西門子運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)及工程應(yīng)用

運(yùn)動(dòng)控制起源于早期的伺服控制（Servomechanism）。運(yùn)動(dòng)控制就是對機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件的位置、速度等進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制管理，使其按照預(yù)期的運(yùn)動(dòng)軌跡和規(guī)定的運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行動(dòng)作。

自上世紀(jì)80年代運(yùn)動(dòng)控制器得以應(yīng)用以來，經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段。階段，以單片機(jī)和微處理器為核心的運(yùn)動(dòng)控制器，在一些需要點(diǎn)位控制、對軌跡要求不高的輪廓控制中有所應(yīng)用；第二階段是以芯片為核心處理器的運(yùn)動(dòng)控制器。由于可以驅(qū)動(dòng)多軸聯(lián)動(dòng)，應(yīng)用到了激光加工、紡織設(shè)備、電子產(chǎn)品加工等領(lǐng)域；第三階段是基于PC總線、以DSP為核心的開放性運(yùn)動(dòng)控制器。這類運(yùn)動(dòng)控制器充分利用DSP的高速數(shù)據(jù)處理功能和配套器件*的邏輯處理能力，提供了多軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)和復(fù)雜的軌跡規(guī)劃、實(shí)時(shí)插補(bǔ)運(yùn)算、誤差補(bǔ)償、伺服濾波等功能，能夠?qū)崿F(xiàn)多軸伺服驅(qū)動(dòng)、實(shí)時(shí)控制管理，而且方便使用者按實(shí)際工程要求進(jìn)行個(gè)性化參數(shù)設(shè)置。

近年來，隨著運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的不斷創(chuàng)新和完善，基于PC總線的通用多軸聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制器作為一個(gè)獨(dú)立的工業(yè)自動(dòng)化控制類產(chǎn)品，得到了迅猛發(fā)展，被越來越多的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域接受，已經(jīng)達(dá)到一個(gè)引人矚目的市場規(guī)模。這種多軸聯(lián)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)控制器，具有以下特點(diǎn)：

（1）硬件配置簡單。按工程要求選用合適的運(yùn)動(dòng)控制器、計(jì)算機(jī)或工控機(jī)，插入PC總線，聯(lián)接信號線即可構(gòu)成硬件控制系統(tǒng)；

（2）可以使用PC機(jī)及其上位軟件。完成運(yùn)動(dòng)控制器參數(shù)配置后，控制系統(tǒng)還可利用豐富的計(jì)算機(jī)資源；

（3）同一公司生產(chǎn)的運(yùn)動(dòng)控制器，其軟件代碼通用性能好，可移植性高。

目前運(yùn)動(dòng)控制器的代表產(chǎn)品有：西門子SIMOTION運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、美國Delta運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、臺(tái)達(dá)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、研華運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、固高運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、眾為興運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)等等。這些運(yùn)動(dòng)控制器的差異，主要表現(xiàn)在硬件接口（輸入/輸出信號種類、性能）、軟件接口（運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)庫、功能函數(shù)）的不同。

西門子SIMOTION運(yùn)動(dòng)控制器，是一系列特色的運(yùn)動(dòng)控制器產(chǎn)品。完整的SIMOTION運(yùn)動(dòng)控制由“一套系統(tǒng)”來完成所有的控制任務(wù)，特別適用于要求多部件聯(lián)動(dòng)機(jī)械設(shè)備的運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)。一套完整的西門子SIMOTION運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，無論是C系列、 D系列還是P系列，均由三部分組成：即硬件平臺(tái)、工程開發(fā)系統(tǒng)（參數(shù)設(shè)置模塊）和實(shí)時(shí)軟件模塊。

SIMOTION各種運(yùn)動(dòng)控制器均使用同一種工程開發(fā)工具，實(shí)際工程中需要根據(jù)控制任務(wù)性質(zhì)，選擇運(yùn)動(dòng)控制器類型，即西門子運(yùn)動(dòng)控制器具有針對特定應(yīng)用領(lǐng)域的優(yōu)勢。C\D\P型運(yùn)動(dòng)控制器的區(qū)別在于：

（1） SIMOTION C控制器采用S7-300 PLC模塊化設(shè)計(jì)。該系列運(yùn)動(dòng)控制器具有多個(gè)模擬量驅(qū)動(dòng)/步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)接口用于連接驅(qū)動(dòng)器，而且?guī)в腥舾蓴?shù)字量輸入及輸出端口。應(yīng)用時(shí)，可以擴(kuò)展S7-300的I/O模板及功能模板。 C系列具有*的靈活性，可以滿足許多工程應(yīng)用領(lǐng)域的要求；

（2） SIMOTION D系列運(yùn)動(dòng)控制器是緊湊型系統(tǒng)，特點(diǎn)是集成了SINAMIC S多軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在控制模板上，成為一個(gè)極其緊湊的、擁有控制器及驅(qū)動(dòng)器的系統(tǒng)。該系列運(yùn)動(dòng)控制器將運(yùn)動(dòng)控制與驅(qū)動(dòng)器功能集成在一起，因此系統(tǒng)具有極快的響應(yīng)速度，SIMOTION D特別適應(yīng)于小型機(jī)械；

（3） SIMOTION P 系列針對有開放性需求的控制任務(wù)，是基于PC的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。采用具有實(shí)時(shí)處理能力的PC操作系統(tǒng)，除了完成SIMOTION控制任務(wù)之外，也能執(zhí)行其它的PC應(yīng)用程序，如操作員監(jiān)控、過程數(shù)據(jù)分析、標(biāo)準(zhǔn)PC應(yīng)用等等。

無論SIMOTION C型、SIMOTION D型、還是SIMOTION P型，其PC平臺(tái)和系統(tǒng)資源相同，而且工程開發(fā)過程相似。此外，不同的硬件平臺(tái)可以組合在一起，用于處理更為復(fù)雜的控制任務(wù)，因而具有功能搭配靈活，針對性強(qiáng)的特點(diǎn)。

本書選用SIMOTION C系列中的C240，是基于這款控制器應(yīng)用性廣泛、靈活性強(qiáng)、性價(jià)比好等因素的考慮。這款控制器集成了運(yùn)動(dòng)控制模塊，執(zhí)行元件可以是伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)，也可以是變頻電機(jī)或液壓驅(qū)動(dòng)元件。技術(shù)人員需要了解具體被控對象的工藝要求、參數(shù)設(shè)置模塊和實(shí)時(shí)軟件模塊。C240應(yīng)用已遍及眾多領(lǐng)域，特別是交流伺服的多軸控制系統(tǒng)中，它能充分利用計(jì)算機(jī)資源，方便實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃完成既定運(yùn)動(dòng)和高精度伺服驅(qū)動(dòng)。

書中內(nèi)容從西門子運(yùn)動(dòng)控制器的工程應(yīng)用出發(fā)，以清晰易懂的運(yùn)動(dòng)控制功能描述、結(jié)合多個(gè)典型案例，全面介紹了西門子運(yùn)動(dòng)控制器SIMOTION C240。本書典型案例來源于編者做過的工程項(xiàng)目，并查閱了大量公開和內(nèi)部發(fā)行的資料。編者從實(shí)際工程應(yīng)用的需要出發(fā)，有的放矢地介紹SIMOTION C系列中的C240系統(tǒng)構(gòu)成、調(diào)試、參數(shù)設(shè)置等應(yīng)用技術(shù)，相信讀者在掌握了C240控制器基本原理和應(yīng)用技能的基礎(chǔ)上，可以較快地掌握其他型號的運(yùn)動(dòng)控制器控制復(fù)雜設(shè)備的方法。