2024年4月23日发(作者：曹鸿轩)
第２５卷第２期
中国海洋平台
Ｖｏｌ＿２５ Ｎｏ．２
２０１０年４月
ＣＨＩＮＡ ０ＦＦＳＨＯＲＥ ＰＩ ＡＴＦ０ＲＭ
Ａｐｒ．，２０１０
文章编号：１００１－４５００（２Ｏ１。】０２—００１８—０４
大功率电机应用于造波机控制系统的可行性研究
李木国， 刘 闯， 王 静， 张 群
（大连理工大学，大连１１６Ｏ２４）
摘 要：结合实际课题取得的成功经验，介绍了大功率大型不规则波造波机控制系统的组成及工作原理，
阐述了该系统实验工作过程中的性能以及特性曲线，实验结果证实大功率电机应用于大型造波机领域频繁正
反转的可行性。
关键词：造波机；大功率；运动控制；伺服电机；控制系统
中图分类号：ＴＰ２９ 文献标识码：Ａ
Ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ Ｓｔｕｄｙ ｏｆ Ｈｉｇｈ—＿Ｐｏｗｅｒ Ｍｏｔｏｒ Ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ Ｗａｖｅ Ｍａｋｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ
ＬＩ Ｍｕ—ｇｕｏ， ＬＩＵ Ｃｈｕａｎｇ， ＷＡＮＧ Ｊｉｎｇ， ＺＨＡＮＧ Ｑｕｎ
（Ｄａｌｉａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｄａｌｉａｎ １ １ ６０２４，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｕｃｃｅｓｓ ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ ｏｆ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｉｓｓｕｅｓ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｃｏｍｐｏｓｉ～
ｔｉｏｎ ａｎｄ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｉｒｒｅｇｕｌａｒ ｌａｒｇｅ ｈｉｇｈ—ｐｏｗｅｒ ｗａｖｅ—ｍａｋｅｒ ｓｙｓｔｅｍ．Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ
ａｎｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｃｕｒｖｅｓ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａ１ ｗｏｒｋ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｅｘｐｅｒｉ—
ｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｉｔ ｉｓ ｆｅａｓｉｂｌｅ ｔｏ ａｐｐｌｙ ｈｉｇｈ——ｐｏｗｅｒ ｍｏｔｏｒ ｔｏ ｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｒｏｔａｔｉｏｎ ｆｒｅ——
ｑｕｅｎｔｌｙ ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｌａｒｇｅ ｗａｖｅ—ｍａｋｅｒ ｓｙｓｔｅｍ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｗａｖｅ—ｍａｋｅｒ ｓｙｓｔｅｍ；ｈｉｇｈ—ｐｏｗｅｒ；ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ；ｓｅｒｖｏ ｍｏｔｏｒ；ｃｏｎｔｒｏｌ
ｓｙｓｔｅｍ
０ 引言
随着海洋工程技术的发展，科研人员急需在试验水池中精确模拟产生大波高（波高大于１．１ ｍ），提高实
验研究精度，完成各种物理实验研究，为工程设计和科学研究提供可靠依据。本文结合实际工程情况，试制
了一台大功率电机驱动大型造波机系统，该造波机系统可产生周期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，电机功率１０８ ｋＷ。
