大型多板造波系統(tǒng)的多控制器同步技術(shù)研究

李木國(guó),劉 壯,2,杜 海

(1.大連理工大學(xué) 海岸與近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024; 2.大連理工大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116024)

0 引言

造波機(jī)是海洋工程實(shí)驗(yàn)室必備的大型設(shè)備之一，其用途在于通過(guò)海洋波浪場(chǎng)的人工模擬,輔助海洋工程實(shí)驗(yàn)室階段的模型驗(yàn)證。從設(shè)計(jì)原理角度來(lái)看，造波機(jī)是一種運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備。大型水池造波機(jī)往往需要數(shù)百根伺服軸協(xié)同運(yùn)動(dòng)。以當(dāng)前的控制器技術(shù)水平，單臺(tái)控制器完全可以承擔(dān)控制上百塊造波板運(yùn)動(dòng)的任務(wù)。然而，由于人工造波模擬時(shí)二次反射波的主動(dòng)吸收方法需要高性能的計(jì)算來(lái)配合，致使設(shè)計(jì)吸收式造波機(jī)時(shí)需要多臺(tái)高性能控制器協(xié)同完成造波控制任務(wù)。與此同時(shí)，采用軟PLC技術(shù)的控制器因具有較高的程序設(shè)計(jì)靈活性，因而受到了廣大控制系統(tǒng)開發(fā)人員的喜愛，但軟PLC區(qū)別于傳統(tǒng)PLC的硬件同步的基于PC的軟同步控制，同時(shí)吸收式算法每個(gè)周期修正伺服軸的運(yùn)動(dòng)軌跡，所以系統(tǒng)的同步性成為影響造波機(jī)造波精度的關(guān)鍵因素[1]。目前，單臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制器采用EtherCAT現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)控制多根伺服軸的同步性已經(jīng)得到了很好的研究。而多臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制器之間的同步性卻研究較少。

本文采用德國(guó)倍福(BECKHOFF)公司的CX2000系列控制器進(jìn)行多板造波控制，并基于EtherCAT總線進(jìn)行系統(tǒng)通信架構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)EtherCAT的分布式時(shí)鐘同步特性與多控制器時(shí)鐘補(bǔ)償相融合的方法探討大型造波系統(tǒng)中的同步控制方法：首先進(jìn)行造波機(jī)原理概述，然后對(duì)EtherCAT網(wǎng)絡(luò)及其同步控制功能進(jìn)行闡述，其次根據(jù)多控制器的設(shè)計(jì)需求提出了造波控制的任務(wù)周期時(shí)延的補(bǔ)償方法，最后通過(guò)系統(tǒng)的造波運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)對(duì)本文所提的同步控制方法進(jìn)行驗(yàn)證。

1 造波系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 造波機(jī)工作原理

如圖1所示，搖板式造波系統(tǒng)和推板式造波系統(tǒng)原理都是電機(jī)的圓周運(yùn)動(dòng)通過(guò)滾珠絲杠轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)來(lái)推動(dòng)造波板運(yùn)動(dòng)[2]。

圖1 推板式和搖板式示意圖

水池水深為h，造波板入水深度為d，水池?zé)o反射，且水是理想不可壓縮、無(wú)旋運(yùn)動(dòng)液體，波高與造波板沖程的比值關(guān)系可由微幅波理論計(jì)算得到式(1)[3]，推導(dǎo)過(guò)程詳見文獻(xiàn)[3]。

(1)

式(1)中,H為造波板板前波高，A為造波板的擺幅或沖程，k為波數(shù)，α=0表示推板式造波機(jī)，α=1表示搖板式造波機(jī)，且波浪的角頻率和波數(shù)滿足色散方程。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本文構(gòu)建的多控制器運(yùn)動(dòng)同步測(cè)試系統(tǒng)主要由倍福CX2030控制器、EL6695網(wǎng)橋、AX5112驅(qū)動(dòng)器、AM8000電機(jī)等構(gòu)成，如圖2所示。CX2030控制器采用雙核i7 處理器(主頻1.5 GHz)和2 GB的內(nèi)存，軟件環(huán)境為TwinCAT (The Windows control and automation technology) 3，TwinCAT是一種基于軟件的PLC運(yùn)行環(huán)境，基于Windows操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)運(yùn)行核，保證PLC任務(wù)周期的實(shí)時(shí)性。TwinCAT 3支持多核技術(shù)，允許不同的PLC任務(wù)運(yùn)行于不同的CPU核上。為實(shí)現(xiàn)主動(dòng)吸收式的造波系統(tǒng)提供了良好的硬件支持。

