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S120位置跟踪功能的使用
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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
关键词

SINAMICS S120，值编码器，位置跟踪

西门子S120变频器系列代理产品介绍
西门子S120变频器系列代理由上海卓曙自动化设备有限公司特价销售西门子S120变频器系列代理,代理西门子PLC.触摸屏.变频器.软启动器.直流调速器.数控系统等全系列产品。一律为全新原包装，货真价实，质量有保证！
SIMATIC S7-300 
（使用带 PROFIBUS DP 接口的 CPU 或 PROFIBUS DP CP）
SIMATIC S7-400 
（使用带 PROFIBUS DP 接口的 CPU 或 PROFIBUS DP CP）
SIMATIC C7
（通过配有 PROFIBUS DP 接口的 C7，或通过 PROFIBUS DP CP）
SIMATIC S5-115U/H、S5-135U 和 S5-155U/H，带 IM 308
SIMATIC 505
出于性能原因，每条线路上连接的主站不得过 2 个。
以下设备可作为从站连接：
ET 200 分布式 I/O 设备
S7-300，通过 CP 342-5
CPU 313C-2 DP，CPU 314C-2 DP，CPU 314C-2 PN/DP，CPU 315-2 DP，CPU 315-2 PN/DP，CPU 317-2 DP，CPU 317-2 PN/DP 和 CPU 319-3 PN/DP
C7-633/P DP，C7-633 DP，C7-634/P DP，C7-634 DP，C7-626 DP，C7-635，C7-636
现场设备
虽然带有 STEP 7 的编程器/PC 或 OP 是总线上的主站，但是只使用 MPI 功能，另外通过 PROFIBUS DP 也可部分提供 OP 功能。
通过 PROFINET IO 进行过程通信
SIMATIC S7-300 通过通信模块或配有集成式 PROFINET 接口的 CPU 连接到 PROFINET IO 总线系统。通过带有 PROFIBUS 接口的 CPU，可构建一个高速的分布式自动化系统，并且使得操作大大简化。
从用户的角度来看，PROFINET IO 上的分布式 I/O 处理与集中式 I/O 处理没有区别（相同的组态，编址及编程）。
可将下列设备作为 IO 控制器进行连接：
SIMATIC S7-300 
（使用配备 PROFINET 接口或 PROFINET CP 的 CPU）
SIMATIC ET 200 
（通过带有 PROFINET 接口的 CPU）
SIMATIC S7-400
（使用配备 PROFINET 接口或 PROFINET CP 的 CPU）
可将下列设备作为 IO 设备进行连接：
ET 200 分布式 I/O 设备
ET 200S IM151-8 PN/DP CPU, ET 200pro IM154-8 PN/DP CPU
SIMATIC S7-300 
（使用配备 PROFINET 接口或 PROFINET CP 的 CPU）
现场设备
 昆明SIEMENS-西门子S7-200模块总代理商
通过 AS-Interface 进行过程通信
S7-300 具有一个通信模块 (CP 342-2)，适合连接 AS-Interface 总线的现场设备（AS-Interface 从站）。
多信息，请参见通信处理器。
通过 CP 或集成接口（点对点）进行数据通信
通过 CP 340/CP 341 通信处理器或 CPU 313C-2 PtP 或 CPU 314C-2 PtP 的集成接口，可经济有效地建立点到点连接。有三种物理传输介质支持不同的通信协议：