由于伺服电机控制性能好，快速响应能力强且无污染口 ］，因而在造波机设计生产中，国内外采用电机
驱动的系统越来越多ｌ３］。但大功率伺服电机转动惯量大，在如此大的负载下能否在给定的时间周期内完成
快速频繁正反转，使滚珠丝杠产生往返运行，带动造波板产生波浪，这一直是困扰我们的难题。
目前国内还没有一台自主研发的大功率伺服电机驱动的大型不规则波造波机，而国际上有此研制技术
的国家也较少。本文结合实际成功的试验结果，阐述了系统的组成及工作原理，总结了理论计算与实测结果
的统计规律，可为大波高造波机设计者提供一定的参考。
１ 控制系统总体结构及工作原理
如图１所示，本造波机系统由上位机、内置ＣＵ３１０控制单元的运动控制器、伺服驱动器、电机及造波板
收稿日期：２００９—１ｌ—Ｏ６
基金项目：国家自然科学基金（５０８７９０９８）资助项目
作者简介：李木国（１９５３一），男，教授，主要从事网络运动控制、图像测量方向的研究。
第２期 李木闰 大功率电机应用于造波机控制系统的可行性研究
等几部分组成。
上位机选用的是台湾研华生产的
工控机ＩＰＣ６１０系列，通过以太网与运
动控制器组成一个小的局域网，主要完
成各种波谱对应造波板运行轨迹数据
的计算、控制命令的发送、采集处理各
种实验数据以及造波机运行状况的监
控；运动控制器选用ＳＩＭＯＴＩＯＮ Ｄ４１Ｏ，
它是整个下位控制系统的核心部分，主
要完成伺服电机各种运动方式的控制、
ＣＡＭ曲线的生成、上位机控制命令的
执行和电机运行数据的采集，Ｄ４１Ｏ内
部集成单轴控制单元ＣＵ３１０，可以控制
１个驱动轴，既有高精度的速度控制功
能，又具有简单定位功能，实现轴的相对和绝对定位，通过ＰＲ（）ＦＩＢＵＳ现场总线，Ｄ４１０与ＣＵ３１０构成主从网
络，Ｄ４１０为ＰＲＯＦＩＢＵＳ主站（Ｍａｓｔｅｒ），ＣＵ３１０为从站（Ｓｌａｖｅ），ＣＵ３１Ｏ和上位的ＳＩＭＯＴＩｏＮ控制系统结合在一
图１造波机系统总体结构图
起能实现同步、凸轮等复杂的运动控制功能；伺服驱动器选用与Ｄ４１０配套使用的ＳＩＮＡＭＩＣＳ Ｓ１２Ｏ驱动器，它
集多种控制模式于一体，适合于单轴驱动，为电机提供功率驱动和伺服控制，ＳＩＮＡＭＩＣＳ伺服驱动器通过Ｄｒｉｖｅ～
ＣＩ ｉＱ接口将电机编码器数据取回，实时监测电机运行状态，并通过Ｄｒｉｖｅ—ＣＬｉＱ接口将数据送给控制器，由控制
器进行实时计算和修正，保证电机运行轨迹的准确性和平稳性，将电机运行状态实时地记录下来，提供给上位
机调用，以便进行监控和故障处理；执行机构包括伺服电机和将旋转运动转换为直线运动的机械传动装置（滚
珠丝杠），伺服电机是控制系统的控制对象，通过丝杠带动造波板做相应的造波运动，选用了ＳＩＥＭＥＮＳ
１ＦＴ６１６８—８ＷＢ７６—８ＡＧＯ型号电机，其额定功率１０８ ｋＷ，额定扭矩６９０ Ｎｍ，额定转速１ ５００ ｒ／ｍｉｎ；造波板通过直
线轴承安装在两个直线导轨上，通过连杆（推拉杆）与滚珠螺母滑板相接，滚珠丝杠通过联轴器与伺服电机的轴
杆相连，当电机转动后，滚珠丝杠带动推板往返运动产生波浪。
２ 控制系统软件设计
本软件设计由上位机控制程序和下位控制器程序两部分组成。
上位机部分程序是基于Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋６．０环境开发的，适用于Ｗｉｎｄｏｗｓ ２０００、Ｗｉｎｄｏｗｓ ＸＰ
和Ｗｉｎｄｏｗｓ Ｖｉｓｔａ等Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ主流操作平台。包括仪器信息、采样设置、实验、数据处理、凑谱、网络控制
和控制方式等主要菜单。其中，仪器信息主要是对采样设备浪高仪进行标定以及对已标定好的浪高仪直
接读人标定信息；采样设置包括采样通道，显示通道和采样长度的设置；实验菜单主要包括电机的使能、去使
能、启动造波、停止造波、启动采样和停止采样等对实验过程的一系列控制；数据处理菜单条包括极值分析、
统计分析、频谱分析、方向谱分析和过程曲线等一系列对所采集回来的数据分析处理的操作 ］。
下位控制器软件是基于ＳＩＭＯＴＩＯＮ ＳＣＯＵＴ软件平台编写的，版本为Ｖ４．１．２。它提供了强大的配置、
调试、编程和诊断功能，对控制器和驱动器的一切任务操作都可以在该软件里实现，从最初的添加硬件设备、
配置设备以及设备间通讯到控制程序的实现都在这里完成。ＳＣＯＵＴ软件提供了３种程序编写方法：梯形