圖2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

1.3 EtherCAT網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)介

EtherCAT具有高帶寬利用率、高實(shí)時(shí)性和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)。它在數(shù)據(jù)鏈路層是專用的ESC(EtherCAT slave controller)控制器，而在物理層與標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)設(shè)備兼容。區(qū)別于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)鏈路層存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，EtherCAT數(shù)據(jù)幀經(jīng)過(guò)ESC控制器時(shí)是動(dòng)態(tài)插入和讀取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)不做緩存，明顯的縮短數(shù)據(jù)傳輸處理延遲時(shí)間[4]，數(shù)據(jù)處理時(shí)間延遲僅為幾納秒[5]。

圖3 EtherCAT報(bào)文

2 單控制器同步原理

如圖2，通過(guò)EtherCAT網(wǎng)絡(luò)造波系統(tǒng)中每個(gè)控制器對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制運(yùn)動(dòng)，EtherCAT網(wǎng)絡(luò)自身的分布時(shí)鐘特性是同步性能將依據(jù)(參考IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)采用分布式時(shí)鐘來(lái)同步整個(gè)EtherCAT網(wǎng)絡(luò)的精確時(shí)鐘同步機(jī)制，各從站的動(dòng)作同時(shí)執(zhí)行，同步誤差小于1 μs[6])?？刂葡到y(tǒng)中所存在的時(shí)鐘不同步原因及其導(dǎo)致的偏差：

1)每個(gè)從站在上電運(yùn)行時(shí)的啟動(dòng)時(shí)間不同；造成了從站時(shí)鐘的固定偏差

2)每個(gè)從站晶振頻率由物理原因?qū)е挛⑿〔顒e；導(dǎo)致從站時(shí)鐘產(chǎn)生漂移，隨著系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的增加，漂移會(huì)越大

EtherCAT同步機(jī)制有效的的消除了上述兩種因素的影響。

具有EtherCAT接口的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器作為網(wǎng)絡(luò)從設(shè)備管理著系統(tǒng)時(shí)間、本地時(shí)間和參考時(shí)間3個(gè)變量[7]。本地時(shí)間是與系統(tǒng)時(shí)間獨(dú)立的，它記錄從站系統(tǒng)自上電運(yùn)行起的時(shí)間。每個(gè)EtherCAT網(wǎng)絡(luò)中都有一個(gè)參考時(shí)間，系統(tǒng)會(huì)選定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中第一個(gè)具有DC能力的從設(shè)備的系統(tǒng)時(shí)間作為參考時(shí)間。分布式時(shí)鐘同步機(jī)制會(huì)使整個(gè)EtherCAT系統(tǒng)同步于參考時(shí)間。整個(gè)同步過(guò)程可以分為3個(gè)階段：傳輸延遲補(bǔ)償、時(shí)鐘初始偏移補(bǔ)償和動(dòng)態(tài)漂移補(bǔ)償[8]。時(shí)鐘初始偏移補(bǔ)償消除了由原因1引起的誤差，動(dòng)態(tài)漂移補(bǔ)償消除了由原因2引起的誤差。傳輸延遲補(bǔ)償則是為了消除拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)處理引起的傳輸時(shí)延。

2.1 傳輸延遲補(bǔ)償

首先，主站確定網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是通過(guò)讀取所有從站的DL Status寄存器實(shí)現(xiàn)的，然后，發(fā)送一個(gè)廣播寫數(shù)據(jù)幀，從站在數(shù)據(jù)幀首位到達(dá)從站的Port 0-3端口時(shí)根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將本地時(shí)間鎖存至Receive Time Port 0-3寄存器。最后，主站寫入從站的System Time Delay寄存器值是根據(jù)各從站Receive Time Port 0-3寄存器的值計(jì)算各從站與參考時(shí)間之間的傳輸延遲。選取3個(gè)從站網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為例，計(jì)算原理如下。

