聶俊杰, 徐東亮，王龍飛，陳宗雨

(1.武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，武漢　430070；2.武漢菲仕運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)有限公司，武漢　430223)

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基于EtherCAT網(wǎng)絡(luò)的伺服造波控制系統(tǒng)

聶俊杰1, 徐東亮1，王龍飛2，陳宗雨2

(1.武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，武漢430070；2.武漢菲仕運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)有限公司，武漢430223)

摘要：介紹了TwinCAT和EtherCAT的基本特性。闡述了構(gòu)建EtherCAT網(wǎng)絡(luò)伺服造波控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件流程。該系統(tǒng)采用安裝德國 Beckhoff公司的TwinCAT軟件的工控機(jī)作為主站、基于倫茨EtherCAT的數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)器I700作從站、菲仕同步交流伺服電機(jī)U725.20.3作執(zhí)行機(jī)構(gòu)。對 EtherCAT 的主從站進(jìn)行了一系列的配置，編寫 TwinCAT PLC 程序，結(jié)合驅(qū)動(dòng)器的 PID 算法，實(shí)現(xiàn)了造波板的高精度同步。

關(guān)鍵詞：造波；運(yùn)動(dòng)控制 ；EtherCAT；TwinCAT；電子凸輪

0引言

在實(shí)驗(yàn)室中運(yùn)用造波機(jī)精確模擬海上波浪，完成各種實(shí)驗(yàn)，為科學(xué)研究和工程設(shè)計(jì)提供理論支持，是相關(guān)人士一直關(guān)心的課題[1]。造波機(jī)的基本工作原理是通過造波板的機(jī)械運(yùn)動(dòng)對水體施加振動(dòng)產(chǎn)生波浪。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)，伺服控制技術(shù)以及現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展，基于現(xiàn)場總線的伺服控制技術(shù)已然是一種趨勢。目前國際上存在40多種現(xiàn)場總線，而以太網(wǎng)具有速度快，傳輸數(shù)據(jù)量大的優(yōu)點(diǎn)，因此，將以太網(wǎng)技術(shù)引入造波機(jī)領(lǐng)域，能夠較大程度上改善造波機(jī)的性能。在國內(nèi)，大連理工大學(xué)將以太網(wǎng)技術(shù)引入造波系統(tǒng)，構(gòu)建了一個(gè)三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的多向不規(guī)則造波系統(tǒng)，并獲得了成功。但是該系統(tǒng)需要在現(xiàn)場安裝5臺(tái)計(jì)算機(jī)，操作和維護(hù)極為不便[2]。因?yàn)镋thernet/IP技術(shù)存在一定的問題，它不能保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。而EtherCAT實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)能夠滿足工業(yè)現(xiàn)場的實(shí)時(shí)性要求。

為了提高造波系統(tǒng)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性，保證各個(gè)造波板之間的同步。本系統(tǒng)由兩臺(tái)上位工控機(jī)和80臺(tái)雙驅(qū)伺服驅(qū)動(dòng)器構(gòu)建了一個(gè)局域網(wǎng)，運(yùn)用實(shí)時(shí)以太網(wǎng)EtherCAT實(shí)現(xiàn)工控機(jī)和驅(qū)動(dòng)器之間的數(shù)據(jù)交互，通過控制推波板有規(guī)律的前后運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)各種波浪的模擬。

1TwinCAT和EtherCAT網(wǎng)絡(luò)

TwinCAT 是Beckhoff公司的自動(dòng)控制軟件包。它能夠在Windows NT/2000/XP/7，還有嵌入式Windows NT/XP 和 CE.NET的硬實(shí)時(shí)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)。具有使用方便，界面友善，編程簡單的優(yōu)點(diǎn)?？梢哉{(diào)節(jié)系統(tǒng)周期時(shí)基，最小50μs[3]。它具有強(qiáng)大的NC配置功能，只需一臺(tái)工控機(jī)就可以控制255根軸。內(nèi)置多速度控制，相位同步控制，電子凸輪控制，定位控制，多軸套準(zhǔn)控制，降低編程難度和編程時(shí)間。強(qiáng)大TwinCAT NC 凸輪功能(凸輪表耦合) 庫，支持多種凸輪表在線修改模式。具有強(qiáng)大的虛軸功能，能夠輕松實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的模擬，只需要簡單的配置就能夠?qū)⒐た貦C(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器連接起來，縮短現(xiàn)場調(diào)試時(shí)間?；赥CP/IP的TwinCAT ADS通訊協(xié)議，能夠簡單實(shí)現(xiàn)TwinCAT與第三方應(yīng)用程序之間的數(shù)據(jù)通訊，具有很高的兼容性，為開發(fā)者提供更多選擇。