图、ＭＣＣ运动控制框图和ＳＴ结构文本语言。于此，我们使用了ＭＣＣ和ＳＴ两种编程语言。ＭＣＣ（Ｍｏｔｉｏｎ
Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｃｈａｒｔ）是一种顺序执行的图形化编程语言，用来编写基本的运动控制程序。它提供了大量的图形化
编程功能，降低了编程者工作的复杂程度。电机的使能、寻零和定位等功能均可通过模块化的函数进行调用
实现，设置给定参数即可执行。ＭＣＣ运动控制框图主要用来完成控制器的初始化、寻零、造波的过程控制和
故障的处理，是整个下位控制程序的核心。ＳＴ结构文本，是种基于ＰＡＳＣＡＩ 的高级编程语言，符合ＩＥｃ—
・
２Ｏ・ 中国海洋平台 第２５卷第２期
６１１３１—３标准，主要用来声明使用的变量、ＣＡＭ曲线的生成以及与
上位机之间的通讯程序。
在ＳＣＯＵＴ软件中，程序写好后需要将其分配到执行系统的不同
执行任务中才能执行，否则所有的程序都只是逻辑上的，而并没有被
执行系统真正执行。
局
ＳＩＭＯＴＩＯＮ中的执行系统管理着系统任务以及任务的有序执行。
执行系统分为不同的等级，每个等级可包含一个或多个任务，每个任务
中可分配一个或多个程序（由ＭＣＣ或ＳＴ编写好的程序）。当多个任务
在某一时刻同时开始执行时，任务之间就会有冲突。执行系统规定不同
的任务具有不同的优先级，优先级高的任务先执行，正在执行的低优先
级的任务可以被高优先级中断，直到高优先级的任务执行完才继续执行
低优先级的任务。因此，可以将程序分配到不同的任务来指定程序的优
先级或执行顺序。执行系统的任务优先级如图２所示。
其中，造波、寻零和故障处理程序分配在了运动任务里。通讯程
区
圈
匝
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伽瑚咖咖㈣伽瑚０瑚枷㈣啪㈣瑚栅㈣
圈圈低
团圈
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ｇ Ｎ／ 帚 （ｓ／山Ｌｕ）＼ 俅≤姜浍掣监怀
图 柚行秦缔的仵备衍存细
序由于需要不问断接收上位机的命令，需要持续执行，将其分配到背
景任务里，循环执行。电机状态，如：温度、位置、速度和扭矩等参数作为实时监测的变量，放在ＩＰＯ同步任
务里，同步实时调用，以达到实时监测的目的。
在实验中，起动和停止都通过程序做了缓起与缓停处理，因此起动与停止过程平缓，不会因为起停时的
输出扭矩过大而造成电机过流等情况。在造波过程中，电机的正反转与换向也都过渡平稳，在实时监测的电
机状态中可看到电机运行过
程状态良好。
１ ６００
铽 ｝； ｆ｛ ｉ． ｉ ０ ｌ『
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３ 可行性实验
根据系统工作要求以及
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具体技术指标，我们做了大
量的常规实验和极限性实
验，以论证该系统的工作能
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ｌ，
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毒…“
力以及大功率伺服电机驱动
大型造波机的可能性，并做
了重复性实验，以确保数据
的可靠性。
虽然是实验平台，还有
很多不完善，但测得的实际
图３理论与实际运行曲线对比图
Ｆ ’… １ 一 ｌ 一 … 。 ｌ 、 孥 一～＿一 ’ ｒ十ｒ 一…一 ｔ｛…一…～… ’ｆ｝ …一 ～一 癌妇 ｉ 滢溏，
＼ 、 ｌ ｛ ｉ ｝ ４西 蕊
时间／（ｍ／ｓ）
波高数据很令人满意，与理论值偏差很小，且在整个实验过程电机温度基本处于２４度左右，比较稳定，说明
电机工作状态良好。常规实验与极限波实验都达到了满意的效果。
图３所示为波高１．１５ ｍ、周期４ ｓ、水深１．６ ｍ、造波板重量１ ２００ ｋｇ时的理论曲线与采样获得的实测曲
线的对比图。从图中可以看到，电机的最大扭矩达到了６１０ Ｎ・ｍ，而最大速度达到了１ ３１６ ｍｍ／ｓ，已经接
近了我们设计的最大值，此时工作性能很好，在换向点处，实测速度与位置曲线平滑过度没有突变。位置曲
