李 滨

（日照港股份有限公司第三港务公司，山东日照 276800）

0 引言

某公司现有41 台门机，门机的起升机构为了实现闭环矢量控制，都采用了光电式增量编码器用来检测电机运行的速度和角度。但是由于不同门机编码器品牌不同，变频器不同，这就使同样一个故障在不同门机产生的故障现象不完全一样，给维修造成了很大困难。

1 编码器在门机中的应用和类型

1.1 编码器在门机的应用情况

过去在机械设备运行精度要求不高的情况下，电控系统多采用开环控制，运行指令发出后，运行结果无法反馈和比对。随着工业控制对精度要求的不断提高，闭环控制成为了必须。将机械设备的运行结果反馈给控制系统的解决方法就是编码器。

编码器是一种把机械设备的直线位移或者旋转角度转化为电信号的传感器。按照检测方式的不同可以分为直线式和旋转式，其中旋转式按照信号原理不同可分为增量式编码器和绝对式编码器。增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码。

为了防止制动器打开时溜钩和制动器闭合时的振动和磨损，同时也为了实现抓斗工况的深挖和追绳，更好的协调开闭机构和支持机构的运行，门机的起升机构电控系统采用力矩控制和零速抱闸控制方式，这就要求变频器采用闭环矢量控制模式（也称带PG 矢量控制、DTC 控制），这就必须配置编码器。采用编码器以后，大大提高了门机电控系统的控制精度和启动转矩，但也给调试和维修人员造成了一些困难。

1.2 门机编码器的类型

某公司现有41 台门机，都采用了带有编码器的闭环矢量控制方式。但由于门机到港时间不同、生产厂家不同，配置的编码器有3 个品牌4 种类型，即：渡边：HLE45-600-6LY.AC；HLE45-1024-6LY.AC；宜科：EC100P45-H4PR-1024；梅尔：INB512C597R-1024。

1.3 不同编码器使用情况

1.3.1 渡边编码器

渡边编码器主要应用在南京港机厂门机上（图1），属于全空轴套型编码器，有600、1024 两种分辨率，（分辨率是指编码器每旋转360°提供多少的通或暗刻线，也称解析分度或直接称多少线），编码器一般每转分度为5～10 000 线，以渡边编码器为例常见的分辨率有90 线、300线、512 线、600 线、1000 线、1024 线、2048 线。早期门机使用型号为600 线，后期型号为1024线。该品牌编码器的码盘为玻璃材质，安装和使用中要特别注意不能磕碰和跌落，否则码盘一旦碎裂，编码器就会报故障。

图1 渡边编码器

1.3.2 宜科编码器

宜科编码器主要应用在上海港机厂的门机上（图2），属于全空轴套型编码器，安装尺寸与渡边编码器相同，码盘为塑料材质，抗震性能稍好，内孔为45 mm，轴向安装长度60 mm，可以与渡边编码器互换。

图2 宜科编码器

1.3.3 梅尔编码器

梅尔编码器应用在公司早期的上海港机厂门机上（图3），该编码器内部集成了超速开关和编码器，码盘材质为塑料材质，属于夹紧法兰式轴型编码器。该编码器运行比较稳定，但由于价格昂贵，已通过加工新式联轴节先后改造为了渡边编码器（图4、图5）。

图3 梅尔编码器

图4 改造前（梅尔编码器）

图5 改造后（渡边编码器）

2 编码器结构原理

2.1 编码器功能和原理

门机上采用的编码器一般为旋转式增量型光电编码器，编码器内部有一个与中心同轴的光电码盘，一般为玻璃或塑料材质，码盘上有环形通、暗的刻线，码盘两侧有光电发射和接收器件（图6）。在编码器旋转时，将旋转信号转化为正弦波（电流或电压），方波（TTL、HTL），集电极开路（PNP、NPN），推拉式多种形式。其中TTL 方波为长线差分驱动（对称A、A-；B、B-；Z、Z-），HTL 也称推拉式、推挽式输出，编码器的信号接收设备接口（PG 接口板）应与编码器对应。门机上使用的为TTL 差分驱动方式。

图6 编码器原理

2.2 编码器信号和相位

增量式编码器的2 个输出通道，一般标记有A 和B，其信号相位差为90 度电角度。当它顺时针方向转动时，大多会产生如图7 所示的信号，通道A 超前通道B。当传动正方向运转时，信号相位超前的输出通道应接输入端A，另一个通道连接于输入端B。零点参考输出通道（一般标记为Z）只有在位置控制时才需要连接。

