西门子伺服驱动系统分析

周文

（上海振华重工电气有限公司，上海 200125）

多年来，西门子公司一直在满足产品高品质需求的同时追求卓越，希望通过更优化的成本与更快速的产品投放速度占据机械设备市场，成为顶级机械设备制造商。在当今机械设备制造产业中，兼具直观操作与高效组态系统建设已经成为大势所趋，所以结构紧凑、功能强大且易用的SINAMICS S210 伺服驱动系统应运而生。

1 西门子SINAMICS S210 伺服驱动系统简介

1.1 产品基本情况

西门子公司在2017 年全新开发的SINAMICS S210 伺服驱动器与SIMOTICS S-1FK2 电机共同组成了一套完整的伺服驱动系统。系统中就涵盖了5 个功率等级，分布于50 ～750W 功率范围。SINAMICS S210 伺服驱动器整体集成了大量丰富的安全功能内容，能够实现快速工程组态，它主要通过Profinet 连接到上位控制器部分，较好地结合Web 服务器与一键优化功能实现了调试工作优化简化，可与Simotics 伺服电机配合使用，实现小负载状态下的高动态相应运动与中高负荷超精密运动。在整个设计结构中，SINAMICS S210 伺服驱动器与SIMOTICS S-1FK2 电机相互之间只通过一根电缆连接，真正做到了简单连接结构承载丰富功能。目前，西门子的这一全新伺服驱动服务系统已经被广泛应用于机械包装、物料抓取、木材陶瓷加工、数字印刷等重要加工服务领域。

1.2 产品外观

图1 西门子SINAMICS S210 伺服驱动系统产品外观

图1 为西门子SINAMICS S210 伺服器驱动系统产品外观，其中左边为SINAMICS S210 伺服驱动器，右边为SIMOTICS S-1FK2 电机，整个产品外观造型与结构样式基本上与当前市面上的大部分同类产品类似，属于典型的单轴独立型伺服驱动器，其中每台驱动器都拥有自己相对独立的AC 电源输入接口和输出轴。同时，它的正面接口布局中规中矩，上方黑色翻盖部分为显示操作面板，下方为系统的电机动力输出与编码器反馈部分，中部偏左位置为动力与控制电源输入部分，而中部偏右为通讯及I/O 信号端口。

整体来看，该伺服器驱动系统的设计布局相对平淡，但它其中只通过一根电缆连接系统中两大设备则相对特别，这是之前的伺服器驱动系统设计中所没有的设计尝试。

1.3 产品技术参数

在发布SINAMICS S210 伺服驱动系统以后，西门子也随即发布了该产品的系统技术参数。首先是功率范围，系统中SINAMICS S210 S210 伺服驱动器的功率范围包括2 种，分别为1AC 230V，0.1 ～0.75kW；SIMOTICS S-1FK2 电机的功率范围为0.05 ～0.75kW 以及0.4 ～7kW。

再者是通讯方面，该系统可被应用于PROFINET IRT、PROFisafe 以及PROFlenergy 等多个领域中，整体表现为通讯功能强大易用。同时它目前还可被应用于Web server 以及Startdrive 调试工程中。

最后，该系统拥有电磁波过滤器，其中集成了1AC 230V class C2 以及3AC 400V class C3 两种形式。

在电机设计方面，系统采用了SPEED-CONNECT 快速锁定紧固件与紧凑可旋转插头设计，其中连接电缆可允许连接最长长度达到50m。电机设计中还采用到了典型控制器SIMATICS S7-1500T-CPU，其中就包含了高动态型地转子惯量（电机轴高20 ～63mm）以及紧凑型低等转子惯量（电机轴高30 ～100mm）。另外，在电机选件方面采用到了抱闸、滑键、旋转轴封以及单圈及多圈编码器系统。

1.4 产品功能优势

SIMATICS S210 伺服驱动系统之所以能够获得德国设计大奖“红点”殊荣，是因为它在基础功能方面表现出了诸多惊艳之处。

（1）便捷化连接。如上文所述，连接SIMATICS S210伺服驱动器与SIMOTICS S-1FK2 电机的仅为一根OCC 电缆，该OCC 电缆中为动力电缆，同时兼顾编码器信号电缆与抱闸电缆功能，整条动力电缆直径仅为9mm，并附带一个连接插头。

OCC 电缆横截面较小，相比之前西门子推出的伺服驱动系统的电缆更轻、更细、更灵活，这为整个系统的布线过程简化提供了较大便利。相比传统牵引链导体，该系统的紧凑型单电缆连接将弯曲半径彻底缩小50%左右。同时，它的连接插头采用到了坚固耐用设计，高度为25mm，易转动且操作简便。在电缆插头部分该系统专门设置了用户友好型自锁插头，该插头位于伺服驱动器正面的推进式终端位置，方便日常检修维护与拆卸，所以整体来看，其系统布线极其简单。

