基于EtherCAT的L型造波机运动控制系统设计

摘要

在海洋工程研究领域中，L型造波机是一种在实验室环境下模拟大范围多向不规则波的阵列式实验设备。L型造波机的研制为研究波浪特性、掌握波浪运动对结构物的作用影响提供科学的实验条件，对于发展海洋工程设计理论和提升海洋工程结构物建造技术水平具有重大的意义。
　　本文介绍了L型造波机的工作原理及设计中的关键技术。通过对包米勒运动控制技术和EtherCAT网络技术进行深入研究，提出了一种基于EtherCAT网络的具有多级主从式结构的同步运动控制系统设计方案。方案应用于156轴大功率L型造波机的研制中，实现了所有造波单元的严格同步控制。上位机控制软件采用Windows平台下MFC开发，下位机采用包米勒Controller PLC02运动控制器，并在其一体化开发软件ProMaster中完成系统配置和运动控制程序的开发。上位机与各运动控制器的通信采用套接字编程，实现以太网TCP通信传输。针对上位机和各运动控制器之间数据量大、传输速度慢的问题，采用无损数据压缩降低数据量，并应用多线程通讯方式提高数据传输速率。针对运动控制器的性能有限情况，设计一种快速有效的三次样条函数插值算法，实现运动轨迹的在线插补。另外由于该系统机械结构惯量大和总体负载大的特点，存在启停过程中电机过流问题。为此提出了一种基于余弦函数的拟合算法优化造波机的启停。在各个性能指标的验证试验中，该系统运行稳定，数据传输速度快，同步性能高，完全满足大范围海浪模拟应用要求。
　　多级主从式结构同步运动控制技术在造波机应用中的实现，为研制更大型的L型造波机系统提供了技术支持，并且也为其它领域的大型复杂运动控制系统的同步设计提供了参考。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究的背景与科学意义

1．2 国内外研究介绍及现状分析

1．3 运动控制网络的发展介绍

1．4 项目概况

1．5 本文主要研究工作

2 网络化造波机工作原理及关键技术介绍

2．1 常见造波机类型及项目选型

2．1．1 造波运动执行方式

2．1．2 驱动方式

2．1．3 模拟波浪传播的方向

2．2 造波机造波理论分析

2．2．1 水动力传递函数

2．2．2 波向与造波板运动相位关系

2．2．3 斜向规则波模拟理论

2．2．4 多向不规则波浪模拟理论

2．3 网络化造波机造波流程设计

2．4 运动控制技术

2．4．1 多轴同步控制技术

2．4．2 运动控制器技术

2．5 EtherCAT的运动控制网络概述

2．5．1 EtherCAT工业以太网协议介绍

2．5．2 EtherCAT实时性能

2．5．3 EtherCAT分布时钟同步机制

3 造波机运动控制系统整体方案设计

3．1 系统总体设计方案选型

3．2 造波机硬件设备概述及各部分功能规划

3．2．1 硬件设备概述

3．2．2 各部分功能规划

3．3 下位机同步运动控制系统设计

3．3．1 总体控制系统结构设计

3．3．2 基于EtherCAT的包米勒运动控制系统组建

3．3．3 造波机多级主从式结构同步控制系统设计

3．4 波浪数据采集系统设计

3．5 造波机硬件保护装置设计

4 造波机软件系统设计

4．1 软件系统总体规划

4．2 上位机控制软件设计

4．2．1 上位机造波程序流程规划

4．2．2 造波机界面设计

4．2．3 波浪控制数据无损压缩

4．2．4 多线程以太网通信设计

4．2．5 波浪数据采集数字滤波算法设计

4．3 下位机系统控制软件设计

4．3．1 包米勒运动控制一体化开发平台介绍

4．3．2 系统配置的实现

4．3．3 下位机软件设计及运行流程

4．3．4 驱动控制的数据插补算法设计

4．3．5 造波机启停优化算法设计

4．4 系统各单元通讯软件设计

4．4．1 基于WinSock开发的上位机通信程序设计

4．4．2 基于包米勒TCP功能块的数据收发程序设计

5 实验结果与分析

5．1 造波机运动控制系统试验平台搭建

5．2 波浪控制数据插补分析

5．3 电机位置跟踪测试

5．4 同步性能测试

5．4．1 单网段内电机实际位置同步性能

5．4．2 不同从站运动控制器同步信号差异

5．4．3 不同网段内电机实际位置同步性能

5．5 造波机启停优化测试

5．6 实验结论

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