20 mA (TTY)（仅 CP 340/CP 341）
RS 232C/V.24（仅 CP 340/CP 341）
RS 422/RS 485
可连接以下设备：
SIMATIC S7、SIMATIC S5 自动化系统和其他公司的系统
打印机
机械手控制装置
扫描器，条码阅读器，等
功能块包括在通信功能手册的供货范围之内。
通过多点接口 (MPI) 实现数据通信
MPI（多点接口）是集成在 SIMATIC S7-300-CPU 中的一个通信接口。可用来简单地组网。
MPI 可以同时连接多个配有 STEP 7 的编程器/PC、HMI 系统（OP/OS）、S7-300 和 S7-400。
全局数据：
“全局数据通信”服务可以在联网的 CPU 间周期性地进行数据交换。一个 S7-300 CPU 可与多达 4 个数据包交换数据，每个数据包含有 22 字节数据，可同时有 16 个 CPU 参与数据交换（使用 STEP 7 V4.x）。
例如，一个 CPU 可以访问另一个 CPU 的输入/输出。只可通过 MPI 接口进行全局数据通信。
内部通信总线（C 总线）：
CPU 的 MPI 直接与 S7-300 的 C 总线相连。这样，通过 MPI，可直接从编程器来寻址带有 C 总线接口的 FM/CP 模块。
功能强大的通信技术：
多达 32 个 MPI 节点。
使用 SIMATIC S7-300/-400 的 S7 基本通信的每个 CPU 有多个通信接口。
使用编程器/PC、SIMATIC HMI 系统和 SIMATIC S7-300/400 的 S7 通信的每个 CPU 有多个通信接口。
数据传输速率 187.5 kbit/s 或 12 Mbit/s
灵活的配置选件：
使用性能可靠的组件建立 MPI 通信：PROFIBUS 和“分布式 I/O”系列的总线电缆、总线连接器和 RS 485 中继器。使用这些组件，可以根据需求实现设计的化调整。例如，任意两个 MPI 节点之间多可以串入 10 个中继器以连接大距离。
通过 CP 进行数据通信
昆明SIEMENS-西门子S7-200模块总代理商
SIMATIC S7-300 通过 CP 342 和 CP 343 通信模块可以连接到 PROFIBUS 和工业以太网总线系统。

S120的特点
SINAMICS S120是西门子公司推出的全新的集V/F、矢量控制及伺服控制于一体的驱动控制系统，它不仅能控制普通的三相异步电动机，还能控制同步电机、扭矩电机及直线电机。SINAMICS S120具有模块化设计，可以提供高性能的单轴和双轴驱动，功率范围涵盖0.12 kW – 4500 kW，具有广泛的工业应用价值。由于其具有很高的灵活性能，SINAMICS S120可以完满足应用中日益增长的对驱动系统轴数量和性能的要求。它具有以下特点：
西门子S120变频器一级授权代理商  “高度灵活”的模块化设计
允许不同功率等级与控制性能的单元自由组合，所有系统组件之间都具有高度的兼容性，同时还可通过简单并联就可实现功率的增容。
“一网到底”的通讯技术
上位通讯支持标准的 PROFIBUS DP 现场总线或新一代高速工业以太网技术 PROFINET，可以方便地集成到工厂 IT 环境，传动组件之间采用特的DRIVE-CLiQ通讯。
“一心多用”的多机控制技术
一个控制单元就可同时控制多达四台逆变和一台整流，所需数据都保存在控制单元中，在控制单元内就能建立轴间连接和控制，保系统可靠运行。
智能化的驱动组件链路——DRIVE-CLiQ
基于网络技术的全新传动串行通讯，用于传动组件之间的通讯。DRIVE-CLIQ 组件都有一个电子铭牌，各项技术数据都将自动装载到控制单元中，从而读取拓扑结构，实现 SINAMICS 驱动系统的自动配置。
