西门子6SL3130-6AE21-0AB0

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1问题的提出

1.1 如何扩展**值编码器的测量范围
在运动控制系统中，经常使用**值旋转编码器作为位置反馈，**值编码器具有返回值与实际位置一一对应、断电后位置信息不丢失等优点，在使用时给用户带来了很多方便，比如在设备重新上电时，不需要重新寻找参考点（回零）。
不过**值旋转编码器也有缺点，不管是单圈**值编码器，还是多圈**值编码器，它的测量范围都是有限的。如果负载不停地单方向运行，那么一定会造成编码器返回值溢出，此时编码器的值又重新返回零，周而复始。此时如果设备重新上电，编码器返回值是不包含溢出次数信息的，所得到的位置值也是不可用的。

图1 **值旋转编码器的返回值与负载位置的关系

问题1：在使用SINAMICS S120进行位置控制时，在采用**值编码器作为位置反馈时，如果负载行程较长，**出了**值编码器的测量范围，那么在设备重新上电时，编码器的返回位置r0483与负载实际位置是不匹配的。此时应该如何扩展**值编码器的测量范围，正确地读取负载的位置？

1.2 如何正确使用测量齿轮
在一些场合会使用测量齿轮改变电机或负载的转速特性，以便于速度或位置的测量，如图2所示为一个齿轮比为1：3的测量齿轮。如果所用的编码器为**值编码器，那么在发生溢出时，编码器返回值的零点与电机/负载的零点就出现偏移，偏移量的大小取决于齿轮比。一旦编码器返回值发生溢出，负载的实际位置值就不可用了。

图2 测量齿轮示意图

举一个例子，在使用图2的测量齿轮时，假设所用的编码器是一个8圈的**值编码器，那么默认情况下，编码器返回位置、电机/负载的角度、编码器的角度随时间变化的关系如图3所示。

图3 编码器返回位置、电机/负载角度、编码器角度的关系

从图3可以看出，在编码器旋转8圈以后发生溢出，每次溢出后编码器返回值的零点与电机/负载的零点会有1/3圈的偏移，在发生溢出以后编码器返回的位置值就不可用了。在溢出3次以后，编码器返回值零点与电机/负载零点又重合了。

问题2：在使用SINAMICS S120进行位置控制时，在采用**值编码器作为位置反馈时，如果使用了测量齿轮，那么如何在编码器溢出时，也能正确读取电机/负载的实际位置？

2 SINAMICS S120位置跟踪功能的使用

2.1 SINAMICS S120位置跟踪功能概述
SINAMICS S120位置跟踪（Position Tracking）可用于：

? 扩展**值编码器的测量范围
? 在使用测量齿轮时，正确计算负载的位置

该功能可通过参数P0411.0来激活，激活以后，编码器溢出的次数信息会被保存在断电保持数据区中，这样即使编码器返回值发生溢出，即使设备重新上电，也可以重新根据编码器溢出次数和当前返回值计算出负载的当前位置。

图4 测量齿轮和编码器的示意图

**值编码器位置实际值保存在参数r0483中，r0483是一个无符号32位数，需要激活编码器的控制字中*13位（GnSTW.13）才会将编码器的实际值显示在r0483中。如果P0411.0＝0，那么位置跟踪功能未被激活，此时r0483中的位置值由以下数据构成：

? 编码器每转脉冲数P0408
? 编码器信号细分位数P0419
? 编码器圈数P0421

如果P0411.0＝1，那么位置跟踪功能被激活，此时r0483中的位置由以下数据构成：

? 编码器每转脉冲数P0408
? 编码器信号细分位数P0419
? **值旋转编码器虚拟圈数P0412
如果没有测量齿轮，编码器的圈数即为P0421的值，如果P0421太小，不满足负载行程要求，那么可以通过放大P0412来扩展**值编码器的位置测量范围。
? 测量齿轮比P0433/P0432

2.2 扩展**值编码器测量范围的参数设置
要扩展**值编码器的测量范围，可以在配置向导中编码器配置画面上进行设置。使用STARTER软件打开项目，在Config DDS的配置向导中，在配置编码器数据时，点击Details按钮，如图5所示。

图5 编码器配置画面

在弹出的对话框中Details选项卡中，选择激活位置跟踪功能，并在虚拟圈数P0412中输入需要的值，如图6所示。配置完毕后，下载数据并保存。

图6 激活位置跟踪功能

另外也可以在ONLINE情况下，通过参数表直接设置。使用PG/PC连接设备，在STARTER软件中连接在线后，通过驱动器的Expert List打开参数列表，依次设置以下参数即可。

P0010＝4， Encoder Commissioning 编码器调试
P0411.0＝Yes， Activate Position Tracking 激活位置跟踪功能
P0412＝600， Set Virtual Revolution 设置虚拟圈数，根据实际情况调整
P0010＝0， Ready 返回就绪状态

2.3 使用测量齿轮时的参数设置
针对1.2节中的例子，编码器每溢出一次，都会在电机/负载侧产生1/3圈的偏移，每溢出3次以后，编码器零点与电机/负载的零点重新吻合。在编码器溢出时，电机/负载的位置就可能不正确了。
此时需要激活位置跟踪功能，并设置测量齿轮的齿轮比P0433和P0432，如图7所示。本例中**值编码器是一个8圈的**值编码器，所以P0412=8。

图7 测量齿轮的参数设置

这样可以扩展位置值r0483的表示范围（如图8所示），在使用测量齿轮时，即使发生编码器返回值溢出，也能正确指示电机/负载的实际位置。

图8 位置跟踪功能激活后的位置值

S120 支持与HMI进行直接通信，这样可以通过HMI直接控制s120的起停和设定，不过该种通信方式属于非周期通信，需要设置通信状态监控以便通信异常时变频器能够停车。下面以Winccflexible PC Runtime和S120（CU320 V2.6.2）为例，介绍HMI控制S120起停和通信状态监视的设置方法。

