大功率電機(jī)應(yīng)用于造波機(jī)控制系統(tǒng)的可行性研究

李木國,劉 闖, 王 靜,

)張 群

大連理工大學(xué),大連 116024

大功率電機(jī)應(yīng)用于造波機(jī)控制系統(tǒng)的可行性研究

李木國,(劉 闖, 王 靜,

)張 群

大連理工大學(xué),大連 116024

結(jié)合實(shí)際課題取得的成功經(jīng)驗(yàn),介紹了大功率大型不規(guī)則波造波機(jī)控制系統(tǒng)的組成及工作原理,闡述了該系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)工作過程中的性能以及特性曲線,實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)大功率電機(jī)應(yīng)用于大型造波機(jī)領(lǐng)域頻繁正反轉(zhuǎn)的可行性。

造波機(jī);大功率;運(yùn)動(dòng)控制;伺服電機(jī);控制系統(tǒng)

Abstract:With the success experience of practical issues,this paper introduces composition and working principle of the irregular large high-power wave-maker system.Performance and characteristic curves during the experimental work of the system are described.Experimental results show that it is feasible to apply high-power motor to bidirectional rotation frequently in the field of large wave-maker system.

Key words:wave-maker system;high-power;motion control;servo motor;control system

0 引言

隨著海洋工程技術(shù)的發(fā)展,科研人員急需在試驗(yàn)水池中精確模擬產(chǎn)生大波高(波高大于1.1 m),提高實(shí)驗(yàn)研究精度,完成各種物理實(shí)驗(yàn)研究,為工程設(shè)計(jì)和科學(xué)研究提供可靠依據(jù)。本文結(jié)合實(shí)際工程情況,試制了一臺(tái)大功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)大型造波機(jī)系統(tǒng),該造波機(jī)系統(tǒng)可產(chǎn)生周期4 s,波高1.15 m的浪。造波板的最大推力6 t,最大速度1.5 m/s,最大行程1.8 m,電機(jī)功率108 kW。

由于伺服電機(jī)控制性能好,快速響應(yīng)能力強(qiáng)且無污染[1,2],因而在造波機(jī)設(shè)計(jì)生產(chǎn)中,國內(nèi)外采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)越來越多[3]。但大功率伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大,在如此大的負(fù)載下能否在給定的時(shí)間周期內(nèi)完成快速頻繁正反轉(zhuǎn),使?jié)L珠絲杠產(chǎn)生往返運(yùn)行,帶動(dòng)造波板產(chǎn)生波浪,這一直是困擾我們的難題。

目前國內(nèi)還沒有一臺(tái)自主研發(fā)的大功率伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的大型不規(guī)則波造波機(jī),而國際上有此研制技術(shù)的國家也較少。本文結(jié)合實(shí)際成功的試驗(yàn)結(jié)果,闡述了系統(tǒng)的組成及工作原理,總結(jié)了理論計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)規(guī)律,可為大波高造波機(jī)設(shè)計(jì)者提供一定的參考。

1 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及工作原理

如圖1所示,本造波機(jī)系統(tǒng)由上位機(jī)、內(nèi)置CU310控制單元的運(yùn)動(dòng)控制器、伺服驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)及造波板等幾部分組成。

上位機(jī)選用的是臺(tái)灣研華生產(chǎn)的工控機(jī)IPC610系列,通過以太網(wǎng)與運(yùn)動(dòng)控制器組成一個(gè)小的局域網(wǎng),主要完成各種波譜對(duì)應(yīng)造波板運(yùn)行軌跡數(shù)據(jù)的計(jì)算、控制命令的發(fā)送、采集處理各種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及造波機(jī)運(yùn)行狀況的監(jiān)控;運(yùn)動(dòng)控制器選用SIMOTION D410,它是整個(gè)下位控制系統(tǒng)的核心部分,主要完成伺服電機(jī)各種運(yùn)動(dòng)方式的控制、CAM曲線的生成、上位機(jī)控制命令的執(zhí)行和電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集,D410內(nèi)部集成單軸控制單元CU310,可以控制1個(gè)驅(qū)動(dòng)軸,既有高精度的速度控制功能,又具有簡單定位功能,實(shí)現(xiàn)軸的相對(duì)和絕對(duì)定位,通過PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線,D410與CU310構(gòu)成主從網(wǎng)絡(luò),D410為PROFIBUS主站(Master),CU310為從站(Slave),CU310和上位的SIMOTION控制系統(tǒng)結(jié)合在一起能實(shí)現(xiàn)同步、凸輪等復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制功能;伺服驅(qū)動(dòng)器選用與D410配套使用的SINAMICS S120驅(qū)動(dòng)器,它集多種控制模式于一體,適合于單軸驅(qū)動(dòng),為電機(jī)提供功率驅(qū)動(dòng)和伺服控制,SINAMICS伺服驅(qū)動(dòng)器通過Drive-CLiQ接口將電機(jī)編碼器數(shù)據(jù)取回,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài),并通過Drive-CLiQ接口將數(shù)據(jù)送給控制器,由控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算和修正,保證電機(jī)運(yùn)行軌跡的準(zhǔn)確性和平穩(wěn)性,將電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)地記錄下來,提供給上位機(jī)調(diào)用,以便進(jìn)行監(jiān)控和故障處理;執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括伺服電機(jī)和將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)械傳動(dòng)裝置(滾珠絲杠),伺服電機(jī)是控制系統(tǒng)的控制對(duì)象,通過絲杠帶動(dòng)造波板做相應(yīng)的造波運(yùn)動(dòng),選用了 SIEMENS 1FT6168-8WB76-8AGO型號(hào)電機(jī),其額定功率108 kW,額定扭矩690 Nm,額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min;造波板通過直線軸承安裝在兩個(gè)直線導(dǎo)軌上,通過連桿(推拉桿)與滾珠螺母滑板相接,滾珠絲杠通過聯(lián)軸器與伺服電機(jī)的軸桿相連,當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)后,滾珠絲杠帶動(dòng)推板往返運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生波浪。