西门子S120变频器一级授权代理商   装置并联的“无环流设计”
由于选用了新一代高性能 IGBT 和特的均流控制技术，装置并联增容时，只需满足*短电机电缆的要求就可，而*笨重而昂贵的平衡电抗或输出电抗器。
四象限运行的“IGBT智能整流”
全新的 IGBT 整流 ——SLM，在实现四象限运行的基础上，成功避免了换流故障，又免除了传统晶闸管正反桥整流/回馈所需的自耦变压器，大大提高了传动系统的可靠性。
概述
由于带有分开的电源装置和控制单元，SINAMICS S120 变频调速柜系统可地满足大量不同驱动任务的要求。
控制单元根据要控制的驱动器数量和所需性能级别进行选择，而电源装置的额定值必须要满足系统的电能要求。控制单元和电源装置之间的连接可非常简便地使用数字系统接口 DRIVE‑CLiQ 来完成。
控制装置
CU310‑2 PN 控制单元和 SIMOTION D4x5‑2
CU310‑2 DP 和 CU310‑2 PN 控制单元
CU310 2 控制单元用于控制单机传动装置。标配有一个 PROFIBUS 接口 (CU310 2 DP) 或一个 PROFINET 接口 (CU310 2 PN) 以及一个 TTL/HTL 编码器分析电路。
控制单元 CU320‑2
CU320‑2 控制单元用于多个传动装置。此时，以下设备可通过控制单元 CU320‑2 运行。
V/f 模式下*多 12 个转动装置，或
伺服或矢量控制模式下组多 6 个传动装置。
CU320-2 控制单元可用于在多个传动装置间建立连接，并实现简单工艺功能。
SIMOTION D 控制单元
SIMOTION D 控制单元用于实现协调运动控制，如同步运行、电子齿轮、凸轮或复杂工艺功能。
SIMOTION D 控制单元具有一系列性能型号：
SIMOTION D410-2，用于控制 1 到 3 个轴
SIMOTION D425‑2，用于控制*多 16 个轴
SIMOTION D435‑2，用于控制*多 32 个轴
SIMOTION D445‑2，用于控制*多 64 个轴
SIMOTION D455‑2，用于控制*多 128 个轴
STARTER 调试工具用于对各种类型控制单元进行调试和诊断。SIMOTION D 控制单元需要使用 SCOUT 工程软件（包含 STARTER 工具）。
有关 STARTER 和 SCOUT 的详细信息，请参见“工程组态软件”和“SIMOTION 运动控制系统”。
电源模板
*简单的 SINAMICS S120 传动系统由一个 CU310 2 控制单元和一个变频装置组成。变频装置中集成有一个进线整流器、一个直流回路和一个用于为电机供电的逆变器。
带有 CU310‑2 控制单元的块型电源模块
电源模块针对不能将电能回馈至电源的驱动器而设计。制动过程中产生的能量通过制动电阻器而被转换为热量。
变频装置也可通过 CU320-2 控制单元、SIMOTION D4x5 2 或 CX32 2 Controller Extension 来运行，例如，在向一个多轴传动组中添加了一个单机传动装置之后。在此情况下，书本型电源模块必须配有 CUA31/CUA32 控制单元适配器。该多轴传动组通过 DRIVE CLiQ 连接到 CU320 2 控制单元、SIMOTION D4x5 2 或 CX32 2 Controller Extension。机架型电源模块可使用一条 DRIVE-CLiQ 电缆直接连接到多轴控制单元。
电机模块
电机模块中集成了一个直流环节和一个用于为电机供电的逆变器。
CU320‑2 控制单元、电源模块和两个书本型电机模块
逆变柜适合在多机传动装置中使用，由 CU320 2 控制单元、SIMOTION D4x5 2 或 CX32 2 Controller Extension 进行控制。多个电机模块是通过一条共用直流母线相互连接的。由于多个电机模块共用同一个直流环节，因此它们可相互交换能量，即如果一个以发电机模式运行的电机模块产生了电能，该电能就可被以电机模式运行的另一个电机模块使用。由电源模块为电压源直流链路提供电源电压。