1 HMI侧的设置

1.1 HMI侧的通信设置

说明：
（1）通讯驱动选择“SIMATIC S7 300/400”并激活“ON”。
（2）HMI侧要勾选“only master on the bus”。
（3）设置双方的通信网络和站地址。

1.2 HMI侧创建变量标签

说明：
（1）DB号对应参数号，比如DB2098对应变频器内的P2098。
DBX号=DO号*1024+参数下标号，比如DBW3072对应DO03中的0号下标参数。
DO号可以在starter/scout软件的“communication”中找到。
（2）这里建立了三个参数：
“P2098_1”对应于变频器的P2098[0]（用于控制启停）；
“P2098_2”对应于变频器的P2098[1]（用于接收HMI产生的脉冲）；
“P2900”对应变频器的P2900用于速度给定。

1.3 HMI侧生成脉冲信号

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说明：
（1） 点击画面窗口---事件---加载---选择“SimulateTag”函数；给该函数分配P2900_2变量，设置函数周期为2（时基是200mS），较大值为1，步长（value）为1.
该函数是用于仿真某个int型变量的变化，并且只能在画面加载事件中调用，在当前画面窗口激活，即当前窗口被显示时该函数被调用；若有多个画面则需在每个画面的加载事件中调用该函数，并做相同设置，否则切换画面时脉冲会丢失。
（2）这里设置的函数周期是2*200mS,而变量的刷新周期是500mS.这样可以保证变量每次
刷新时变量值都经过变化，同时变频器侧P2098[1]参数接收到脉冲信号的周期会足够
小，从而保证在设定的2S时间内检测到脉冲。
（3）变频器参数P2098[0]/P2098[1]是两个“WORD变量到BIT变量转换”的变量，转换后的变量会分别在r2094.0---r2094.15和r2095.0---r2095.15中显示并可进行BICO
连接。
（4）可作BICO连接的标有CI标识的P参数不能直接与HMI建立连接，r参数可以。
（5）其中，设置2S定时是因为周期通信中总线检测的可设较大时间为2S，见下图：

1.4 HMI侧的启停和给定设置

说明：
（1）给定的IO域连接到变量P2900对应于变频器参数P2900；

（2）点击启动按钮---事件---点击---翻转变量位（InverBitInTag）---连接变量P2098_1 (对应
于变频器参数P2098[0])---选择*0位。

2 变频器侧的设置

2.1通信只需要设置CU的站地址

2.2 参数设置、起停和给定的连接逻辑见下图：

变频器的参数连接为：
P1070[0]=P2900
P840[0]=r2094.0(其中r2094.0自动连接到P2098[0].0)
其它相关参数请参见S120调试手册。

说明：P840[0]=r2094.0(r2094.0=P2098[0].0自动关联)

说明：P1070[0]=P2900(P2900对应变频器内的可设置固定值，可通过HMI更改)

2.3 通信诊断和响应处理
变频器侧的通信诊断及通信故障响应逻辑见下图：

说明：
r2095.0是来自HMI的脉冲信号，检测该信号为常1或常0达到2S后，认为通信故障。
变频器OFF2停车，并切换命令参数组到端子或面板控制（由用户根据需要设置）。

2.4 变频器侧通信相关参数的设置
激活S120的自由功能块功能，方法如下：

说明：
(a) 右击“VECTOR_03”选属性---选择“function modules”---勾选自由功能块---OK。
(b) P20000[0]选择8*r20002。用于设置自由功能块执行组0的扫描时间，要求较小为
1ms。参数形式为N*r20002，其中r20002为时基，对于驱动对象其值一般0.125mS。

（1）设置PDE0（延时通定时器），用于检测r2095.0的信号在2S内是否为常1。

P20158= 2095.0(检测脉冲信号是否为常1)
P20161=0(选择执行组0)
P20162=1（在执行组0中的执行顺序为1）
P20159=2000（设定延时时间为2S）
r20160定时器0的输出，送给OR0输入1。

（2）设置NOT0功能块(对脉冲信号进行取反以检测常0信号)

P20078=R2095.0(脉冲信号)
P20080=0（在执行组0中执行）
P20081=2（在执行组0中的执行顺序为2）
r20079（取反后的信号输出，送给PDE1输入）

（3）设置PDE1（延时通定时器），用于检测r2095.0的信号在2S内是否为常0。

P20163= R20079 (检测脉冲信号是否为常0)
P20166=0(选择执行组0)
P20167=3（在执行组0中的执行顺序为3）
P20164=2000（设定延时时间为2S）
r20165定时器1的输出，送给OR0的输入2

（4）设置OR0功能块（将常1和常0检测结果相或）

P20046[0]= R20160 (常1检测结果)
P20046[1]= R20165（常0检测结果）
P20046[2]=0
P20046[3]= 0
P20048=0(在执行组0中执行)
P20049=4(在执行组0中的执行顺序为4)
R20047或信号的输出。该信号一方面直接送给P810用于切换命令组；另一方面送
给NOT1的输入。

（5）设置NOT1功能块，对检测结果取反后送给OFF2停车源2（P845[0]）

P20082= r20047 (取自OR0输出)
P20084=0(选择执行组0)
P20085=5(在执行组0中的执行顺序为5)
r20083 NOT1的输出，送给OFF2停车源2(P845[0])

（6）较终信号连接
P845[0]= R20083( NOT1的输出信号)
P810= r20047（OR0的输出信号）
即当检测到通信故障时，变频器OFF2停车，以保证设备和人身安全；同时将命
令数据组2激活，若设置了其它命令数据组，则可避免因通信故障而导致变频器无
法运行。