基于单片机的吸收式造波机控制系统硬件设计

张铁锋，王收军，陈广来

ZHANGTie-feng, WANGShou-jun, CHENGuang-lai

(天津理工大学 机械工程学院，天津 300191）

0 引言

造波机是港口工程试验中重要的基础设施，用来产生不同波长和波高的各种形式的波浪，实现模拟自然波浪、研究海浪对港口建筑或船舶影响的目的。吸收式造波机具有消除波浪的二次反射功能，更能真实的模拟海洋波浪的运动。其控制系统的硬件部分主要包括：工控机、D/A卡、控制卡、采集卡、伺服驱动器、限位传感器与水位传感器等。

1 控制系统的硬件电路设计

对造波机运动的控制实际上是通过对伺服电机的控制来实现的。本系统采用IPC620 H型工控机，计算造波机控制信号。通过工控机计算出造波板的运动轨迹，然后通过8位D/A接口DAC 1230转换成控制造波板运动的信号，传送给驱动器来控制电机的转速和转向，实现造波机的运动调节数字化。控制卡接收电机编码器的反馈信号，实时跟踪造波板的运动位置，构成反馈控制系统。波高传感器实时采集造波板前的波高信号，并将该信号反馈给计算机，提取反射波以进行吸收式造波。造波机控制系统的结构如图1所示。

图1 控制系统结构图

1.1 波高采集卡的设计

本系统采用的波高传感器是自主研发的电容式波高传感器。该传感器的输出信号是数字量，为R S-422电平，经过MC 3486转换成单片机能接受的T T L电平。单片机89 C 2051通过串行口R X D引脚接受该信号，然后把接收到的数字量通过P 1口发送到74 H C 373锁存器进行锁存，而计算机通过实时的对该锁存器的检测读取到相应的数字量，然后根据工控机的计算提取反射波以进行吸收式造波。硬件电路如图2所示。

图2 波高传感器采集卡电路

1.2 控制卡的设计

控制卡主要接收限位传感器和编码器脉冲反馈信号。造波板具有一定的量程，当造波板运动超出了允许范围时，接触式行程开关即限位传感器发出信号，此信号送入控制卡。为了提高系统的可靠性，增强抗干扰能力，使控制系统不受外部电路的变化的影响，需要加一个光电隔离器T I P 512，把单片机所需的数字信号和限位传感器发出的信号隔离开。该信号通过T I P 512后，经过一个六位导向器，最后进入74 H C 244锁存器进行锁存，当计算机检测到该锁存器信号时切断控制信号，使伺服电机停止运行。如图3所示。对于伺服电机的故障报警、复位、使能、急停、限位等控制功能，计算机通过输出高低电平到74 H C 373锁存器进行锁存，同样从该锁存器出来的信号也需要通过T I P 512进行光电隔离后再输出到伺服驱动器中来实现相应的动作。如图3所示。

图3 控制卡电路

1.3 伺服控制系统的设计

本系统采用L X M05 A D 57 N 4型交流伺服电机驱动器，该系统具有2个±10 V模拟信号输入，和一个R S 422(A/B)增量编码器或脉冲/方向输入，该输入还可以作为编码器仿真输出(E S I M)。伺服控制系统各种模式的构成如图4所示，在L X M05驱动器内部与电机可以构成三个闭环：电流环、速度环和位置环，控制电路采用P I D控制方式，根据电机编码器的反馈信号自动调整P I D参数。在本造波机控制系统中，伺服电机输出轴上的旋转编码器与伺服驱动器构成内部速度环以保证伺服电机的平稳运行和速度控制精度；工控微机通过控制卡接收编码器的反馈信号来完成伺服控制系统的位置反馈, 构成位置闭环控制。编码器脉冲信号也是通过MC 3486把该信号的422电平转换成单片机能接收受的T T L电平，再发送到另外一个89 C 2051单片机的R X D引脚，单片机再把接收到的数字量通过P1口发送到74 H C 373锁存器，将编码器将推波板实时的位移变化量传输到工控微机中进行编码器脉冲计数，以获得数字化位置信息，实时跟踪推波板的位置，保证推波板快速、准确地定位。采用双闭环控制方式，即在位置反馈的同时，也构成了速度反馈（优先级次于位置反馈），使伺服电机运动平稳，避免了丢步现象，提高了伺服系统的控制精度。

图4 控制系统框图

2 结束语

本文研究了基于单片机的吸收式造波机的硬件电路设计。根据设置的波浪参数计算造波数据，生成造波机控制信号，发送给伺服控制器，控制伺服电机带动造波板进行造波，而伺服电机的编码器将推波板实时的位移变化量传输到工控微机中，以获得数字化位置信息，实时跟踪推波板的位置。同时，通过单片机对各种传感器输入信号的实时采集以提取反馈信号，并将该信号以反相形式叠加到控制信号中去，实现吸收式造波的功能。

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