电源模块
电源模块可产生一个直流电压，用于通过电压源直流链路向电机模块供电。
基本电源模块
基本整流柜仅能够实现整流运行，即，它们不能将再生能量回馈到供电系统。若产生再生能量，例如，驱动装置制动时，必须通过一个制动模块和一个制动电阻器，将制动能量转换成热。如果基本电源模块用作馈电，必须安装相匹配的电源电抗器。可选装电源滤波器，来限制干扰，以符合 Class C2 限制 (EN 61800‑3)。
非调节型电源模块 (Smart Line)
非调节型电源模块可供电，并可返回再生能量到供电系统。只有在驱动系统在掉电后需要控制减速时（即能量不能储存），才需要使用制动模块和制动电阻器。如果非调节型电源模块用作馈电，必须安装相匹配的电源电抗器。为了确保符合 EN 61800 3 标准的类别 C2 所规定的限值，还可以安装一个进线滤波器 EN 61800‑3。
调节型电源模块 (Active Line)
调节型电源模块可供电，并可返回再生能量到供电系统。只有在驱动系统在掉电后需要控制减速时（即能量不能储存），才需要使用制动模块和制动电阻器。但是，与基本电源模块和非调节型电源模块相比，调节型电源模块可产生可调直流电压，而不管电网波动如何。在这种情况下，电源电压必须保持在容许的电压公差范围内。调节型输入模块从电源吸收波形基本上是正弦波的电流，限制了任何有害谐波成分。
为了运行有源整流装置，必须使用适宜的有源滤波装置。为了确保符合 EN 61800 3 标准的类别 C2 所规定的限值，还可以安装一个进线滤波器 EN 61800‑3。
有关组态采用 SINAMICS S120 的传动系统的详细信息，请参见“系统说明 – 规格设计”。
电源模块、电机模块和输入模块分为书本型、紧凑书本型、块型和机架型：
用于单轴的块型和机架型电源模块，
书本型、紧凑书本型和机架型电机模块和输入模块。
冷却方式
根据具体结构型式，有各种冷却方式可供采用：
内部空气冷却
在这种标准解决方案中，来自驱动部件的电子电路和功率部分的功率损耗通过自然冷却或布置到控制柜内部的强迫通风冷却系统来排除。
外部空气冷却
外部空气冷却采用“通孔”方法。部件的功率部分散热器穿过控制柜的安装表面，从而将功率部分散出的热量释放到一个立的外部冷却回路。控制柜中保留的仅有热量是由电子部件散发的。在此“机械接口”处可取得 IP54 防护等级。带有散热片和风扇装置（在供货范围内）的散热器从后部伸出到一个单的通风区域内，该通风区域也可向外敞开。
冷却板冷却
采用冷却板技术的设备可通过设备后表面上的一个热接口，将功率单元的功率耗散到一个外部散热器。例如，该外部散热器可以是水冷式散热器。
液体冷却
在液体冷却式装置上，散热器上安装有功率半导体，冷却介质从该散热器中流过。装置产生的大部分热量由冷却介质吸收，并可散到控制柜外面。
定制应用
不同形式的设备可作为一种完整系统解决方案来购买。用户可利用传动装置的专有知识，*花费宝贵的时间来计算具体应用的热量设计要求。对于特定应用（例如，涉及采用冷却板冷却或外部空气冷却的设备或装置型液体冷却式设备的应用），用户可得到一种技术可靠的解决方案，可以降低工程开销。例如，该解决方案可以是书本型设备的传动装置组（采用冷却板冷却，且便于组装到一个共用的冷却板上），直至配有冷却系统和温度/冷凝控制的完整控制柜。
我们可根据要求提供详细信息。
能效
SINAMICS S120 变频调速柜可对各个轴的电能进行回收并在多轴配置的直流回路中使用，并且可将能量回馈到电源系统中，从而节省了能量。即使在完全馈电下，控制柜中也不会产生多余热量。由于有源整流装置可防止产生容性和感性无功电流，因此，SINAMICS S120 还能确保电源中不会产生不必要的功率损耗，并且不会产生电流谐波。这不仅防止了对其它负载造成有害影响，同时也降低了控制柜中产生的热量。