线的实测值与理论值拟合得非常完美，误差极小。扭矩曲线突变较多，是因在每个控制时间周期内对已完成
的定位和即将执行的定位进行计算调整引起的，是正常的修正过程，不影响整个位移曲线的走势。总体来
说，已经满足了我们设计的使用要求。
通常造波机的设计者，都是按照流体力学、机械结构计算去选择伺服电机的转矩和转速。这种理论计算
第２期 李木国 大功率电机应用于造波机控制系统的可行性研究 ・２１・
是否符合大功率电机的应用，是我们最关心的问题。因此我们在大量实验之后，对数据进行了分析及对比，
分别得到周期为２ Ｓ、３ Ｓ和４ Ｓ时电机实际输出扭矩与理论计算扭矩的比值随波高变化的关系。实际扭矩
是通过采样分析数据获得的，做了大量重复实验，以确保数据的可靠性。理论扭矩则通过计算获得，计算方
法女口下： Ｆ推力一Ｆ水＋Ｆ丝杠＋联轴器＋ 造波板ａ （１）
式中：Ｆ推 为电机理论输出的总推力；Ｆ水为迎水面压强与背水面压强差造成的阻力和运动物体侧面流体相
对运动时产生的摩擦阻力；Ｆ丝杠＋联轴器为滚珠丝杠与联轴器部分产生的阻力；ｍ造波板ａ为造波板加速度产生的
推力。而Ｆ水根据波浪造波理论，有
理论计算，具体公式参考文献［５］。
Ｆ水＝＝＝２￣／Ｆ；＋Ｆ； （２）
式中Ｆ 和Ｆ 分别为由于造波机产生的传播波浪和板前瞬态波浪对造波板产生的压力 引，可根据波浪造波
而Ｆ丝杠＋联轴器所产生的扭矩可用公式（３）计算：
Ｍ丝杠＋联轴器＝二‘，丝杠・ ＋ 联轴器・ （３）
式中： 为电机的角加速度； 联轴器为联轴器的转动惯量；Ｊ丝杠为丝杠的转动惯量。可通过公式（４）计算出联
轴器与丝杠的转动惯量： Ｊ一
０厶
・Ｌ・Ｄ （４）
式中：Ｌ为长度；Ｄ为直径。丝杠的长度为２．５ ＩＩ＿ｌ，直径８Ｏ ｍｍ。因此，经计算Ｊ丝杠一０．０７９ ｋｇ・Ｉｎ。，ｌ，联轴器
一０．０２２ ｋｇ・ｍ 。
通过上述公式计算，得到了在不同周期与波高下的最大理论扭矩，并通过与实际采样扭矩最大值比较，
得到了周期为２ ｓ、３ Ｓ和４ Ｓ时实际扭矩与理论扭矩的比值随波高变化的关系，如图４所示。其中，周期２ Ｓ
时波高取值为０．２ ｍ～０．７ ｍ；周期３ ｓ时波高取值为０．２ ｍ
～
０．９ ｍ；周期４ ｓ时波高取值为０．５ ｍ～１．１５ ｍ。
对比以上曲线发现，在同一个周期下，波高越高，实际 ￣４ｚ
专
星
２
０．
。
扭矩与理论扭矩比值越小，当波高较小时，比值较大，即在
减小；对比不同周期的曲线发现，随着周期的增加，这种实
际扭矩与理论扭矩随波高的变化率越来越小，在４ ｓ时，几
同一周期下，实际扭矩与理论扭矩比值随着波高的增加而董
乎呈水平线。此外，在相同波高下，周期越大，实际扭矩与
理论扭矩越接近。周期４ Ｓ时，实际扭矩与理论扭矩比值基
本在１附近，拟合较好。
这样，在我们关心的造波范同内，造波性能得到了满足， 图４ 波高一实际扭矩／理论扭矩曲线
并且分析数据得到了实际扭矩随波高周期变化与理论扭矩的对应关系，更加方便了下一步的开发设计工作。
４ 结论
本文通过对ＳＩＥＭＥＮＳ大功率伺服电机的调试运行，构成了一套单板的大型造波机实验系统，不仅完成
了功能性的设计工作，并且通过大量的实验证实了大功率伺服电机驱动大型造波机系统的可行性，为国内自
主研发大功率电机驱动造波机奠定了基础，为以后进行多台电机同步调试，完成多板大型不规则波造波机系
统的研制提供了依据和参考。
参考文献
［１］李木国，金乃高等．计算机技术在方向谱造波机控制软件中的应用［Ｊ］．中国海洋平台．２００１，（５－６）：６２—６７．
［２］ 金乃高．液压伺服多向不规则波造波机控制系统的设计与实现［Ｄ］．大连：大连理工大学，２００２．
［３］李木国，张丰，王静等．基于Ｗｉｎｓｏｃｋ类开发的造波机控制系统通讯软件设计［Ｊ］．计算机工程与设计．２００９，６：１５３６—
１５３８． ，
［４］王静，张群，李木国．基于网络控制的方向谱造波机系统ＥＪ］．中国海洋平台．２００７，２２（３）：５２—５４．
［５］Ｈｕｇｈｅｓ Ｓ Ａ．Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｍｏｄｅｌｓ ａｎｄ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｉｎ Ｃｏａｓｔａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ［Ｍ］．Ｗｏｒｌｄ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ，１９９３．