图7 增量型编码器波形

2.3 编码器接线与注意事项

通常编码器会有电源、信号、屏蔽3 类8 根线路（图8）：①工作电源：+15 V（Vcc）；GND（0 V）；②信号端子：A+、A-、B+、B-、Z+、Z-；③屏蔽：PE。

图8 编码器与变频器PG 卡接线

接线注意事项：

（1）PG 卡信号线要与动力线分开布置，禁止平行走线。

（2）为避免编码器信号受到干扰，请选用屏蔽电缆为PG 卡信号线。

（3）编码器屏蔽电缆的屏蔽层应该接地。

3 变频器的参数与设置

不同品牌变频器的编码器参数设置都不一样，港迪变频器需要设置P20 组参数，安川变频器需要设置F 组参数，ABB 变频器需要设置50 组参数，但是参数内容区别不大。以13 号门机起升机构ABB ACS800 变频器为例（表1）：

表1 ACS800 变频器参数

50：只有当安装了一个脉冲编码器模块（可选），并且激活了参数98.01 的设置时，该参数组才可见。即使应用宏程序发生改变时，其设置值仍保持不变。

50.01：编码器每旋转360°的脉冲数为1024。

50.02：速度检测模式为AB 向，定义了编码器脉冲的计算方法。

50.03：编码器故障报警输出逻辑为故障，定义了在脉冲编码器和脉冲编码器接口模块之间或脉冲编码器模块和ACS 800 之间定义当检测到通信故障时ACS 800 的动作。编码器监控功能在下列条件下起作用：

（1）给定速度和编码器测得的实际速度差值超过电机额定转速的20%。

（2）在定义的时间（参见参数50.04）之内，没有收到编码器发出的任何脉冲信号，且电机转矩低于允许最大值。

50.04：编码器故障延时为1000 ms，定义编码器监控功能的延时时间。

50.05：速度反馈功能为使用，编码器使能。

4 编码器常见的故障与处理方法

编码器一旦发生故障，变频器一般能第一时间检测到并给出故障代码。根据故障代码查找变频器手册可以找到相应的应对措施并进行维修。对于平移机构的编码器可改为开环排除故障或者暂用，也可以通过修改变频器参数设置选择编码器故障后的应对方式，如“故障”、“报警”、“忽略”等方式。但在闭环矢量控制模式下，必须保证编码器正常工作。以ABB 变频器为例，在编码器出现故障后通常会报出“ENCODER ERR”“ENCODER FLT”故障，查询手册（表2）可以得到：

表2 ABB 变频器手册

变频器手册通常会对故障代码的含义、产生原因、排除方法3 个方面给出解释说明，为实际维修指明了方向。常见编码器的故障类型有4 类。

4.1 编码器本身故障

编码器本身故障是指编码器本身元器件出现故障，导致其不能产生和输出正确的波形。这种情况下需更换编码器或维修其内部器件。对于编码器的输出波形可以通过示波器检测（图9）。

图9 编码器波形

通过波形图可以看出A 相超前B 相90°，随着旋转速度加快方波的脉冲周期明显减少。对于安川、港迪变频器在编码器运行时才会报出编码器相关故障，但AB、ABB 变频器在上电时就会对变频器进行检测，如果编码器的状态不对，直接会报故障。

4.2 编码器连接电缆故障

在实际维修中这种故障出现的概率很高，尤其是编码器安装在电机风机侧，振动比较大。一旦编码器出现电缆断路、短路或虚接，就会导致信号丢失，这时需要检查并更换电缆或接头。对于编码器内部的断路，可以重新焊接修复。

4.3 编码器固定不良

编码器固定不良有2 种情形：①编码器整体与电机连接的弹簧片断裂或者松动；②编码器中心“轴套”与电机之间产生滑动，影响控制精度。2 种情况都会造成运行中编码器反馈的数据与计算所得数据偏差过大。以安川变频器为例，会报出“DEV”故障，即速度偏差过大。这个故障一般在电机启动和停止瞬间出现的比较多。

4.4 编码器屏蔽不良

编码器要求传输电缆必须接地并做好屏蔽，否则会引入干扰信号，使波形不稳定，影响测量值的准确性。