系统部件
系统部件分为以下类别：
直流链路组件
例如制动模块和制动电阻
负载侧功率组件
例如，电机电抗器
系统组件
例如端子模块、操作面板和通信板
编码器系统接口
用于将各种编码器连接到 SINAMICS S120
书本型变频调速柜
书本型单元*适合于多轴应用，它们是彼此相邻安装的。共用电压源直流环节采用集成连接方式。书本型设备可采用内部或外部空气冷却。
紧凑书本型
从书本型模块，我们针对具有很高紧凑性要求的驱动装置开发出紧凑书本型模块。紧凑书本型提供具有相同性能的书本型的所有积特性，但总高度减小，过载能力大。紧凑书本型模块尤其适合集成到具有很高动态要求和安装空间有限的机器中。
紧凑书本型模块的冷却方式为内部空气冷却和冷却板冷却。
块型
块型模块*适合单轴应用，仅具有电源模块。
CU310-2 控制单元可直接进行卡装。这些装置是通过内部空气冷却或液体冷却方式进行冷却的。
装机装柜型变频调速柜
输出较高的单元（大约 100 kW 及以上）的结构形式为机架型。它们分为输入模块、电源模块和电机模块。机架型模块是通过一个内部空气冷却回路进行冷却的。可以针对应用（如挤出过程或船舶工程）订购水冷式设备。CU310‑2 控制单元可被集成到电源模块中。
机柜模块型
除了此产品目录中所描述的变频调速柜外，SINAMICS S120 变频调速柜系列还提供了为工厂工程应用设计的变频调速柜系统。将柜体单元进行组合，可以构成一个柜组，总够输出功率可达 4500 kW (6000 hp)。
该模块化系统非常适用于带有馈电模块和一条共用直流母线的多电机驱动器，通常可在造纸机、滚轧机、试验台或起重装置中使用。由于具有模块化的设计，因此可将所有部件进行组合，以满足封闭机柜系统中的要求。
对于这些变频调速柜，提供了三种馈电模块（基本型输入模块、智能型输入模块和调节型输入模块）以及制动模块和模块。该系统具有 IP20、IP21、IP23、IP43 和 IP54 等防护等级。变频装置通过 DRIVE-CLiQ 与控制单元通信。
带有用于一个多电机驱动器的 SINAMICS S120 变频调速柜的驱动系统布局示例
功率范围可根据需要通过并联*多 4 个模块加以扩展。

西门子S120变频器是全系列通用和模块化的产品，也是西门子功能**大的低压变频系统，可以驱动各种低压异步电机、低压同步电机以及伺服电机。下面厦门铭创自动化设备有限公司总为大家讲解下西门子S120变频器的基本简介。
西门子 — 可完成任何任务
宽广的功率范围：0.12kW~120MW
宽广的电压范围：220V~10kV
共用的软硬件平台保证了功能统一
变频器的工程组态仅需两个工具：
SIZER 用于工程选型
STARTER 用于参数化和调试
高度灵活性和模块化
西门子S120 功率范围
AC/AC 单机传动：230V 0.12~0.75kW、380~480V 0.37~250kW
DC/AC 多机传动：380~480V 1.6~3000kW、500~690V 55kW~4500kW
西门子S120 — 性能
基本功能：速度和转矩控制、基本定位功能
BICO 技术：传动相关 I/O 的信号互联
DCC 功能：对功能块实现图形化编程，具有非常友好的图形编程界面
控制模式：伺服控制、矢量控制、 V/f控制
精度高(<0.001%nrated)，响应快(<2.5ms)
低噪音(<71dB)，紧凑型(节省 30%占地)
西门子S120 DC/AC 多机传动
多机传动通常由以下模块组成：
控制单元控制整个传动组
整流单元为逆变单元提供直流电源
逆变单元用于协调拖动电机
传动组件间采用 DRIVE-CLiQ 链接
选件模块用来连接系统外设
电子铭牌检测各个传动组件