圖1 造波機(jī)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本軟件設(shè)計(jì)由上位機(jī)控制程序和下位控制器程序兩部分組成。

上位機(jī)部分程序是基于Microsoft Visual C++6.0環(huán)境開發(fā)的,適用于Windows 2000、Windows XP和Windows Vista等Microsoft主流操作平臺(tái)。包括儀器信息、采樣設(shè)置、實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)處理、湊譜、網(wǎng)絡(luò)控制和控制方式等主要菜單。其中,儀器信息主要是對(duì)采樣設(shè)備—浪高儀進(jìn)行標(biāo)定以及對(duì)已標(biāo)定好的浪高儀直接讀入標(biāo)定信息;采樣設(shè)置包括采樣通道,顯示通道和采樣長度的設(shè)置;實(shí)驗(yàn)菜單主要包括電機(jī)的使能、去使能、啟動(dòng)造波、停止造波、啟動(dòng)采樣和停止采樣等對(duì)實(shí)驗(yàn)過程的一系列控制;數(shù)據(jù)處理菜單條包括極值分析、統(tǒng)計(jì)分析、頻譜分析、方向譜分析和過程曲線等一系列對(duì)所采集回來的數(shù)據(jù)分析處理的操作[4]。

下位控制器軟件是基于SIMOTION SCOU T軟件平臺(tái)編寫的,版本為V4.1.2。它提供了強(qiáng)大的配置、調(diào)試、編程和診斷功能,對(duì)控制器和驅(qū)動(dòng)器的一切任務(wù)操作都可以在該軟件里實(shí)現(xiàn),從最初的添加硬件設(shè)備、配置設(shè)備以及設(shè)備間通訊到控制程序的實(shí)現(xiàn)都在這里完成。SCOU T軟件提供了3種程序編寫方法:梯形圖、MCC運(yùn)動(dòng)控制框圖和ST結(jié)構(gòu)文本語言。于此,我們使用了MCC和ST兩種編程語言。MCC(Motion Control Chart)是一種順序執(zhí)行的圖形化編程語言,用來編寫基本的運(yùn)動(dòng)控制程序。它提供了大量的圖形化編程功能,降低了編程者工作的復(fù)雜程度。電機(jī)的使能、尋零和定位等功能均可通過模塊化的函數(shù)進(jìn)行調(diào)用實(shí)現(xiàn),設(shè)置給定參數(shù)即可執(zhí)行。MCC運(yùn)動(dòng)控制框圖主要用來完成控制器的初始化、尋零、造波的過程控制和故障的處理,是整個(gè)下位控制程序的核心。ST結(jié)構(gòu)文本,是種基于PASCAL的高級(jí)編程語言,符合IEC-6 1 1 3 1－3標(biāo)準(zhǔn),主要用來聲明使用的變量、CAM曲線的生成以及與上位機(jī)之間的通訊程序。

在SCOU T軟件中,程序?qū)懞煤笮枰獙⑵浞峙涞綀?zhí)行系統(tǒng)的不同執(zhí)行任務(wù)中才能執(zhí)行,否則所有的程序都只是邏輯上的,而并沒有被執(zhí)行系統(tǒng)真正執(zhí)行。

