戚 磊 陳 趙 潘瓊文 崔 巖 韓

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七0二研究所，江蘇 無錫 214082）

CAN總線造波機(jī)測(cè)控系統(tǒng)研制與應(yīng)用

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七0二研究所，江蘇 無錫 214082）

為了更準(zhǔn)確地模擬波浪對(duì)物體的影響，設(shè)計(jì)并研制了CAN總線造波機(jī)測(cè)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)由工控機(jī)、交流伺服控制器、伺服電機(jī)等主要部件組成，采用CAN總線通信。硬件方面設(shè)計(jì)了電氣控制柜，軟件方面設(shè)計(jì)了人機(jī)操作界面，造波環(huán)節(jié)采用位置閉環(huán)控制，波浪測(cè)量環(huán)節(jié)采用開環(huán)控制。實(shí)際應(yīng)用中系統(tǒng)測(cè)控能力強(qiáng)，所測(cè)波浪數(shù)據(jù)穩(wěn)定性好、精度高，驗(yàn)證了該系統(tǒng)具有優(yōu)越的測(cè)控性能及造波性能。

CAN總線 交流伺服 造波機(jī) 測(cè)控系統(tǒng) 人機(jī)界面

0 引言

造波機(jī)是一種與海浪試驗(yàn)水池配套的基礎(chǔ)設(shè)施。它的作用是在試驗(yàn)水池中造成不同波長(zhǎng)和波高的波浪，模擬實(shí)際波浪對(duì)船舶或建筑等的影響，以測(cè)定各種技術(shù)數(shù)據(jù)，為相關(guān)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。造波機(jī)形式多樣，包括搖板、推板、沖箱、壓縮空氣等，實(shí)現(xiàn)方式有電液伺服、交流伺服電機(jī)等［1－2］。無論哪種形式的造波機(jī)，其測(cè)控系統(tǒng)始終是整個(gè)造波機(jī)的靈魂。測(cè)控系統(tǒng)的品質(zhì)決定了造波機(jī)的品質(zhì)，包括波浪種類、精度、穩(wěn)定性以及操作便易度、安全性能等。

本文所研制的造波機(jī)測(cè)控系統(tǒng)是應(yīng)用于試驗(yàn)水槽的推板式造波機(jī)。該測(cè)控系統(tǒng)是以基于CAN總線通信的伺服電動(dòng)機(jī)來實(shí)現(xiàn)的。系統(tǒng)具有操作方便、穩(wěn)定可靠、控制精確等特點(diǎn)，所制波浪具有高度高、穩(wěn)定性好、精度高等特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本測(cè)控系統(tǒng)由上位機(jī)、CAN通信適配卡、交流伺服控制器、交流伺服電機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器、造波推板、浪高儀、A/D采集卡等組成，如圖1所示。

圖1 測(cè)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of themeasuring and controlling system

測(cè)控系統(tǒng)在造波測(cè)控部分采用位置閉環(huán)控制。上位機(jī)通過CAN通信適配卡與交流伺服控制器建立CAN通信連接，上位機(jī)以CAN總線通信方式下發(fā)控制指令至伺服控制器。伺服控制器與伺服電機(jī)之間通過動(dòng)力電源線建立動(dòng)力連接，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。由旋轉(zhuǎn)變壓器檢測(cè)電機(jī)實(shí)際相位并通過信號(hào)線反饋至伺服控制器。伺服控制器將電機(jī)相位、伺服狀態(tài)、報(bào)警信號(hào)等實(shí)時(shí)信息以 CAN總線通信上傳至上位機(jī)，形成閉環(huán)控制。

測(cè)控系統(tǒng)在波浪測(cè)量部分采用開環(huán)控制。上位機(jī)發(fā)出波浪采集指令，由浪高儀對(duì)實(shí)際波浪進(jìn)行采集，通過A/D采集卡上傳至上位機(jī)，進(jìn)行記錄分析并保存。