（2）简易化调试。SIMATICS S210 伺服驱动系统的整体调试简便，其中的电机与驱动器两部分都借助Webserver与一键优化来实现系统调试过程简化。具体来说，首先通过Webserver 调试无须安装任何软件，大幅度减少1/3 调试时间。而其调试界面则相当友好人性化，不但可显示内容丰富，易于轻松上手，而且还专门配置了一键优化功能，可实现控制参数自动优化，满足系统运行的诸多动态性能要求。

（3）安全性优化。SINAMICS S210 伺服驱动器集成了较为强大且多元的安全功能内容，它其中就包含了STO（安全转矩关断）、SS1（安全停止1）、STO 以及SS1 等安全功能模块，它们都能通过PROFIsafe 执行模块功能内容，而其中的STO 更能通过端子启动，非常方便。目前系统安全功能体系还在研发升级准备阶段，预计在以后还会展示更多的功能。

（4）高度动态控制。SINAMICS S210 伺服驱动器系统的电机轴部分可实现高度动态控制，它能够与系统中的典型控制器系统相互连接，完成从简单定位到复杂运动的整个控制过程，这一系列操作所采用的正是集成Web 服务器，在实现对驱动伺服器的动态调试以后，再通过一键自动优化功能展现不同机械负载状态下的动态系数，满足系统自动优化控制参数要求。目前在系统中，它已经展示的集成安全功能就包括“安全扭矩断开”与“安全停止SS1”两项重要动态控制功能。系统的高度动态控制，再配合伺服驱动器的快速采样功能、智能控制算法、高级编码器控制、低转子惯量与高过载操作等就能大幅度提高系统整体运动精度与动态性能。目前系统可配置的电机类型较多，其中就包含了拥有20mm、30mm、40mm 3 种中心高度的伺服驱动系统电机。

2 西门子SINAMICS S210 伺服驱动系统的典型应用简析

SINAMICS S210 伺服驱动系统是可投入于诸多典型应用生产工作环境中的，例如，它在包装机械、三坐标机械手搬运抓取、陶瓷、木工加工以及数字印刷等等领域都有广泛应用，这表现了它极强的生产应用功能兼容性。

2.1 集成运动控制与安全控制功能应用

就以陶瓷、木工加工生产为例，SINAMICS S210 伺服驱动系统就采用了集成总线通讯端口PROFINET IRT 中的以太网时钟同步功能进行加工作业实时动态控制，再配合上位运动控制器满足某些复杂动态同步控制功能。在这里，西门子公司采用了相当成熟的SIMOTION CU 控制单元，可完美地配合兼容SIMATIC S7-1500 典型控制器的T-CPU 核心控制部分。

除了合理运用到PROFINET 集成运动控制功能以外，系统还同时集成了安全控制PROFlsafe 与能源管理PROFlenergy 功能，两项功能可实现系统安全控制组件与系统本身的安全联锁连接，为提高陶瓷及木工生产加工安全水平。对整个系统的运营及维护时间成本节约也大有帮助。另外，借助系统所继承的PROFlenergy 功能，各个伺服轴的运控能耗分析数据也可得以有效整合，确保功能自然合理融入企业生产工厂与生产设备能源管理系统中，它可以帮助对企业生产设备一线运行底层产品元器件的能源使用状况集中分析、动态监控与精细化管理。

2.2 “一键式”整定功能应用

SINAMICS S210 伺服驱动系统的另一生产功能应用就是“一键式”整定功能应用，它基于整定运动控制系统特性合理调控复杂控制环参数，有效减少手动控制操作流程，只通过调试界面动态性操作技能形成一整套生产运动控制策略，确保系统在各项典型应用中都能自动完成控制环调整与运控特性参数有效优化。在以前的西门子家伺服驱动系统中，是不具备“一键式”整定功能的，所以此次新系统加入该功能实属一大突破，它提高了伺服驱动系统在工业生产中的产品运控易用性，也相应提高了木工、陶瓷加工的生产安全性。

3 结语

相比之下，这款SINAMICS S210 伺服驱动系统与西门子公司所发布的V90 PN 在外观、功率段等方面极为类似，但在基本功能应用与典型应用方面有所强化，这为该产品给出了更高的市场定位。目前，它已经被各个工业生产领域所广泛应用，体现了较高的系统功能应用价值，成为西门子家在机械设备市场的又一成功典范。