SIMOTION中的執(zhí)行系統(tǒng)管理著系統(tǒng)任務(wù)以及任務(wù)的有序執(zhí)行。執(zhí)行系統(tǒng)分為不同的等級(jí),每個(gè)等級(jí)可包含一個(gè)或多個(gè)任務(wù),每個(gè)任務(wù)中可分配一個(gè)或多個(gè)程序(由MCC或ST編寫好的程序)。當(dāng)多個(gè)任務(wù)在某一時(shí)刻同時(shí)開始執(zhí)行時(shí),任務(wù)之間就會(huì)有沖突。執(zhí)行系統(tǒng)規(guī)定不同的任務(wù)具有不同的優(yōu)先級(jí),優(yōu)先級(jí)高的任務(wù)先執(zhí)行,正在執(zhí)行的低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)可以被高優(yōu)先級(jí)中斷,直到高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)執(zhí)行完才繼續(xù)執(zhí)行低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)。因此,可以將程序分配到不同的任務(wù)來指定程序的優(yōu)先級(jí)或執(zhí)行順序。執(zhí)行系統(tǒng)的任務(wù)優(yōu)先級(jí)如圖2所示。

其中,造波、尋零和故障處理程序分配在了運(yùn)動(dòng)任務(wù)里。通訊程序由于需要不間斷接收上位機(jī)的命令,需要持續(xù)執(zhí)行,將其分配到背景任務(wù)里,循環(huán)執(zhí)行。電機(jī)狀態(tài),如:溫度、位置、速度和扭矩等參數(shù)作為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的變量,放在 IPO同步任務(wù)里,同步實(shí)時(shí)調(diào)用,以達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的。

在實(shí)驗(yàn)中,起動(dòng)和停止都通過程序做了緩起與緩?fù)Ｌ幚?因此起動(dòng)與停止過程平緩,不會(huì)因?yàn)槠鹜r(shí)的輸出扭矩過大而造成電機(jī)過流等情況。在造波過程中,電機(jī)的正反轉(zhuǎn)與換向也都過渡平穩(wěn),在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的電機(jī)狀態(tài)中可看到電機(jī)運(yùn)行過程狀態(tài)良好。

圖2 執(zhí)行系統(tǒng)的任務(wù)優(yōu)先級(jí)

根據(jù)系統(tǒng)工作要求以及具體技術(shù)指標(biāo),我們做了大量的常規(guī)實(shí)驗(yàn)和極限性實(shí)驗(yàn),以論證該系統(tǒng)的工作能力以及大功率伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)大型造波機(jī)的可能性,并做了重復(fù)性實(shí)驗(yàn),以確保數(shù)據(jù)的可靠性。雖然是實(shí)驗(yàn)平臺(tái),還有很多不完善,但測(cè)得的實(shí)際波高數(shù)據(jù)很令人滿意,與理論值偏差很小,且在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程電機(jī)溫度基本處于24度左右,比較穩(wěn)定,說明電機(jī)工作狀態(tài)良好。常規(guī)實(shí)驗(yàn)與極限波實(shí)驗(yàn)都達(dá)到了滿意的效果。圖3所示為波高1.15 m、周期4 s、水深1.6 m、造波板重量1 200 kg時(shí)的理論曲線與采樣獲得的實(shí)測(cè)曲線的對(duì)比圖。從圖中可以看到,電機(jī)的最大扭矩達(dá)到了610 N·m,而最大速度達(dá)到了1 316 mm/s,已經(jīng)接近了我們?cè)O(shè)計(jì)的最大值,此時(shí)工作性能很好,在換向點(diǎn)處,實(shí)測(cè)速度與位置曲線平滑過度沒有突變。位置曲線的實(shí)測(cè)值與理論值擬合得非常完美,誤差極小。扭矩曲線突變較多,是因在每個(gè)控制時(shí)間周期內(nèi)對(duì)已完成的定位和即將執(zhí)行的定位進(jìn)行計(jì)算調(diào)整引起的,是正常的修正過程,不影響整個(gè)位移曲線的走勢(shì)。總體來說,已經(jīng)滿足了我們?cè)O(shè)計(jì)的使用要求。通常造波機(jī)的設(shè)計(jì)者,都是按照流體力學(xué)、機(jī)械結(jié)構(gòu)計(jì)算去選擇伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。這種理論計(jì)算

圖3 理論與實(shí)際運(yùn)行曲線對(duì)比圖

3 可行性實(shí)驗(yàn)

是否符合大功率電機(jī)的應(yīng)用,是我們最關(guān)心的問題。因此我們?cè)诖罅繉?shí)驗(yàn)之后,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析及對(duì)比,分別得到周期為2 s、3 s和4 s時(shí)電機(jī)實(shí)際輸出扭矩與理論計(jì)算扭矩的比值隨波高變化的關(guān)系。實(shí)際扭矩是通過采樣分析數(shù)據(jù)獲得的,做了大量重復(fù)實(shí)驗(yàn),以確保數(shù)據(jù)的可靠性。理論扭矩則通過計(jì)算獲得,計(jì)算方法如下:

式中:F推力為電機(jī)理論輸出的總推力;F水為迎水面壓強(qiáng)與背水面壓強(qiáng)差造成的阻力和運(yùn)動(dòng)物體側(cè)面流體相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的摩擦阻力;F絲杠+聯(lián)軸器為滾珠絲杠與聯(lián)軸器部分產(chǎn)生的阻力;m造波板a為造波板加速度產(chǎn)生的推力。而 F水根據(jù)波浪造波理論,有

式中 Fr和FI分別為由于造波機(jī)產(chǎn)生的傳播波浪和板前瞬態(tài)波浪對(duì)造波板產(chǎn)生的壓力[5],可根據(jù)波浪造波理論計(jì)算,具體公式參考文獻(xiàn)[5]。

而 F絲杠+聯(lián)軸器所產(chǎn)生的扭矩可用公式(3)計(jì)算:

式中:ω為電機(jī)的角加速度;J聯(lián)軸器為聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;J絲杠為絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量?？赏ㄟ^公式(4)計(jì)算出聯(lián)軸器與絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量:

式中:L為長度;D為直徑。絲杠的長度為2.5 m,直徑80 mm。因此,經(jīng)計(jì)算 J絲杠=0.079 kg·m2,J聯(lián)軸器=0.022 kg·m2。

通過上述公式計(jì)算,得到了在不同周期與波高下的最大理論扭矩,并通過與實(shí)際采樣扭矩最大值比較,得到了周期為2 s、3 s和4 s時(shí)實(shí)際扭矩與理論扭矩的比值隨波高變化的關(guān)系,如圖4所示。其中,周期2 s時(shí)波高取值為0.2 m～0.7 m;周期3 s時(shí)波高取值為0.2 m～0.9 m;周期4 s時(shí)波高取值為0.5 m～1.15 m。

對(duì)比以上曲線發(fā)現(xiàn),在同一個(gè)周期下,波高越高,實(shí)際扭矩與理論扭矩比值越小,當(dāng)波高較小時(shí),比值較大,即在同一周期下,實(shí)際扭矩與理論扭矩比值隨著波高的增加而減小;對(duì)比不同周期的曲線發(fā)現(xiàn),隨著周期的增加,這種實(shí)際扭矩與理論扭矩隨波高的變化率越來越小,在4 s時(shí),幾乎呈水平線。此外,在相同波高下,周期越大,實(shí)際扭矩與理論扭矩越接近。周期4 s時(shí),實(shí)際扭矩與理論扭矩比值基本在1附近,擬合較好。

這樣,在我們關(guān)心的造波范圍內(nèi),造波性能得到了滿足,并且分析數(shù)據(jù)得到了實(shí)際扭矩隨波高周期變化與理論扭矩的對(duì)應(yīng)關(guān)系,更加方便了下一步的開發(fā)設(shè)計(jì)工作。

圖4 波高-實(shí)際扭矩/理論扭矩曲線

4 結(jié)論

本文通過對(duì)SIEMENS大功率伺服電機(jī)的調(diào)試運(yùn)行,構(gòu)成了一套單板的大型造波機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),不僅完成了功能性的設(shè)計(jì)工作,并且通過大量的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了大功率伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)大型造波機(jī)系統(tǒng)的可行性,為國內(nèi)自主研發(fā)大功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)造波機(jī)奠定了基礎(chǔ),為以后進(jìn)行多臺(tái)電機(jī)同步調(diào)試,完成多板大型不規(guī)則波造波機(jī)系統(tǒng)的研制提供了依據(jù)和參考。

[1] 李木國,金乃高等.計(jì)算機(jī)技術(shù)在方向譜造波機(jī)控制軟件中的應(yīng)用[J].中國海洋平臺(tái).2001,(5-6):62-67.

[2] 金乃高.液壓伺服多向不規(guī)則波造波機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].大連:大連理工大學(xué),2002.

[3] 李木國,張豐,王靜等.基于Winsock類開發(fā)的造波機(jī)控制系統(tǒng)通訊軟件設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì).2009,6:1536-1538.

[4] 王靜,張群,李木國.基于網(wǎng)絡(luò)控制的方向譜造波機(jī)系統(tǒng)[J].中國海洋平臺(tái).2007,22(3):52-54.

[5] Hughes S A.Physical Models and Laboratory Techniques in Coastal Engineering[M].World Scientific,1993.

Feasibility Study of High-Power Motor Applied to Wave-Maker Control System

LI Mu-guo, LIU Chuang, WANGJing, ZHANG Qun
(Dalian University of Technology,Dalian 116024,China)

TP29

A

1001-4500(2010)02-0018-04

2009-11-06

國家自然科學(xué)基金(50879098)資助項(xiàng)目

李木國(1953-),男,教授,主要從事網(wǎng)絡(luò)運(yùn)動(dòng)控制、圖像測(cè)量方向的研究。