張鐵鋒，王收軍，陳廣來(lái)

ZHANGTie-feng, WANGShou-jun, CHENGuang-lai

(天津理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300191）

0 引言

造波機(jī)是港口工程試驗(yàn)中重要的基礎(chǔ)設(shè)施，用來(lái)產(chǎn)生不同波長(zhǎng)和波高的各種形式的波浪，實(shí)現(xiàn)模擬自然波浪、研究海浪對(duì)港口建筑或船舶影響的目的。吸收式造波機(jī)具有消除波浪的二次反射功能，更能真實(shí)的模擬海洋波浪的運(yùn)動(dòng)。其控制系統(tǒng)的硬件部分主要包括：工控機(jī)、D/A卡、控制卡、采集卡、伺服驅(qū)動(dòng)器、限位傳感器與水位傳感器等。

1 控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)

對(duì)造波機(jī)運(yùn)動(dòng)的控制實(shí)際上是通過(guò)對(duì)伺服電機(jī)的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。本系統(tǒng)采用IPC620 H型工控機(jī)，計(jì)算造波機(jī)控制信號(hào)。通過(guò)工控機(jī)計(jì)算出造波板的運(yùn)動(dòng)軌跡，然后通過(guò)8位D/A接口DAC 1230轉(zhuǎn)換成控制造波板運(yùn)動(dòng)的信號(hào)，傳送給驅(qū)動(dòng)器來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)造波機(jī)的運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)數(shù)字化。控制卡接收電機(jī)編碼器的反饋信號(hào)，實(shí)時(shí)跟蹤造波板的運(yùn)動(dòng)位置，構(gòu)成反饋控制系統(tǒng)。波高傳感器實(shí)時(shí)采集造波板前的波高信號(hào)，并將該信號(hào)反饋給計(jì)算機(jī)，提取反射波以進(jìn)行吸收式造波。造波機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 波高采集卡的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用的波高傳感器是自主研發(fā)的電容式波高傳感器。該傳感器的輸出信號(hào)是數(shù)字量，為R S-422電平，經(jīng)過(guò)MC 3486轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能接受的T T L電平。單片機(jī)89 C 2051通過(guò)串行口R X D引腳接受該信號(hào)，然后把接收到的數(shù)字量通過(guò)P 1口發(fā)送到74 H C 373鎖存器進(jìn)行鎖存，而計(jì)算機(jī)通過(guò)實(shí)時(shí)的對(duì)該鎖存器的檢測(cè)讀取到相應(yīng)的數(shù)字量，然后根據(jù)工控機(jī)的計(jì)算提取反射波以進(jìn)行吸收式造波。硬件電路如圖2所示。

圖2 波高傳感器采集卡電路

1.2 控制卡的設(shè)計(jì)

控制卡主要接收限位傳感器和編碼器脈沖反饋信號(hào)。造波板具有一定的量程，當(dāng)造波板運(yùn)動(dòng)超出了允許范圍時(shí)，接觸式行程開(kāi)關(guān)即限位傳感器發(fā)出信號(hào)，此信號(hào)送入控制卡。為了提高系統(tǒng)的可靠性，增強(qiáng)抗干擾能力，使控制系統(tǒng)不受外部電路的變化的影響，需要加一個(gè)光電隔離器T I P 512，把單片機(jī)所需的數(shù)字信號(hào)和限位傳感器發(fā)出的信號(hào)隔離開(kāi)。該信號(hào)通過(guò)T I P 512后，經(jīng)過(guò)一個(gè)六位導(dǎo)向器，最后進(jìn)入74 H C 244鎖存器進(jìn)行鎖存，當(dāng)計(jì)算機(jī)檢測(cè)到該鎖存器信號(hào)時(shí)切斷控制信號(hào)，使伺服電機(jī)停止運(yùn)行。如圖3所示。對(duì)于伺服電機(jī)的故障報(bào)警、復(fù)位、使能、急停、限位等控制功能，計(jì)算機(jī)通過(guò)輸出高低電平到74 H C 373鎖存器進(jìn)行鎖存，同樣從該鎖存器出來(lái)的信號(hào)也需要通過(guò)T I P 512進(jìn)行光電隔離后再輸出到伺服驅(qū)動(dòng)器中來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的動(dòng)作。如圖3所示。

圖3 控制卡電路

1.3 伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用L X M05 A D 57 N 4型交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，該系統(tǒng)具有2個(gè)±10 V模擬信號(hào)輸入，和一個(gè)R S 422(A/B)增量編碼器或脈沖/方向輸入，該輸入還可以作為編碼器仿真輸出(E S I M)。伺服控制系統(tǒng)各種模式的構(gòu)成如圖4所示，在L X M05驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部與電機(jī)可以構(gòu)成三個(gè)閉環(huán)：電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)，控制電路采用P I D控制方式，根據(jù)電機(jī)編碼器的反饋信號(hào)自動(dòng)調(diào)整P I D參數(shù)。在本造波機(jī)控制系統(tǒng)中，伺服電機(jī)輸出軸上的旋轉(zhuǎn)編碼器與伺服驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成內(nèi)部速度環(huán)以保證伺服電機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行和速度控制精度；工控微機(jī)通過(guò)控制卡接收編碼器的反饋信號(hào)來(lái)完成伺服控制系統(tǒng)的位置反饋, 構(gòu)成位置閉環(huán)控制。編碼器脈沖信號(hào)也是通過(guò)MC 3486把該信號(hào)的422電平轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能接收受的T T L電平，再發(fā)送到另外一個(gè)89 C 2051單片機(jī)的R X D引腳，單片機(jī)再把接收到的數(shù)字量通過(guò)P1口發(fā)送到74 H C 373鎖存器，將編碼器將推波板實(shí)時(shí)的位移變化量傳輸?shù)焦た匚C(jī)中進(jìn)行編碼器脈沖計(jì)數(shù)，以獲得數(shù)字化位置信息，實(shí)時(shí)跟蹤推波板的位置，保證推波板快速、準(zhǔn)確地定位。采用雙閉環(huán)控制方式，即在位置反饋的同時(shí)，也構(gòu)成了速度反饋（優(yōu)先級(jí)次于位置反饋），使伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，避免了丟步現(xiàn)象，提高了伺服系統(tǒng)的控制精度。

圖4 控制系統(tǒng)框圖

2 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了基于單片機(jī)的吸收式造波機(jī)的硬件電路設(shè)計(jì)。根據(jù)設(shè)置的波浪參數(shù)計(jì)算造波數(shù)據(jù)，生成造波機(jī)控制信號(hào)，發(fā)送給伺服控制器，控制伺服電機(jī)帶動(dòng)造波板進(jìn)行造波，而伺服電機(jī)的編碼器將推波板實(shí)時(shí)的位移變化量傳輸?shù)焦た匚C(jī)中，以獲得數(shù)字化位置信息，實(shí)時(shí)跟蹤推波板的位置。同時(shí)，通過(guò)單片機(jī)對(duì)各種傳感器輸入信號(hào)的實(shí)時(shí)采集以提取反饋信號(hào)，并將該信號(hào)以反相形式疊加到控制信號(hào)中去，實(shí)現(xiàn)吸收式造波的功能。

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