西门子S120变频器位置跟踪功能的使用

1问题的提出

1.1 如何扩展绝对值编码器的测量范围
在运动控制系统中，经常使用绝对值旋转编码器作为位置反馈，绝对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）。
不过绝对值旋转编码器也有缺点，不管是单圈绝对值编码器，还是多圈绝对值编码器，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 绝对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，在采用绝对值编码器作为位置反馈时，如果负载行程较长，超出了绝对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。此时应该如何扩展绝对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绝对值编码器，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圈的绝对值编码器，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，在采用绝对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：

• 扩展绝对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

绝对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第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
• 绝对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来扩展绝对值编码器的位置测量范围。
• 测量齿轮比P0433/P0432

2.2 扩展绝对值编码器测量范围的参数设置
要扩展绝对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。本例中绝对值编码器是一个8圈的绝对值编码器，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