器原理

2.2 編碼器信號和相位

增量式編碼器的2 個輸出通道，一般標記有A 和B，其信號相位差為90 度電角度。當它順時針方向轉動時，大多會產生如圖7 所示的信號，通道A 超前通道B。當傳動正方向運轉時，信號相位超前的輸出通道應接輸入端A，另一個通道連接于輸入端B。零點參考輸出通道（一般標記為Z）只有在位置控制時才需要連接。

圖7 增量型編碼器波形

2.3 編碼器接線與注意事項

通常編碼器會有電源、信號、屏蔽3 類8 根線路（圖8）：①工作電源：+15 V（Vcc）；GND（0 V）；②信號端子：A+、A-、B+、B-、Z+、Z-；③屏蔽：PE。

圖8 編碼器與變頻器PG 卡接線

接線注意事項：

（1）PG 卡信號線要與動力線分開布置，禁止平行走線。

（2）為避免編碼器信號受到干擾，請選用屏蔽電纜為PG 卡信號線。

（3）編碼器屏蔽電纜的屏蔽層應該接地。

3 變頻器的參數與設置

不同品牌變頻器的編碼器參數設置都不一樣，港迪變頻器需要設置P20 組參數，安川變頻器需要設置F 組參數，ABB 變頻器需要設置50 組參數，但是參數內容區別不大。以13 號門機起升機構ABB ACS800 變頻器為例（表1）：

表1 ACS800 變頻器參數

50：只有當安裝了一個脈沖編碼器模塊（可選），并且激活了參數98.01 的設置時，該參數組才可見。即使應用宏程序發生改變時，其設置值仍保持不變。

50.01：編碼器每旋轉360°的脈沖數為1024。

50.02：速度檢測模式為AB 向，定義了編碼器脈沖的計算方法。

50.03：編碼器故障報警輸出邏輯為故障，定義了在脈沖編碼器和脈沖編碼器接口模塊之間或脈沖編碼器模塊和ACS 800 之間定義當檢測到通信故障時ACS 800 的動作。編碼器監控功能在下列條件下起作用：

（1）給定速度和編碼器測得的實際速度差值超過電機額定轉速的20%。

（2）在定義的時間（參見參數50.04）之內，沒有收到編碼器發出的任何脈沖信號，且電機轉矩低于允許最大值。

50.04：編碼器故障延時為1000 ms，定義編碼器監控功能的延時時間。

50.05：速度反饋功能為使用，編碼器使能。

4 編碼器常見的故障與處理方法

編碼器一旦發生故障，變頻器一般能第一時間檢測到并給出故障代碼。根據故障代碼查找變頻器手冊可以找到相應的應對措施并進行維修。對于平移機構的編碼器可改為開環排除故障或者暫用，也可以通過修改變頻器參數設置選擇編碼器故障后的應對方式，如“故障”、“報警”、“忽略”等方式。但在閉環矢量控制模式下，必須保證編碼器正常工作。以ABB 變頻器為例，在編碼器出現故障后通常會報出“ENCODER ERR”“ENCODER FLT”故障，查詢手冊（表2）可以得到：

表2 ABB 變頻器手冊

變頻器手冊通常會對故障代碼的含義、產生原因、排除方法3 個方面給出解釋說明，為實際維修指明了方向。常見編碼器的故障類型有4 類。

4.1 編碼器本身故障

編碼器本身故障是指編碼器本身元器件出現故障，導致其不能產生和輸出正確的波形。這種情況下需更換編碼器或維修其內部器件。對于編碼器的輸出波形可以通過示波器檢測（圖9）。

圖9 編碼器波形

通過波形圖可以看出A 相超前B 相90°，隨著旋轉速度加快方波的脈沖周期明顯減少。對于安川、港迪變頻器在編碼器運行時才會報出編碼器相關故障，但AB、ABB 變頻器在上電時就會對變頻器進行檢測，如果編碼器的狀態不對，直接會報故障。

4.2 編碼器連接電纜故障

在實際維修中這種故障出現的概率很高，尤其是編碼器安裝在電機風機側，振動比較大。一旦編碼器出現電纜斷路、短路或虛接，就會導致信號丟失，這時需要檢查并更換電纜或接頭。對于編碼器內部的斷路，可以重新焊接修復。

4.3 編碼器固定不良

編碼器固定不良有2 種情形：①編碼器整體與電機連接的彈簧片斷裂或者松動；②編碼器中心“軸套”與電機之間產生滑動，影響控制精度。2 種情況都會造成運行中編碼器反饋的數據與計算所得數據偏差過大。以安川變頻器為例，會報出“DEV”故障，即速度偏差過大。這個故障一般在電機啟動和停止瞬間出現的比較多。

4.4 編碼器屏蔽不良

編碼器要求傳輸電纜必須接地并做好屏蔽，否則會引入干擾信號，使波形不穩定，影響測量值的準確性。