电梯旋转编码器性能自动检测系统的设计

电梯旋转编码器性能自动检测系统的设计

潘建民

浙江省特种设备科学研究院 浙江杭州 310012

摘要：电梯旋转编码器是电梯速度控制、平层的一个非常关键的部件，对电梯的运行起着非常重要的作用。旋转编码器试验是整个电梯控制柜安全检验系统的一个重要环节，是电梯控制系统正常运行而不发生安全事故的保障。目前，国内大多旋转编码器的单项检测设备只限用于产品开发和产品检验，因此，设计一套高度自动化、性能可靠的电梯旋转编码器性能综合检测系统是十分必要的。

关键词：电梯；旋转编码器；性能；自动检测系统；设计

中图分类号：TP274 文献标识码：A

1电梯旋转编码器概述

旋转编码器是一套产生脉冲的装置，是一种简单的数字式传感器，旋转编码器是由光栅盘(又叫分度码盘)和光电检测装置(又叫接收器)组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光栅盘与电机同轴，电机旋转，光栅盘随之同速旋转，发光二极管垂直照射光栅盘，把光栅盘图像投射到由光敏元件构成的光电检测装置(接收器)上，光栅盘转动所产生的光变化对应相应的线速度、角速度、线位移、角位移转换成相应的脉冲信号输出。

编码器码盘的材料可以是玻璃、金属、塑料等。玻璃码盘是在玻璃上沉积出很薄的刻线，其热稳定性好，精度高、可靠性强。金属码盘直接以通与不通刻线，不易碎，但由于金属有一定的厚度，精度就会受到限制，其热稳定性也比玻璃材料相差一个数量级。塑料码盘虽然成本低廉，但精度、热稳定性、寿命等均要有一些差别。

根据产生信号原理，编码器可分为绝对式编码器和增量式编码器。绝对式编码器可记录一个绝对坐标系上的位置，而增量式编码器可以从预定义的起始位置输出发生的增量变化。绝对式编码器可产生能够识别绝对位置的数字信号，而增量式编码器需要使用附加的电子设备进行脉冲计数，并将脉冲数据转换为速度等运动数据^[1]。

输出信号形式可分为单端输出和双端输出两种，单端输出是指转轴旋转时，有相应的一组脉冲输出，其计数起点（Z相）任意设定，可实现多圈无限累加和测量；双端输出的旋转编码器则输出两组相位相差90°的脉冲（A、B两相），通过这两组脉冲不仅可以测量转速，还可以判定旋转方向。输出方式常见的输出方式有集电极开路输出、长线驱动输出和推拉输出等。分辨率是旋转编码器的主要参数。分辨率即每转脉冲数是由编码器的光栅线数决定的，线数越多，分辨率越高。此外，旋转编码器的参数还包括电源电压、最高响应频率和容许最高转速等。

2自动检测系统工作原理

检测人员通过工控机的人机界面设置检测指令，如检测项目（电源环境试验、动态精度试验、变频器和接触器干扰试验、可靠性试验），检测参数（产品信息、检测时间、旋转圈数以及精度要求）以及运动参数（运动方向、运动速度、运行模式）等，PLC运动控制系统接收工控机发送过来的运动指令，控制电机的旋转，从而带动被检编码器和高精度编码器旋转，工控机实时记录编码器动态输出信号，自动计算编码器输出信号与其标称值之差^[2]。当旋转完预定圈数，工控机对采样数据进行误差分析，然后记录显示该检测位置的误差数据，接着进行下一个检测项目，如此反复直到把预先设置的所有检测项目都检测完。检测完成后工控机输出检测结果，输出结果自动保存并打印，将检测记录（包括被检编码器信息、累计运行时间、误差数据、输出信号有无错误等数据）保存为电子文档。

3电梯旋转编码器性能自动检测系统设计

3.1硬件设计

由于检测装置需要测试增量型、正余弦型、绝对值型，不同输出方式的编码器，包括集电极开路输出、电压输出、推拉输出、长线驱动等多种输出信号。针对不同类型编码器分别采用输出信号整形隔离、高速计数器计数和变频器PG卡分频方法进行测试。考虑到数据采集时要求实现编码器的自动同步，系统的执行电机采用伺服电机，以获得较高的静态定位精度。位置和速度的反馈信号均来自高精度基准编码器。