2024年4月23日发(作者：曹鸿轩)
第２５卷第２期
中国海洋平台
Ｖｏｌ＿２５ Ｎｏ．２
２０１０年４月
ＣＨＩＮＡ ０ＦＦＳＨＯＲＥ ＰＩ ＡＴＦ０ＲＭ
Ａｐｒ．，２０１０
文章编号：１００１－４５００（２Ｏ１。】０２—００１８—０４
大功率电机应用于造波机控制系统的可行性研究
李木国， 刘 闯， 王 静， 张 群
（大连理工大学，大连１１６Ｏ２４）
摘 要：结合实际课题取得的成功经验，介绍了大功率大型不规则波造波机控制系统的组成及工作原理，
阐述了该系统实验工作过程中的性能以及特性曲线，实验结果证实大功率电机应用于大型造波机领域频繁正
反转的可行性。
关键词：造波机；大功率；运动控制；伺服电机；控制系统
中图分类号：ＴＰ２９ 文献标识码：Ａ
Ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ Ｓｔｕｄｙ ｏｆ Ｈｉｇｈ—＿Ｐｏｗｅｒ Ｍｏｔｏｒ Ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ Ｗａｖｅ Ｍａｋｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ
ＬＩ Ｍｕ—ｇｕｏ， ＬＩＵ Ｃｈｕａｎｇ， ＷＡＮＧ Ｊｉｎｇ， ＺＨＡＮＧ Ｑｕｎ
（Ｄａｌｉａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｄａｌｉａｎ １ １ ６０２４，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｕｃｃｅｓｓ ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ ｏｆ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｉｓｓｕｅｓ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｃｏｍｐｏｓｉ～
ｔｉｏｎ ａｎｄ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｉｒｒｅｇｕｌａｒ ｌａｒｇｅ ｈｉｇｈ—ｐｏｗｅｒ ｗａｖｅ—ｍａｋｅｒ ｓｙｓｔｅｍ．Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ
ａｎｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｃｕｒｖｅｓ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａ１ ｗｏｒｋ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｅｘｐｅｒｉ—
ｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｉｔ ｉｓ ｆｅａｓｉｂｌｅ ｔｏ ａｐｐｌｙ ｈｉｇｈ——ｐｏｗｅｒ ｍｏｔｏｒ ｔｏ ｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｒｏｔａｔｉｏｎ ｆｒｅ——
ｑｕｅｎｔｌｙ ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｌａｒｇｅ ｗａｖｅ—ｍａｋｅｒ ｓｙｓｔｅｍ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｗａｖｅ—ｍａｋｅｒ ｓｙｓｔｅｍ；ｈｉｇｈ—ｐｏｗｅｒ；ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ；ｓｅｒｖｏ ｍｏｔｏｒ；ｃｏｎｔｒｏｌ
ｓｙｓｔｅｍ
０ 引言
随着海洋工程技术的发展，科研人员急需在试验水池中精确模拟产生大波高（波高大于１．１ ｍ），提高实
验研究精度，完成各种物理实验研究，为工程设计和科学研究提供可靠依据。本文结合实际工程情况，试制
