西门子模拟量模块AQ02

上海朕锌电气设备有限公司

西门子模拟量模块AQ02

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。

西门子模拟量模块AQ02
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

一、概述
S120 有两种形式：
用于多轴系统的 DC/AC 装置
用于单轴系统的 AC/AC 装置

这两种形式的 Firmware V2.4 及以上版本都已具备基本定位功能。当前V2.4 版本的 S120具有如下定位功能：
? 点动 (Jog)： 用于手动方式移动轴，通过按钮使轴运行至目标点
? 回零 (Homing/Reference)：用于定义轴的参考点或运行中回零
? 限位 (Limits)：用于限制轴的速度、位置。包括软限位、硬限位
? 程序步 (Traversing Blocks)： 共64个程序步，可自动连续执行一个完整的程序也可单步执行
? 直接设定值输入/手动设定值输入 (Direct Setpoint Input / MDI)：目标位置及运行速度可由上位机实时控制。

使用 S120 基本定位功能的前提条件：
调试软件：Starter V4.0 或更高版本 / SCOUT V4.0 或更高版本
硬件版本：SINAMICS FW: V2.4 HF2 或更高版本

注：
安装 SCOUT V4.0 需要STEP 7 版本至少为 V5.3.3.1 以上

二、激活基本定位功能
S120的定位功能必须在变频器离线配置中激活，步骤如下：

定位功能激活后可使用STARTER中的控制面板或*参数表进行设置

定位功能激活后可使用STARTER中的控制面板或*参数表进行设置

使用控制面板                                                     使用*参数表

使用控制面板的操作步骤：

三、基本定位_点动（JOG）

S120 中基本定位功能的点动有两种方式：
? 速度方式( travel endless)：点动按钮按下，轴以设定的速度运行直至按钮释放。
? 位置方式( travel incremental)：点动按钮按下并保持，轴以设定的速度运行至目标位置后自动停止。

? 使用控制面板的点动功能**于速度方式，位置方式需使用*参数表设定。

? 执行点动功能，应先使能变频器ON/OFF1（P0840）

四、基本定位_回零（Homing / Reference）
回零/寻参（Homing / Reference）
回参考点模式（回零模式）只有使用增量编码器（旋转编码器 Reserver、正/余弦编码器Sin/Cos 或 脉冲编码器）时需要，因每次上电时增量编码器与轴的机械位置之间没有任何确定的关系。因此轴都必须被移至预先定义好的零点位置。即执行 Homing 功能。
当使用**编码器 ( Absolute ) 时每次上电不需重新回零。
S120 中回零有三种方式：
? 直接设定参考点 (Reference): 对任意编码器均可
? 主动回零 (Reference point approach): 主要指增量编码器
? 动态回零 (Flying Reference)：对任意编码器均可

4.1设置参考点 (Set_Reference)
通过用户程序可设置任意位置为坐标原点。通常情况下只有当系统即无接近开关又无编码器的零脉冲时，或者当需要轴被设置为一个不同的位置时才使用该方式

操作步骤（已设定开关量输入点 DI2 为ON/OFF1命令源 P840）
1. 进入“Homing”
2. 连接一数字量输入点 ( DI 1 )至参数 P2596作为设置参考点信号位，该位上升沿有效
3. 设定参考点位置坐标值 P2599（如 0）
4. 闭合DI 2运行使能
5. 闭合DI 1 激活“设置参考点”命令，于是该轴当前位置 r 2521 立即被置为P2599 中设定的值。如 r2521=0

4.2主动回零（Active Homing）
主动回零方式只适用于增量编码器，**值编码器只需在初始化阶段进行一次编码器校准，以后不必做回零

主动回零有三种方式：
仅用编码器零标志位( Encoder Zero Mark ) 回零
仅用外部零标志( External Zero Mark ) 回零
使用接近开关 + 编码器零标志位( Homing output cam + Zero Mark ) 回零

4.2.1**值编码器的主动回零
如果我们使用**值编码器并且作主动回零时会看到如下页面：

4.2.2增量编码器的主动回零
依下图所示进行配置

相关参数设定

1. 进入 “ Homing “ (回零) 页面
2. 定义开关量输入点DI 1为开始寻参命令（参数P2595=722.0）
3. 回零方式选择主动回零P2597=0
4. 定义开关量输入点DI 2为接近开关 P2612= 722.1（粗脉冲）
5. *轴运行极限点，如果回零过程中极限点到达（P2613/P2614=0）则轴反转。若两点全为零则轴停止。
6. *回零方式：接近开关 + 编码器零脉冲
7. *回零开始方向P2604 (0:正向；1：反向)

动作过程：
变频器运行ON/OFF1闭合，DI 1闭合，开始寻参过程

? 上图中（Step1）轴按照P2604 定义的搜索方向，以较大加速度 P2572 加速至搜索速度 P2605，到达接近开关后（DI 2 闭合）,以较大减速度P2573减速停止，进入下一步：搜索编码器的零脉冲
? 轴反向加速至速度 P2608，离开接近开关后（DI 2 断开）遇到的编码器的**个零脉冲后轴停止。进入下一步：回参考点
? 上图中（Step3）轴反向加速以速度 P2611运行偏置距离P2600后停止在参考点，完成主动回零过程。

4.3动态回零（Passive Homing）
Passive Homing （动态回零）又称为 Homing on the fly
动态回零用于轴工作于任意定位状态时动态修改当前位置值为零（如：在点动时、执行程序步时，执行 MDI 时），执行动态回零后并不影响轴当前的运行状态，轴并不是真正的回到零点而只是其当前位置值被置为0，重新开始计算位置。
前提条件：P2597=1
**值编码器的动态回零：

参数设定

? 打开 “ Homing “ (回零) 页面
? 定义开始寻参命令P2595源（如开关量输入点DI2）
? 回零方式选择动态回零P2597=1
? *接近开关Bero为上升沿有效（如上图中P2511）
? 定义开关量输入点DI 10（只能为快速I / O）为接近开关 P488= 722.10（如上图中2）