首先，主站會(huì)讀取所有從站的DL Status寄存器來(lái)確定網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，緊接著會(huì)發(fā)送一個(gè)廣播寫數(shù)據(jù)幀，當(dāng)這個(gè)數(shù)據(jù)幀的首位到達(dá)從站的Port 0-3端口時(shí)，從站會(huì)根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將本地時(shí)間鎖存至Receive Time Port 0-3寄存器。然后主站會(huì)讀取所有從站的Receive Time Port 0-3寄存器的值。主站根據(jù)這些值計(jì)算各從站與參考時(shí)間之間的傳輸延遲，并將這些值寫入相應(yīng)從站的System Time Delay寄存器。以3個(gè)從站為例，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D2所示，計(jì)算原理簡(jiǎn)述如下。

圖4 傳輸延遲計(jì)算網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

圖4中，tX0表示從站Port 0接收到數(shù)據(jù)幀的時(shí)間；tX1表示從站Port 1接收到數(shù)據(jù)幀的時(shí)間；tPX表示處理傳輸延遲；tFX表示前向傳輸延遲；tXY表示數(shù)據(jù)幀從從站X到從站Y之間的延遲。則有：

tAB=tPA+tWAB

(2)

tBA=tFB+tWBA

(3)

tBC=tPB+tWBC

(4)

tCB=tPD+tWCB

(5)

假設(shè)物理層的傳輸延遲都相同；每個(gè)從站的處理傳輸時(shí)間延遲都相同，則有tP=tPA=tPB=tPC；每個(gè)從站的前向傳輸時(shí)間延遲都相同，則有tF=tFA=tFB；處理傳輸延遲與前向傳輸延遲的差記為tDiff=tP-tF?；谝陨霞僭O(shè)，可得，

tAB=((tA1-tA0)-(tB1-tB0)+tDiff)/2

(6)

tBA=((tA1-tA0)-(tB1-tB0)-tDiff)/2

(7)

tBC=tCB=(tB1-tB0)/2

(8)

由于數(shù)據(jù)處理延遲只有幾個(gè)納秒，則有tDiff近似為0。那么，可得式(9):

tAB=tBA=((tA1-tA0)-(tB1-tB0))/2

(9)

根據(jù)式(8)、(9)可以計(jì)算出每個(gè)從站到參考時(shí)間從站的傳輸延遲tprop_delay。

2.2 時(shí)鐘初始偏移補(bǔ)償

主站計(jì)算每個(gè)從站的本地時(shí)間與參考時(shí)間的差值，并將這個(gè)差值寫入System Time Offset寄存器中，這個(gè)過(guò)程僅在EtherCAT初始化的時(shí)候執(zhí)行一次。每個(gè)非參考時(shí)間設(shè)備可以通過(guò)式(10)計(jì)算一個(gè)復(fù)制的系統(tǒng)時(shí)間。

tcopy_sys_time=tloc_time+toffset

(10)

主站將按照式(10)來(lái)設(shè)置參考時(shí)間設(shè)備的System Time Offset寄存器的值。

toffset=tmaster_time-tloc_time

(11)

依據(jù)式(10)和式(11)，參考時(shí)間設(shè)備計(jì)算的系統(tǒng)時(shí)間就是主站時(shí)間；這樣，整個(gè)EtherCAT網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)時(shí)間都同步于主站時(shí)間[9]。此時(shí)并沒(méi)有將傳輸延遲計(jì)算在內(nèi)，動(dòng)態(tài)漂移補(bǔ)償會(huì)將傳輸延遲計(jì)算在內(nèi)。

2.3 動(dòng)態(tài)漂移補(bǔ)償

引起從站設(shè)備時(shí)鐘發(fā)生漂移的因素可能會(huì)隨著時(shí)間的改變而改變比如，溫度、供電電壓和設(shè)備老化等因素。因此主站會(huì)周期性的發(fā)送ARMW數(shù)據(jù)幀，將參考時(shí)間設(shè)備的系統(tǒng)時(shí)間分發(fā)至所有其他從設(shè)備。從站設(shè)備會(huì)根據(jù)式(12)進(jìn)行漂移補(bǔ)償：

