基于單片機的吸收式造波機控制系統硬件設計

張鐵鋒，王收軍，陳廣來

ZHANGTie-feng, WANGShou-jun, CHENGuang-lai

(天津理工大學 機械工程學院，天津 300191）

0 引言

造波機是港口工程試驗中重要的基礎設施，用來產生不同波長和波高的各種形式的波浪，實現模擬自然波浪、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。其控制系統的硬件部分主要包括：工控機、D/A卡、控制卡、采集卡、伺服驅動器、限位傳感器與水位傳感器等。

1 控制系統的硬件電路設計

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的。本系統采用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轉換成控制造波板運動的信號，傳送給驅動器來控制電機的轉速和轉向，實現造波機的運動調節數字化。控制卡接收電機編碼器的反饋信號，實時跟蹤造波板的運動位置，構成反饋控制系統。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。造波機控制系統的結構如圖1所示。

圖1 控制系統結構圖

1.1 波高采集卡的設計

本系統采用的波高傳感器是自主研發的電容式波高傳感器。該傳感器的輸出信號是數字量，為R S-422電平，經過MC 3486轉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，然后把接收到的數字量通過P 1口發送到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的數字量，然后根據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，當造波板運動超出了允許范圍時，接觸式行程開關即限位傳感器發出信號，此信號送入控制卡。為了提高系統的可靠性，增強抗干擾能力，使控制系統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，把單片機所需的數字信號和限位傳感器發出的信號隔離開。該信號通過T I P 512后，經過一個六位導向器，最后進入74 H C 244鎖存器進行鎖存，當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動器中來實現相應的動作。如圖3所示。

圖3 控制卡電路

1.3 伺服控制系統的設計

本系統采用L X M05 A D 57 N 4型交流伺服電機驅動器，該系統具有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)。伺服控制系統各種模式的構成如圖4所示，在L X M05驅動器內部與電機可以構成三個閉環：電流環、速度環和位置環，控制電路采用P I D控制方式，根據電機編碼器的反饋信號自動調整P I D參數。在本造波機控制系統中，伺服電機輸出軸上的旋轉編碼器與伺服驅動器構成內部速度環以保證伺服電機的平穩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的位置反饋, 構成位置閉環控制。編碼器脈沖信號也是通過MC 3486把該信號的422電平轉換成單片機能接收受的T T L電平，再發送到另外一個89 C 2051單片機的R X D引腳，單片機再把接收到的數字量通過P1口發送到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到工控微機中進行編碼器脈沖計數，以獲得數字化位置信息，實時跟蹤推波板的位置，保證推波板快速、準確地定位。采用雙閉環控制方式，即在位置反饋的同時，也構成了速度反饋（優先級次于位置反饋），使伺服電機運動平穩，避免了丟步現象，提高了伺服系統的控制精度。

圖4 控制系統框圖

2 結束語

本文研究了基于單片機的吸收式造波機的硬件電路設計。根據設置的波浪參數計算造波數據，生成造波機控制信號，發送給伺服控制器，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到工控微機中，以獲得數字化位置信息，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，實現吸收式造波的功能。

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