系统主要由工控机、A－B公司PLC、计数卡、示波卡、信号转换器、变频器、伺服电机、可编程测试电源等构成。

利用运功控制和高精确度编码器为基准的比较测量方法，由安装有20位编码器的伺服电机带动被测编码器同轴旋转，20位编码器的分辨率高达1048576，用其对14位以下的编码器进行校准测量，可达较高的精确度。正余弦编码器输出波形经MHM－06型双通道高速差模信号转换器整形或者经PG卡整形分频后，由研华PCI－1784触发读入并计数，计数值由IPC读入，并自动计算计数误差。编码器的2通道相位差经LDI300－PCI示波卡转换，由IPC读入和显示编码器输出波形，并自动计算记录2通道波形相位差^[3]。

3.2软件设计

整个系统软件由PLC逻辑控制程序、OPC服务器和人机界面客户端三部份组成。

PLC逻辑控制程序采用RSLogix开发平台编写，主要完成逻辑控制信号输入和处理（集选、检修、急停等），逻辑控制信号输出和负载隔离（伺服调速、变频调速、接触器、信号灯、报警等）。

OPC服务器控采用RSLinx作为服务器负责与PLC通信，客户端通过OPC服务器将从PLC采集的数据读到上位主机中并存放到Access数据库中；通过OPC服务器读取相应的项目号，并对PLC进行参数设置。

根据对客户端功能分析和软件通用性的特点，经过模块化的分析，人机界面客户端的编制采用VB基于对话框的MFC编程，主要包括以下几个模块。

（1）初始化模块。该模块有两个功能，一个是对进入系统的用户进行安全性检查，防止非法用户进入系统。只有合法的用户在输入正确的用户名和密码后才可以进入。另一个功能是设置检测信息，如编码器产品信息、试验项目、精度要求、电机转速、运行时间等，并在检测开始之前进行清零操作。只有当资料全部填写完成后才能开始试验。

（2）数据记录显示模块。该模块主要功能是通过计算机在检测过程中调用计数卡、数字示波卡各自配带的函数对编码器输出信号实时采集，在界面上动态显示数据曲线并分析所采集到的数据得到相应的误差信息。另外，为了使界面更加友好美观，在程序运行过程中，人机界面不仅记录显示误差信息，同时还将用户设定的指令信息、试验进行状态、电机运动状态、变频器和接触器开断／闭合、编码器失效次数等信息显示出来，以便检测人员对检测过程进行监视^[4]。同时，人机界面上还有一个帮助按钮，点击帮助按钮时，程序会将该检测系统的检测原理以及该检测软件的使用方法等相关文档以Web浏览器的形式显示出来。

（3）数据管理模块。该模块有两个功能，一个是对检测结果与被检编码器的精度要求做误差分析，判断被测编码器合格与否，生成试验报告，并实现数据的保存与打印等功能；另一个功能是用户可以通过公司名称、编码器类型和检验时间（可以复选）三种方式来查询数据，并根据需要打印试验报告。

总之，旋转编码器是电梯重要的传感部件，是电梯重要的运行信号来源，依靠它充分实现了其对电梯自动控制的功能。它的运行状况直接关系到电梯运行的可靠性高低，因而充分了解其工作原理，并加强对其维护保养，对于减少电梯故障，保障电梯正常运行工况，使得电梯安全运行具有重要的意义。

参考文献

[1]侯雁鹏.电梯旋转编码器引起故障的实例研究[J].中国新技术新产品，2019(21):48-49.

[2]梁敏健.基于嵌入式系统的多功能电梯检测仪[J].起重运输机械，2019(01):94-98.

[3]金明.结合电梯相关原理浅谈电梯现场维修经验[J].中国电梯，2018，29(02):65-67.

[4]何文中.旋转编码器与可编程控制器实现脉冲计数功能[J].电子制作，2016(15):16+20.