Δt=(tloc_time+toffset-tprop_delay)-

trecv_sys_time

(12)

實(shí)際的漂移補(bǔ)償過(guò)程非常復(fù)雜，這里簡(jiǎn)述如下，若從站計(jì)算的偏差大于0，說(shuō)明本地時(shí)間比系統(tǒng)時(shí)間快，則本地時(shí)間需要減慢；若從站計(jì)算的偏差小于0，說(shuō)明本地時(shí)間比系統(tǒng)時(shí)間慢，則本地時(shí)間需要加速。為了縮短同步過(guò)程的時(shí)間，在EtherCAT系統(tǒng)計(jì)算出傳輸延遲和時(shí)鐘初始偏移后，主站會(huì)發(fā)送大約15 000個(gè)ARMW數(shù)據(jù)幀，使從站時(shí)鐘趨于穩(wěn)定；這之后，主站才會(huì)周期性的發(fā)送ARMW數(shù)據(jù)幀來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)從站時(shí)鐘。

3 多控制器時(shí)鐘補(bǔ)償方法

受造波計(jì)算的需求影響，大型吸收式造波系統(tǒng)中往往存在多個(gè)控制器進(jìn)行人工波浪的模擬，因此控制器之間控制數(shù)據(jù)時(shí)間戳的對(duì)齊成為系統(tǒng)正常運(yùn)行的一個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題。

3.1 多控制器時(shí)鐘同步

本文所采用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，簡(jiǎn)化的3個(gè)主站，主站之間采用EL6695網(wǎng)橋來(lái)進(jìn)行時(shí)鐘同步與數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。每個(gè)EL6695都包含兩個(gè)獨(dú)立的從站設(shè)備，分別稱為一次側(cè)和二次側(cè)[10]，整個(gè)系統(tǒng)的同步結(jié)構(gòu)原理可簡(jiǎn)化為圖5。

圖5 系統(tǒng)同步結(jié)構(gòu)原理圖

主站1設(shè)置為獨(dú)立時(shí)鐘模式，主站2、3設(shè)置為外部時(shí)鐘同步模式，則整個(gè)系統(tǒng)的DC時(shí)鐘將同步于主站1的參考時(shí)鐘。系統(tǒng)中由主站1、EK1122網(wǎng)絡(luò)耦合器、兩個(gè)EL6695的一次側(cè)和驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成了上層EtherCAT同步網(wǎng)絡(luò)。此時(shí)EtherCAT網(wǎng)絡(luò)的時(shí)鐘同步于這個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中第一個(gè)支持分布式時(shí)鐘功能的從站[11]，這里為EL6695的一次側(cè)。主站2、3分別與EL6695的二次側(cè)和它們下面掛載的驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成了下層EtherCAT同步網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)下層同步網(wǎng)絡(luò)都同步于各自的參考時(shí)鐘。主站2、3會(huì)根據(jù)外部參考時(shí)鐘(EL6695的一次側(cè))周期性的調(diào)節(jié)各自的時(shí)鐘，使得時(shí)間差值無(wú)限接近于tDcToExtTimeOffset(系統(tǒng)補(bǔ)償常量值)補(bǔ)償值，在實(shí)驗(yàn)測(cè)試中取差值小于10 ns。兩個(gè)EtherCAT主站之間時(shí)鐘同步到ns級(jí)別[12]，主站2、3根據(jù)式(13)計(jì)算同步的DC時(shí)間。

tSyncDcTime=tLocDcTime+tDcToExtOffset

(13)

同步后，整個(gè)系統(tǒng)的DC時(shí)間將保持一致,SYNC中斷也會(huì)被同步。

3.2 多主站的任務(wù)同步

由于本系統(tǒng)采用的控制器基于Windows軟PLC設(shè)計(jì)，它并沒(méi)有很好的硬件觸發(fā)機(jī)制來(lái)保證多個(gè)控制器任務(wù)的同時(shí)執(zhí)行。經(jīng)過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)PLC周期與CPU時(shí)間基一致時(shí)，任務(wù)周期是同步執(zhí)行的。然而，當(dāng)任務(wù)周期大于這個(gè)時(shí)間基時(shí)，則不同控制器的PLC任務(wù)周期的起始時(shí)刻會(huì)存在不同；例如任務(wù)周期設(shè)置大于1 ms時(shí)，控制器間任務(wù)的起始時(shí)刻將產(chǎn)生的同步誤差。設(shè)置PLC的任務(wù)周期(CycTimeNs)設(shè)為4 ms，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