2 CAN總線通信設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

在測(cè)控系統(tǒng)中，上位機(jī)是大腦，交流伺服控制器是心臟，兩者之間的通信至關(guān)重要。本設(shè)計(jì)采用CAN總線方式進(jìn)行通信。

設(shè)計(jì)中選用倫茨伺服9300系列伺服控制器。利用伺服控制器自帶的CAN功能模塊，通過相應(yīng)配置即可實(shí)現(xiàn)CAN通信。上位機(jī)配備一塊CAN通信適配卡，選用PCI-7841，即插即用。同時(shí)，其自帶相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)函數(shù)庫，可進(jìn)行簡(jiǎn)單調(diào)用，省去很多編程工序。

在伺服控制器中，CAN功能模塊相關(guān)參數(shù)設(shè)置至關(guān)重要。CAN通信時(shí)間依賴于以下幾個(gè)因素：控制器處理時(shí)間、報(bào)文時(shí)間、數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)、總線負(fù)荷等。其中，在設(shè)計(jì)中可設(shè)置的有控制器處理時(shí)間和報(bào)文時(shí)間兩個(gè)參數(shù)。參數(shù)數(shù)據(jù)處理時(shí)間大約為30～50ms，過程數(shù)據(jù)大約需1～2ms；報(bào)文時(shí)間受波特率和報(bào)文長(zhǎng)度影響，這里波特率設(shè)為500 kbit/s。設(shè)置系統(tǒng)總線地址，通過C0358=1置位，可進(jìn)行基本通信。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

造波機(jī)測(cè)控系統(tǒng)硬件組成部分中電控柜是關(guān)鍵。上位機(jī)和執(zhí)行部件伺服電機(jī)通過電控柜建立連接，進(jìn)行控制與反饋。電控柜是以倫茨伺服控制器為核心來設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的。伺服控制器外圍電路原理圖如圖2所示。

圖2 伺服控制器外圍電路原理圖Fig.2 The peripheral circuit of the servo controller

為改善輸入電源品質(zhì)，在伺服控制器輸入電源前的主回路中采用了電抗器。

倫茨伺服控制器自身具備數(shù)字量輸入輸出端子模塊X5，可通過對(duì)系統(tǒng)參數(shù)C0114、C0117、C0118的設(shè)置，任意配置模塊X5中端子的高、低電平有效，使其作為控制信號(hào)和監(jiān)控信號(hào)使用。本設(shè)計(jì)通過配置，將這些端子用作使能控制、極限限位、運(yùn)行指示、故障報(bào)警等信號(hào)。

反饋系統(tǒng)采用旋轉(zhuǎn)變壓器對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速位置等信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，反饋信號(hào)通過輸入模塊X7接收。制動(dòng)系統(tǒng)采用制動(dòng)斬波器對(duì)瞬間多余的能量進(jìn)行處理，防止對(duì)設(shè)備造成損害。為保障輸入輸出信號(hào)質(zhì)量，所有的線纜均采用屏蔽電纜來實(shí)現(xiàn)。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

造波機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中，所有的測(cè)控指令都是通過上位計(jì)算機(jī)人機(jī)操作界面來輸入并下發(fā)，所有的實(shí)時(shí)反饋信息、測(cè)量采樣以及圖形曲線顯示都是通過人機(jī)操作界面來讀取。為此，采用VB軟件編制了本測(cè)控系統(tǒng)的人機(jī)操作界面控制系統(tǒng)。其主要由以下5個(gè)功能塊組成。