EtherCAT由德國Beckoff公司在2003年提出，并成為國際標(biāo)準(zhǔn)。EtherCAT是目前國際上領(lǐng)先的現(xiàn)場總線技術(shù)。支持多種設(shè)備連接的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，EtherCAT中分布式時(shí)鐘的運(yùn)用，使得各從站節(jié)點(diǎn)設(shè)備可以達(dá)到小于1μs的時(shí)鐘同步精度。其從站由專門的硬件實(shí)現(xiàn)，通信控制通過實(shí)時(shí)通道內(nèi)的實(shí)時(shí)MAC接管，從而在本質(zhì)上消除了報(bào)文沖突，通信數(shù)據(jù)的處理過程也得到了大大簡化。通過修改以太網(wǎng)協(xié)議層，來保證其實(shí)時(shí)性。它已成為最流行的現(xiàn)場總線技術(shù)之一[4,7]。

2控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1造波理論及對控制的要求

目前，波浪的數(shù)值生成技術(shù)大體上可以分為 3 類：一是基于求解粘性不可壓縮流體NS 方程的粘性數(shù)值造波方法，二是在理想流體假設(shè)下，基于勢流理論求解拉普拉斯方程的邊界元方法，三是既可應(yīng)用于粘性流體又可應(yīng)用于理想流體的源函數(shù)造波方法。在工程實(shí)際中，理想流體是不存在的，因此第二種方法用的最為普遍[8]。造波要求造波機(jī)系統(tǒng)的造波精度高，重復(fù)性良好、穩(wěn)定性高以及抗擾動(dòng)能力強(qiáng)[9]。

2.2硬件組成

系統(tǒng)框圖如圖1所示。本系統(tǒng)由兩臺(tái)工控機(jī)，一個(gè)時(shí)鐘模塊，80個(gè)雙軸驅(qū)動(dòng)器，160個(gè)同步交流伺服電機(jī)組成。其中工控機(jī)選擇倍福工控機(jī)，運(yùn)行普通Windows 7操作系統(tǒng)，然后在這個(gè)操作系統(tǒng)下安裝Beckoff 的TwinCAT軟件。理論上一臺(tái)工控機(jī)可以帶255根軸，但由于造波對軸同步性要求特別高，咨詢Beckoff的相關(guān)工程師后得知，在保證軸的同步性比較高的情況下，他們用一臺(tái)工控機(jī)最多可以帶120根軸左右(在優(yōu)化程序的情況下)。因此在設(shè)計(jì)本控制系統(tǒng)時(shí)，選用了兩臺(tái)工控機(jī)。但是這樣就會(huì)有一個(gè)新的問題，兩臺(tái)工控機(jī)之間如何保證時(shí)鐘同步。為解決這個(gè)問題，Beckoff提供了時(shí)鐘模塊EL6692。單個(gè)TwinCAT系統(tǒng)中通過分布式時(shí)鐘系統(tǒng)始終保持實(shí)時(shí)性同步。所有的 EtherCAT 設(shè)備自身都配備了本地時(shí)鐘，在TwinCAT系統(tǒng)上電通訊后的納秒級自動(dòng)連續(xù)地與其它所有時(shí)鐘保持同步，并且在同步后系統(tǒng)開始工作。兩個(gè)TwinCAT系統(tǒng)中，各主站系統(tǒng)對各系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并且進(jìn)行差值計(jì)算。 EL6692作為兩個(gè)EtherCAT系統(tǒng)之間的一個(gè)交叉點(diǎn)，用作同步系統(tǒng)中的參考時(shí)鐘，使兩個(gè)系統(tǒng)達(dá)到同步運(yùn)行。雙軸驅(qū)動(dòng)器選擇德國LENZE公司的i700伺服驅(qū)動(dòng)器。同步交流伺服電機(jī)選擇意大利菲仕公司的U725.20.3電機(jī)。

圖1　控制系統(tǒng)框圖

2.3軟件設(shè)計(jì)

控制軟件是基于Windows 7系統(tǒng)，采用TwinCAT開發(fā)的。軟件流程圖如圖2所示。首先進(jìn)行系統(tǒng)配置，配置完成后，根據(jù)數(shù)值造波的方法，生成造波序列，用TXT文檔格式存儲(chǔ)。選擇這個(gè)文檔，載入凸輪表。載入成功后，選擇是否開始造波，如果選擇是，則開始造波，運(yùn)行TwinCAT Scope View 進(jìn)行相關(guān)配置后開始采樣。選擇是否停止造波，如果選擇是，則對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。

圖2　軟件流程圖

看是否滿足要求，如果不滿足要求，調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部PID參數(shù)，再開始造波，循環(huán)這個(gè)過程，直到滿足要求。

伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部一般包含位置環(huán)，速度環(huán)，電流環(huán)，經(jīng)過分析，造波主要是要求軸位置同步，因此伺服驅(qū)動(dòng)器均選擇位置模式。對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析后，如果不滿足要求，只需要調(diào)整位置環(huán)的PID參數(shù)，直到滿足要求。調(diào)節(jié)PID參數(shù)主要通過伺服驅(qū)動(dòng)器廠家提供的參數(shù)調(diào)整軟件進(jìn)行調(diào)整。

3控制系統(tǒng)難點(diǎn)及解決方案

在造波控制系統(tǒng)中，較為復(fù)雜的問題是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的生成和傳輸以及 160根運(yùn)動(dòng)軸的嚴(yán)格同步運(yùn)動(dòng)。在本系統(tǒng)中，根據(jù)數(shù)值造波原理產(chǎn)生波列數(shù)據(jù)，并將它以.txt文本格式存在計(jì)算機(jī)中。在TwinCAT PLC中從這個(gè)文件裝載數(shù)據(jù)。為解決TwinCAT與伺服驅(qū)動(dòng)器之間快速、大量的數(shù)據(jù)交換 , 本系統(tǒng)采用了實(shí)時(shí)以太網(wǎng)EtherCAT。

軸的同步運(yùn)動(dòng)分為2種情況，一種是在同一個(gè)工控機(jī)內(nèi)部的80根軸之間的同步運(yùn)動(dòng)，另一個(gè)是2個(gè)工控機(jī)之間的同步問題[10]。在本系統(tǒng)中為解決2個(gè)工控機(jī)之間的同步，本系統(tǒng)選用了倍福的時(shí)鐘模塊EL6692。為解決同一個(gè)工控機(jī)內(nèi)部的80根軸之間的同步問題，本系統(tǒng)借助倍福的電子凸輪模塊，同時(shí)借助了虛擬軸的概念來實(shí)現(xiàn)。做試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，倍福的電子凸輪模塊最多能耦合50根軸，本系統(tǒng)借助了倍福的位置外部設(shè)定值發(fā)生器來解決，解決方法如圖3所示。

圖3　突破電子凸輪軸限制方法

4實(shí)驗(yàn)

本研究以兩軸為實(shí)驗(yàn)對象，利用示波器軟件TwinCAT Scope View對造波機(jī)運(yùn)行過程中(ITTC譜)兩伺服軸的位移，速度進(jìn)行采集。實(shí)際位移曲線如圖4所示、實(shí)際速度曲線如圖5所示。兩伺服軸的位置誤差如圖6所示，速度誤差如圖7所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明兩伺服軸的位置誤差大約為10μs，速度誤差大約為40μs，完全能夠滿足造波的同步性要求。

圖4　兩伺服軸位移曲線

圖5　兩伺服軸速度曲線

圖6　兩伺服軸位移誤差(大約為10μs)

圖7　兩伺服軸速度誤差(大約為40μs)

5結(jié)束語

本控制系統(tǒng)基于PC，軟件資源豐富，數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)大。通過對造波機(jī)控制系統(tǒng)的開發(fā)，將TwinCAT和EtherCAT網(wǎng)絡(luò)引入造波機(jī)領(lǐng)域，不僅提高了造波機(jī)的各項(xiàng)性能，大大減小了同步誤差，還簡化了布線，提高了系統(tǒng)的可靠性，簡化了操作，維護(hù)方便。并通過試驗(yàn)證明了該方案的可行性。

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(編輯趙蓉)

Servo Making Wave Control System Based on EtherCAT

NIE Jun-jie1, XU Dong-liang1, WANG Long-fei2, CHEN Zong-yu2

(1.School of Mechanical and Electronic Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China；2.Phase Motion Control Solution Wuhan Co.,LTD, Wuhan 430223,China)

Abstract：Introduces the basic characteristics of TwinCAT and EtherCAT. And describes the hardware structure and software of the system. Using Beckoff company's TwinCAT software as soft master device, Lenze EtherCAT-based digital servo drive I700 as slave device, Phase synchronous AC servo motor U725.20.3 as actuator, formed the system. The EtherCAT master and slave station conducted a series of configuration, and write TwinCAT PLC program, and combined with PID algorithm of the drive, the wave-maker boards have a high-precision synchronization.

Key words：making wave; motion control; EtherCAT; TwinCAT; electronic cam

文章編號(hào)：1001-2265(2016)05-0091-03

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.05.024

收稿日期：2015-06-26

作者簡介：聶俊杰(1991—)，男，湖北潛江人，武漢理工大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)橄冗M(jìn)制造裝備與工藝，(E-mail)1210776014@qq.com。

中圖分類號(hào)：TH166;TG659

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A