3.3 延遲補(bǔ)償算法

如前所述，大型造波機(jī)系統(tǒng)通常由數(shù)個(gè)控制器構(gòu)成，為了簡(jiǎn)化工程實(shí)施，不采用硬件信號(hào)觸發(fā)形式。上位機(jī)軟件通過(guò)TCP/IP連接發(fā)送開始命令給邏輯主控制器，邏輯主控制器通過(guò)EL6695發(fā)送開始命令給兩個(gè)邏輯從控制器，由于EL6695的實(shí)現(xiàn)機(jī)制數(shù)據(jù)傳輸會(huì)有大約兩個(gè)周期的延時(shí)，不同邏輯從控制器接收到開始指令的時(shí)間會(huì)有偏移誤差，而這種差異將保持不變。因而可以通過(guò)延遲補(bǔ)償方法的設(shè)計(jì)來(lái)消除這種差異，在本文中將采用如下的步驟進(jìn)行計(jì)算：

1)邏輯主控制器通過(guò)F_GetCurDcTaskTime64()函數(shù)獲得當(dāng)前任務(wù)周期的起始時(shí)刻tLocalDcTime；然后在此循環(huán)周期發(fā)送同步測(cè)試指令給兩個(gè)邏輯從控制器，邏輯從控制器在接收到同步測(cè)試指令后，分別記錄當(dāng)前任務(wù)周期的起始時(shí)刻t2SlaveDcTime和t3SlaveDcTime；主站2、3根據(jù)式(14)計(jì)算同步的DC時(shí)間。

tSlaveDcTime=tLocDcTime+tDcToExtTimeOffset

(14)

2)將這個(gè)起始時(shí)刻再傳回邏輯主控制器，邏輯主控制器將計(jì)算從發(fā)送同步測(cè)試指令起，到兩個(gè)邏輯從控制器接收到這個(gè)指令的時(shí)間差，并計(jì)算差值的最大值tmaxDelayTime。根據(jù)式(15)計(jì)算最大延遲周期(取整)，從而得到主控制器的延遲周期數(shù)和延遲時(shí)間，

nmaxDelayCyele=tmaxDelayTime/CycTimeNs

(15)

tmasterDelayTime=nmaxDelayCyele*CycTimeNs

(16)

3)主控制器延遲后，計(jì)算從控制器延遲時(shí)間，根據(jù)延時(shí)周期后的主控制器和從控制器延遲時(shí)間比較找到最小延遲時(shí)間tminDelaytime，讓3個(gè)控制器均以此延遲時(shí)間EtherCAT主站位對(duì)齊，算出每個(gè)控制器的補(bǔ)償時(shí)間通過(guò)ADS寫入驅(qū)動(dòng)器寄存器Sync offset中:

tmaterShiftTime=tmaxDelayTime-tminDelayTime

(17)

tSlaveShiftTime=tSlaveDelayTime-tminDelayTime

(18)

4)主控制器在延遲nmaxDelayCyele個(gè)周期后向從控制器發(fā)送開始運(yùn)動(dòng)控制命令。

4 實(shí)驗(yàn)與討論

為了驗(yàn)證所提的多控制器時(shí)間補(bǔ)償方法的有效性，在大連理工大學(xué)海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室水槽中采用多控制器多板造波形式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)水池為長(zhǎng)10 m，寬1 m，高2.4 m，試驗(yàn)水深為1.9 m，搖板實(shí)驗(yàn)樣機(jī)為兩塊0.5 m寬造波板組成，兩個(gè)伺服電機(jī)由兩個(gè)從控制器控制。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)如圖6所示。實(shí)驗(yàn)中，將每個(gè)控制器的PLC周期都設(shè)置為4 ms，邏輯主控制器配置為獨(dú)立時(shí)鐘模式，兩個(gè)邏輯從控制器配置為外部同步模式[13]。下面將采用驅(qū)動(dòng)器探針?lè)ㄅc示波器直接觀測(cè)法對(duì)時(shí)間補(bǔ)償前后的同步性能進(jìn)行測(cè)試。