①CAN總線通信模塊。上位機(jī)測(cè)控系統(tǒng)與伺服控制器之間采用系統(tǒng)總線（CAN）通信。這里CAN協(xié)議采用的報(bào)文格式為標(biāo)準(zhǔn)格式。在標(biāo)準(zhǔn)格式中，首先是報(bào)文的起始位（SOF）；接著是由11位標(biāo)志符和遠(yuǎn)程發(fā)送請(qǐng)求位（RTR）組成的仲裁場(chǎng)；然后是6位的控制場(chǎng)，它包括標(biāo)志符擴(kuò)展位（IDE）、保留位、4個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度（DLC）；其次是8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)場(chǎng)；其后是一個(gè)循環(huán)冗余檢查（CRC）；應(yīng)答場(chǎng)（ACK）包括應(yīng)答位和應(yīng)答分隔符；最后是幀結(jié)束。

②狀態(tài)監(jiān)控模塊。監(jiān)控伺服通信、伺服準(zhǔn)備、伺服運(yùn)行、伺服故障、造波板零位、造波板前后極限、造波板位置狀態(tài)等信號(hào)。

③自動(dòng)尋零模塊。造波啟動(dòng)使能后，首先判斷造波板是否處于造波零位，若未處于零位，則自動(dòng)尋零，找到零位后才開始造波。

④規(guī)則波測(cè)控模塊。包括參數(shù)設(shè)置模塊、啟停模塊、采樣模塊、圖形曲線顯示模塊。在參數(shù)設(shè)置模塊中，設(shè)置規(guī)則波的輸入?yún)?shù)（頻率、波高或造波板沖程、時(shí)間）后，控制系統(tǒng)生成造波目標(biāo)曲線。當(dāng)造波啟動(dòng)使能后，若造波板處于零位，控制系統(tǒng)將目標(biāo)曲線以每10ms一個(gè)數(shù)據(jù)的速度發(fā)送至伺服控制器，伺服控制器同時(shí)接收旋轉(zhuǎn)變壓器反饋的電機(jī)數(shù)據(jù)。由此形成閉環(huán)控制，得到電機(jī)控制指令，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)完成造波任務(wù)。在造波過程中，圖形曲線顯示模塊將實(shí)時(shí)顯示由A/D轉(zhuǎn)換卡輸入得到的實(shí)際波高數(shù)據(jù)以及旋轉(zhuǎn)變壓器得到的造波板實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡。采樣模塊將對(duì)所需要的實(shí)際浪高數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄保存。

⑤極限位置保護(hù)模塊。判斷造波板是否位于極限位置。若位于極限位置，則發(fā)出報(bào)警，停止造波，并可根據(jù)提示操作，使造波板向該極限相反方向復(fù)位。

人機(jī)操作界面功能的實(shí)現(xiàn)是通過控制系統(tǒng)循環(huán)掃描、功能模塊調(diào)用來實(shí)現(xiàn)的。規(guī)則波造波實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示。

圖3 規(guī)則波造波實(shí)現(xiàn)流程圖Fig.3 Flowchart ofwavemaking for regular wave

規(guī)則波測(cè)控系統(tǒng)人機(jī)操作界面使能后，首先執(zhí)行CAN總線通信模塊，人機(jī)界面與伺服控制器之間以CAN總線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。調(diào)用狀態(tài)監(jiān)控模塊，控制系統(tǒng)以100 Hz的頻率循環(huán)掃描檢測(cè)CAN總線通信狀態(tài)、故障報(bào)警信號(hào)、造波板極限位置信號(hào)、造波板零位信號(hào)、控制器準(zhǔn)備狀態(tài)信號(hào)、運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)等。若出現(xiàn)故障報(bào)警信號(hào)，則及時(shí)停機(jī)，待故障清除后系統(tǒng)方可運(yùn)行。若造波板位于極限位置，則調(diào)用極限位置保護(hù)模塊，執(zhí)行其復(fù)位功能，使造波板向極限位置相反方向運(yùn)行。