了一台大功率电机驱动大型造波机系统，该造波机系统可产生周期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，电机功率１０８ ｋＷ。
由于伺服电机控制性能好，快速响应能力强且无污染口 ］，因而在造波机设计生产中，国内外采用电机
驱动的系统越来越多ｌ３］。但大功率伺服电机转动惯量大，在如此大的负载下能否在给定的时间周期内完成
快速频繁正反转，使滚珠丝杠产生往返运行，带动造波板产生波浪，这一直是困扰我们的难题。
目前国内还没有一台自主研发的大功率伺服电机驱动的大型不规则波造波机，而国际上有此研制技术
的国家也较少。本文结合实际成功的试验结果，阐述了系统的组成及工作原理，总结了理论计算与实测结果
的统计规律，可为大波高造波机设计者提供一定的参考。
１ 控制系统总体结构及工作原理
如图１所示，本造波机系统由上位机、内置ＣＵ３１０控制单元的运动控制器、伺服驱动器、电机及造波板
收稿日期：２００９—１ｌ—Ｏ６
基金项目：国家自然科学基金（５０８７９０９８）资助项目
作者简介：李木国（１９５３一），男，教授，主要从事网络运动控制、图像测量方向的研究。
第２期 李木闰 大功率电机应用于造波机控制系统的可行性研究
等几部分组成。
上位机选用的是台湾研华生产的
工控机ＩＰＣ６１０系列，通过以太网与运
动控制器组成一个小的局域网，主要完
成各种波谱对应造波板运行轨迹数据
的计算、控制命令的发送、采集处理各
种实验数据以及造波机运行状况的监
控；运动控制器选用ＳＩＭＯＴＩＯＮ Ｄ４１Ｏ，
它是整个下位控制系统的核心部分，主
要完成伺服电机各种运动方式的控制、
ＣＡＭ曲线的生成、上位机控制命令的
执行和电机运行数据的采集，Ｄ４１Ｏ内
部集成单轴控制单元ＣＵ３１０，可以控制
１个驱动轴，既有高精度的速度控制功
能，又具有简单定位功能，实现轴的相对和绝对定位，通过ＰＲ（）ＦＩＢＵＳ现场总线，Ｄ４１０与ＣＵ３１０构成主从网
络，Ｄ４１０为ＰＲＯＦＩＢＵＳ主站（Ｍａｓｔｅｒ），ＣＵ３１０为从站（Ｓｌａｖｅ），ＣＵ３１Ｏ和上位的ＳＩＭＯＴＩｏＮ控制系统结合在一
图１造波机系统总体结构图
起能实现同步、凸轮等复杂的运动控制功能；伺服驱动器选用与Ｄ４１０配套使用的ＳＩＮＡＭＩＣＳ Ｓ１２Ｏ驱动器，它
集多种控制模式于一体，适合于单轴驱动，为电机提供功率驱动和伺服控制，ＳＩＮＡＭＩＣＳ伺服驱动器通过Ｄｒｉｖｅ～
ＣＩ ｉＱ接口将电机编码器数据取回，实时监测电机运行状态，并通过Ｄｒｉｖｅ—ＣＬｉＱ接口将数据送给控制器，由控制
器进行实时计算和修正，保证电机运行轨迹的准确性和平稳性，将电机运行状态实时地记录下来，提供给上位
机调用，以便进行监控和故障处理；执行机构包括伺服电机和将旋转运动转换为直线运动的机械传动装置（滚
珠丝杠），伺服电机是控制系统的控制对象，通过丝杠带动造波板做相应的造波运动，选用了ＳＩＥＭＥＮＳ
１ＦＴ６１６８—８ＷＢ７６—８ＡＧＯ型号电机，其额定功率１０８ ｋＷ，额定扭矩６９０ Ｎｍ，额定转速１ ５００ ｒ／ｍｉｎ；造波板通过直
线轴承安装在两个直线导轨上，通过连杆（推拉杆）与滚珠螺母滑板相接，滚珠丝杠通过联轴器与伺服电机的轴
杆相连，当电机转动后，滚珠丝杠带动推板往返运动产生波浪。
２ 控制系统软件设计
本软件设计由上位机控制程序和下位控制器程序两部分组成。
上位机部分程序是基于Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋６．０环境开发的，适用于Ｗｉｎｄｏｗｓ ２０００、Ｗｉｎｄｏｗｓ ＸＰ
和Ｗｉｎｄｏｗｓ Ｖｉｓｔａ等Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ主流操作平台。包括仪器信息、采样设置、实验、数据处理、凑谱、网络控制
和控制方式等主要菜单。其中，仪器信息主要是对采样设备浪高仪进行标定以及对已标定好的浪高仪直
接读人标定信息；采样设置包括采样通道，显示通道和采样长度的设置；实验菜单主要包括电机的使能、去使
能、启动造波、停止造波、启动采样和停止采样等对实验过程的一系列控制；数据处理菜单条包括极值分析、
统计分析、频谱分析、方向谱分析和过程曲线等一系列对所采集回来的数据分析处理的操作 ］。
下位控制器软件是基于ＳＩＭＯＴＩＯＮ ＳＣＯＵＴ软件平台编写的，版本为Ｖ４．１．２。它提供了强大的配置、