圖6 搖板造波實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

4.1 示波器直接觀測(cè)

將驅(qū)動(dòng)器的模擬輸出口(最大5 μs漂移)配置為輸出模式。MFC編寫的上位機(jī)軟件通過(guò)ADS通信向邏輯主控制器發(fā)送開始指令，采用本文所提的延遲補(bǔ)償算法來(lái)控制驅(qū)動(dòng)器的模擬輸出同步輸出。使用示波器的觸發(fā)功能來(lái)觀察電平的變化，如圖7～8所示。

圖7 不補(bǔ)償2 ms同步誤差

如圖7所示，不補(bǔ)償時(shí)兩個(gè)從EtherCAT網(wǎng)絡(luò)存在2 ms同步誤差。與之對(duì)應(yīng)，圖7是補(bǔ)償后的結(jié)果輸出顯示。從圖8中可以清楚觀察到通過(guò)補(bǔ)償后同步誤差小于10 μs，這種誤差下造波機(jī)的推波板位移誤差不會(huì)超過(guò)30 μm[14]，完全滿足造波的精度需求。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖8 補(bǔ)償后同步誤差

4.2 驅(qū)動(dòng)器探針測(cè)量

伺服驅(qū)動(dòng)器探針功能能夠得到某一時(shí)刻電機(jī)編碼器數(shù)值，伺服電機(jī)設(shè)定速度為1000 mm/s，實(shí)際轉(zhuǎn)速為166 rpm，通過(guò)同一時(shí)刻的編碼器差值來(lái)比較電機(jī)的位置偏差。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示，編碼為16位單圈編碼器，即一圈為65535，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為10次平均值。

通過(guò)表1中編碼器差值可容易得到兩臺(tái)電機(jī)的實(shí)際位置偏差。結(jié)果數(shù)據(jù)表明，補(bǔ)償前電機(jī)位置偏差計(jì)算出的時(shí)間和示波器觀測(cè)值相近為ms級(jí)偏差，而補(bǔ)償后偏差明顯變小為μs級(jí)別(結(jié)果中所出現(xiàn)的60 μs偏差在左右是因?yàn)殡姍C(jī)抖動(dòng)和現(xiàn)場(chǎng)電磁干擾造成的)。結(jié)果明顯表明了經(jīng)過(guò)本文的時(shí)間補(bǔ)償同步性能有了較大層次的提高。

4.3 搖板樣機(jī)實(shí)驗(yàn)

圖9是采用本文所提的多控制器同步控制方法進(jìn)行人工造波的一個(gè)場(chǎng)景，實(shí)驗(yàn)中按照波浪生成規(guī)律測(cè)試了不同周期和波高的規(guī)則波和不規(guī)則波。從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)所產(chǎn)生的波浪品質(zhì)也可以看出，本文所提出的同步控制方法所產(chǎn)生的波浪無(wú)偏移現(xiàn)象，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

圖9 波浪模擬場(chǎng)景圖

5 結(jié)論

本文基于工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT技術(shù)探索了多控制器波浪模擬技術(shù)，并深入研究了造波控制中各個(gè)部分的時(shí)鐘同步問(wèn)題及解決方法。與此同時(shí)，針對(duì)當(dāng)今先進(jìn)的軟PLC技術(shù)在造波系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)存在的數(shù)據(jù)對(duì)齊問(wèn)題，提出了多控制器時(shí)間延遲補(bǔ)償方法，該方法有效地消除了多控制器之間接收開始命令的不確定性。最后采用了3臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制器，使用多個(gè)網(wǎng)絡(luò)耦合器和EL6695網(wǎng)橋搭建了多控制器造波實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了本文所提方法可以將造波系統(tǒng)的同步誤差控制在10 μs以內(nèi)，完全滿足了今后大型多板吸收式造波系統(tǒng)的需求。