張鐵鋒，王收軍，陳廣來

ZHANGTie-feng, WANGShou-jun, CHENGuang-lai

(天津理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，天津 300191）

0 引言

造波機是港口工程試驗中重要的基礎(chǔ)設(shè)施，用來產(chǎn)生不同波長和波高的各種形式的波浪，實現(xiàn)模擬自然波浪、研究海浪對港口建筑或船舶影響的目的。吸收式造波機具有消除波浪的二次反射功能，更能真實的模擬海洋波浪的運動。其控制系統(tǒng)的硬件部分主要包括：工控機、D/A卡、控制卡、采集卡、伺服驅(qū)動器、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

對造波機運動的控制實際上是通過對伺服電機的控制來實現(xiàn)的。本系統(tǒng)采用IPC620 H型工控機，計算造波機控制信號。通過工控機計算出造波板的運動軌跡，然后通過8位D/A接口DAC 1230轉(zhuǎn)換成控制造波板運動的信號，傳送給驅(qū)動器來控制電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，實現(xiàn)造波機的運動調(diào)節(jié)數(shù)字化?？刂瓶ń邮针姍C編碼器的反饋信號，實時跟蹤造波板的運動位置，構(gòu)成反饋控制系統(tǒng)。波高傳感器實時采集造波板前的波高信號，并將該信號反饋給計算機，提取反射波以進行吸收式造波。造波機控制系統(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

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是數(shù)字量，為R S-422電平，經(jīng)過MC 3486轉(zhuǎn)換成單片機能接受的T T L電平。單片機89 C 2051通過串行口R X D引腳接受該信號，然后把接收到的數(shù)字量通過P 1口發(fā)送到74 H C 373鎖存器進行鎖存，而計算機通過實時的對該鎖存器的檢測讀取到相應(yīng)的數(shù)字量，然后根據(jù)工控機的計算提取反射波以進行吸收式造波。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

控制卡主要接收限位傳感器和編碼器脈沖反饋信號。造波板具有一定的量程，當(dāng)造波板運動超出了允許范圍時，接觸式行程開關(guān)即限位傳感器發(fā)出信號，此信號送入控制卡。為了提高系統(tǒng)的可靠性，增強抗干擾能力，使控制系統(tǒng)不受外部電路的變化的影響，需要加一個光電隔離器T I P 512，把單片機所需的數(shù)字信號和限位傳感器發(fā)出的信號隔離開。該信號通過T I P 512后，經(jīng)過一個六位導(dǎo)向器，最后進入74 H C 244鎖存器進行鎖存，當(dāng)計算機檢測到該鎖存器信號時切斷控制信號，使伺服電機停止運行。如圖3所示。對于伺服電機的故障報警、復(fù)位、使能、急停、限位等控制功能，計算機通過輸出高低電平到74 H C 373鎖存器進行鎖存，同樣從該鎖存器出來的信號也需要通過T I P 512進行光電隔離后再輸出到伺服驅(qū)動器中來實現(xiàn)相應(yīng)的動作。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

本系統(tǒng)采用L X M05 A D 57 N 4型交流伺服電機驅(qū)動器，該系統(tǒng)具有2個±10 V模擬信號輸入，和一個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)動器內(nèi)部與電機可以構(gòu)成三個閉環(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)電機編碼器的反饋信號自動調(diào)整P I D參數(shù)。在本造波機控制系統(tǒng)中，伺服電機輸出軸上的旋轉(zhuǎn)編碼器與伺服驅(qū)動器構(gòu)成內(nèi)部速度環(huán)以保證伺服電機的平穩(wěn)運行和速度控制精度；工控微機通過控制卡接收編碼器的反饋信號來完成伺服控制系統(tǒng)的位置反饋, 構(gòu)成位置閉環(huán)控制。編碼器脈沖信號也是通過MC 3486把該信號的422電平轉(zhuǎn)換成單片機能接收受的T T L電平，再發(fā)送到另外一個89 C 2051單片機的R X D引腳，單片機再把接收到的數(shù)字量通過P1口發(fā)送到74 H C 373鎖存器，將編碼器將推波板實時的位移變化量傳輸?shù)焦た匚C中進行編碼器脈沖計數(shù)，以獲得數(shù)字化位置信息，實時跟蹤推波板的位置，保證推波板快速、準確地定位。采用雙閉環(huán)控制方式，即在位置反饋的同時，也構(gòu)成了速度反饋（優(yōu)先級次于位置反饋），使伺服電機運動平穩(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

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

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