调试、编程和诊断功能，对控制器和驱动器的一切任务操作都可以在该软件里实现，从最初的添加硬件设备、
配置设备以及设备间通讯到控制程序的实现都在这里完成。ＳＣＯＵＴ软件提供了３种程序编写方法：梯形
图、ＭＣＣ运动控制框图和ＳＴ结构文本语言。于此，我们使用了ＭＣＣ和ＳＴ两种编程语言。ＭＣＣ（Ｍｏｔｉｏｎ
Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｃｈａｒｔ）是一种顺序执行的图形化编程语言，用来编写基本的运动控制程序。它提供了大量的图形化
编程功能，降低了编程者工作的复杂程度。电机的使能、寻零和定位等功能均可通过模块化的函数进行调用
实现，设置给定参数即可执行。ＭＣＣ运动控制框图主要用来完成控制器的初始化、寻零、造波的过程控制和
故障的处理，是整个下位控制程序的核心。ＳＴ结构文本，是种基于ＰＡＳＣＡＩ 的高级编程语言，符合ＩＥｃ—
・
２Ｏ・ 中国海洋平台 第２５卷第２期
６１１３１—３标准，主要用来声明使用的变量、ＣＡＭ曲线的生成以及与
上位机之间的通讯程序。
在ＳＣＯＵＴ软件中，程序写好后需要将其分配到执行系统的不同
执行任务中才能执行，否则所有的程序都只是逻辑上的，而并没有被
执行系统真正执行。
局
ＳＩＭＯＴＩＯＮ中的执行系统管理着系统任务以及任务的有序执行。
执行系统分为不同的等级，每个等级可包含一个或多个任务，每个任务
中可分配一个或多个程序（由ＭＣＣ或ＳＴ编写好的程序）。当多个任务
在某一时刻同时开始执行时，任务之间就会有冲突。执行系统规定不同
的任务具有不同的优先级，优先级高的任务先执行，正在执行的低优先
级的任务可以被高优先级中断，直到高优先级的任务执行完才继续执行
低优先级的任务。因此，可以将程序分配到不同的任务来指定程序的优
先级或执行顺序。执行系统的任务优先级如图２所示。
其中，造波、寻零和故障处理程序分配在了运动任务里。通讯程
区
圈
匝
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团圈
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序由于需要不问断接收上位机的命令，需要持续执行，将其分配到背
景任务里，循环执行。电机状态，如：温度、位置、速度和扭矩等参数作为实时监测的变量，放在ＩＰＯ同步任
务里，同步实时调用，以达到实时监测的目的。
在实验中，起动和停止都通过程序做了缓起与缓停处理，因此起动与停止过程平缓，不会因为起停时的
输出扭矩过大而造成电机过流等情况。在造波过程中，电机的正反转与换向也都过渡平稳，在实时监测的电
机状态中可看到电机运行过
程状态良好。
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３ 可行性实验
根据系统工作要求以及
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具体技术指标，我们做了大
量的常规实验和极限性实
验，以论证该系统的工作能
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力以及大功率伺服电机驱动
大型造波机的可能性，并做
了重复性实验，以确保数据
的可靠性。
虽然是实验平台，还有
很多不完善，但测得的实际
图３理论与实际运行曲线对比图
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时间／（ｍ／ｓ）
波高数据很令人满意，与理论值偏差很小，且在整个实验过程电机温度基本处于２４度左右，比较稳定，说明
电机工作状态良好。常规实验与极限波实验都达到了满意的效果。
图３所示为波高１．１５ ｍ、周期４ ｓ、水深１．６ ｍ、造波板重量１ ２００ ｋｇ时的理论曲线与采样获得的实测曲
线的对比图。从图中可以看到，电机的最大扭矩达到了６１０ Ｎ・ｍ，而最大速度达到了１ ３１６ ｍｍ／ｓ，已经接
近了我们设计的最大值，此时工作性能很好，在换向点处，实测速度与位置曲线平滑过度没有突变。位置曲
线的实测值与理论值拟合得非常完美，误差极小。扭矩曲线突变较多，是因在每个控制时间周期内对已完成
的定位和即将执行的定位进行计算调整引起的，是正常的修正过程，不影响整个位移曲线的走势。总体来