執(zhí)行規(guī)則波測(cè)控模塊，輸入規(guī)則波參數(shù)，待造波啟動(dòng)使能后，調(diào)用自動(dòng)尋零模塊。造波板如為初次啟動(dòng)，則判斷其是否位于造波零位，如果不是零位，則自動(dòng)尋零。若找到零位，系統(tǒng)自動(dòng)記錄并退出尋零模塊，進(jìn)入規(guī)則波測(cè)控模塊繼續(xù)執(zhí)行造波命令，將規(guī)則波目標(biāo)數(shù)據(jù)循環(huán)下發(fā)至伺服控制器，控制造波；若未找到造波零位，則發(fā)出報(bào)警信號(hào)，造波停止。造波過程中，可執(zhí)行圖形曲線顯示模塊，實(shí)時(shí)查看造波板運(yùn)行軌跡曲線與實(shí)際波高曲線；可執(zhí)行規(guī)則波采樣模塊，對(duì)所需要的波高數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄保存。

5 系統(tǒng)應(yīng)用及數(shù)據(jù)分析

本文中所研制的造波機(jī)測(cè)控系統(tǒng)已成功應(yīng)用于多套水槽推板造波機(jī)中。在水深1 m的水槽試驗(yàn)中，部分實(shí)測(cè)波形如圖4所示。

圖4 實(shí)測(cè)波形圖Fig.4 Themeasured waves

圖4分別選取了該造波機(jī)在頻率f=0.324 Hz、造波板行程S=500 mm時(shí)的低頻工況，頻率f=0.515 Hz、造波板行程S=380mm時(shí)的中頻工況，頻率f=1.0 Hz、造波板行程S=70mm時(shí)的高頻工況。

通過對(duì)圖4波形曲線的讀取和分析，得到不同頻率下實(shí)測(cè)波浪的相關(guān)分析數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 實(shí)測(cè)波浪相關(guān)分析數(shù)據(jù)Tab.1 The relevant analytical data ofmeasured wave

從表1可以看出，在1m水深時(shí)，該測(cè)控系統(tǒng)造波機(jī)規(guī)則波最大波高可達(dá)390mm，波高穩(wěn)定性≤2％，波周期誤差≤2％。

6 結(jié)束語

本造波機(jī)測(cè)控系統(tǒng)采用CAN總線通信，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性與可靠性；利用交流伺服控制器實(shí)現(xiàn)了位置閉環(huán)控制模式，保證了造波定位的精確性；設(shè)計(jì)了人機(jī)操作界面，實(shí)現(xiàn)了操作的靈活與簡(jiǎn)便；優(yōu)化了自動(dòng)尋零、極限保護(hù)等功能，保證了系統(tǒng)運(yùn)行的快捷與安全。同時(shí)，在設(shè)備制動(dòng)、系統(tǒng)抗干擾等方面增加相應(yīng)措施，保證了設(shè)備的安全性與可靠性。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證，本測(cè)控系統(tǒng)應(yīng)用于試驗(yàn)水槽推板造波機(jī)后具有優(yōu)越的造波性能，波浪高度高、穩(wěn)定性好、精度高。

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Development and Application of the Measuring and Controlling System Based on CAN Bus for Wave Making Machine

In order to accurately emulate the influence ofwave on objects，thewavemakingmachine based on CAN bus has been designed and developed.The system consists of IPC，AC servo controller，and servomotor，etc.，and adopts CAN bus communication.The electric control cabinet is designed for hardware，and man-machine interface is designed in software.The position closed loop control is used in wave making section；and the open loop control is used in wavemeasuring section.The practical application shows that the system possesses powerful control and measurement capability，the wave data measured are highly stable and with high accuracy.The superior measuring and controlling performance and wavemaking performance of the system are verified.

CAN bus AC servo Wavemakingmachine Measuring and controlling system Man-machine interface

TP23

A

修改稿收到日期：2013－12－24。

戚磊（1982－），男，2008年畢業(yè)于哈爾濱工程大學(xué)控制理論與控制工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，工程師；主要從事伺服控制、電氣傳動(dòng)方面的研究。