说，已经满足了我们设计的使用要求。
通常造波机的设计者，都是按照流体力学、机械结构计算去选择伺服电机的转矩和转速。这种理论计算
第２期 李木国 大功率电机应用于造波机控制系统的可行性研究 ・２１・
是否符合大功率电机的应用，是我们最关心的问题。因此我们在大量实验之后，对数据进行了分析及对比，
分别得到周期为２ Ｓ、３ Ｓ和４ Ｓ时电机实际输出扭矩与理论计算扭矩的比值随波高变化的关系。实际扭矩
是通过采样分析数据获得的，做了大量重复实验，以确保数据的可靠性。理论扭矩则通过计算获得，计算方
法女口下： Ｆ推力一Ｆ水＋Ｆ丝杠＋联轴器＋ 造波板ａ （１）
式中：Ｆ推 为电机理论输出的总推力；Ｆ水为迎水面压强与背水面压强差造成的阻力和运动物体侧面流体相
对运动时产生的摩擦阻力；Ｆ丝杠＋联轴器为滚珠丝杠与联轴器部分产生的阻力；ｍ造波板ａ为造波板加速度产生的
推力。而Ｆ水根据波浪造波理论，有
理论计算，具体公式参考文献［５］。
Ｆ水＝＝＝２￣／Ｆ；＋Ｆ； （２）
式中Ｆ 和Ｆ 分别为由于造波机产生的传播波浪和板前瞬态波浪对造波板产生的压力 引，可根据波浪造波
而Ｆ丝杠＋联轴器所产生的扭矩可用公式（３）计算：
Ｍ丝杠＋联轴器＝二‘，丝杠・ ＋ 联轴器・ （３）
式中： 为电机的角加速度； 联轴器为联轴器的转动惯量；Ｊ丝杠为丝杠的转动惯量。可通过公式（４）计算出联
轴器与丝杠的转动惯量： Ｊ一
０厶
・Ｌ・Ｄ （４）
式中：Ｌ为长度；Ｄ为直径。丝杠的长度为２．５ ＩＩ＿ｌ，直径８Ｏ ｍｍ。因此，经计算Ｊ丝杠一０．０７９ ｋｇ・Ｉｎ。，ｌ，联轴器
一０．０２２ ｋｇ・ｍ 。
通过上述公式计算，得到了在不同周期与波高下的最大理论扭矩，并通过与实际采样扭矩最大值比较，
得到了周期为２ ｓ、３ Ｓ和４ Ｓ时实际扭矩与理论扭矩的比值随波高变化的关系，如图４所示。其中，周期２ Ｓ
时波高取值为０．２ ｍ～０．７ ｍ；周期３ ｓ时波高取值为０．２ ｍ
～
０．９ ｍ；周期４ ｓ时波高取值为０．５ ｍ～１．１５ ｍ。
对比以上曲线发现，在同一个周期下，波高越高，实际 ￣４ｚ
专
星
２
０．
。
扭矩与理论扭矩比值越小，当波高较小时，比值较大，即在
减小；对比不同周期的曲线发现，随着周期的增加，这种实
际扭矩与理论扭矩随波高的变化率越来越小，在４ ｓ时，几
同一周期下，实际扭矩与理论扭矩比值随着波高的增加而董
乎呈水平线。此外，在相同波高下，周期越大，实际扭矩与
理论扭矩越接近。周期４ Ｓ时，实际扭矩与理论扭矩比值基
本在１附近，拟合较好。
这样，在我们关心的造波范同内，造波性能得到了满足， 图４ 波高一实际扭矩／理论扭矩曲线
并且分析数据得到了实际扭矩随波高周期变化与理论扭矩的对应关系，更加方便了下一步的开发设计工作。
４ 结论
本文通过对ＳＩＥＭＥＮＳ大功率伺服电机的调试运行，构成了一套单板的大型造波机实验系统，不仅完成
了功能性的设计工作，并且通过大量的实验证实了大功率伺服电机驱动大型造波机系统的可行性，为国内自
主研发大功率电机驱动造波机奠定了基础，为以后进行多台电机同步调试，完成多板大型不规则波造波机系
统的研制提供了依据和参考。
参考文献
［１］李木国，金乃高等．计算机技术在方向谱造波机控制软件中的应用［Ｊ］．中国海洋平台．２００１，（５－６）：６２—６７．
［２］ 金乃高．液压伺服多向不规则波造波机控制系统的设计与实现［Ｄ］．大连：大连理工大学，２００２．
［３］李木国，张丰，王静等．基于Ｗｉｎｓｏｃｋ类开发的造波机控制系统通讯软件设计［Ｊ］．计算机工程与设计．２００９，６：１５３６—
１５３８． ，
［４］王静，张群，李木国．基于网络控制的方向谱造波机系统ＥＪ］．中国海洋平台．２００７，２２（３）：５２—５４．
［５］Ｈｕｇｈｅｓ Ｓ Ａ．Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｍｏｄｅｌｓ ａｎｄ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｉｎ Ｃｏａｓｔａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ［Ｍ］．Ｗｏｒｌｄ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ，１９９３．