水池数控坐标回转装置的研究与开发

　　1 引言

　　随着计算机技术的发展,微型计算机在科研与生产中得到了广泛的应用，水池坐标回转装置利用微型计算机进行数字化控制，已经成为现代水声计量测试技术发展的迫切需要。水池坐标回转装置是整个水池计量测试设备的重要组成部分，也是能否真正实现水声计量测试系统全过程数控自动化的关键。水池坐标回转装置主要完成换能器(水听器)计量测试过程中，在水下多自由度的精确定位工作。

　　根据不同的测试需求，坐标装置一般会有有四种方向的运动要求：沿池面导轨方向的运动(X方向)、横向运动(Y方向)、旋转运动(?角)和升降杆的垂向运动(Z方向)，如图1所示。四个自由度彼此独立。每个自由度均由一个交流伺服电机(或步进电机)传动。回转装置控制系统的作用就是要通过计算机或手动操作来控制电机的运转，保证回转装置按预定的行走距离和方向运动，满足试验需要，并能为其他设备提供数据采样接口。同时，实时显示回转装置各个自由度坐标参数。

　　由于水池回转装置对定位精度要求很高，控制电机可根据要求，分别选用世界著名步进电机生产厂(德国百格拉公司)的新型三相混合式步进电机如VRDM366;或者选用日本松下公司的MINAS系列全数字式交流伺服系统，其控制精度、输出特性及控制方式非常适用于对速度、位置有较高的要求的机械装置。本文将重点介绍由 MINAS系列全数字式交流伺服系统组成的水池数控坐标回转装置。

　　2 水池数控坐标回转装置的组成

　　换能器在水池中的位置是大车、小车及升降杆在X、Y、Z和?四个方向坐标的组合，同时由于大车通常架设在测量水池的池面轨道上，跨度较大，一般需采用2套驱动装置进行同步控制。因此，整个系统共需要五套交流伺服系统来控制该装置在四个方向上的运动。水池数控坐标回转装置[2]的控制系统原理框图如图2所示，整个系统由以下几部分组成：一台上位机、四台下位机、五套数字式交流伺服。其中控制X方向的下位机同时控制两套交流伺服系统。

　　对整套装置在四个方向上的运动，我们可采用分布式上位机和下位机组合控制方式，即用一台上位机管理多台下位机，上位机发送控制命令，下位机具体实施对各伺服驱动机构的控制。根据工程技术要求和设计经验，上位机和下位机间的通讯采用RS485方式，该方式具有控制格式标准，控制节点多，传输距离远，抗干扰能力强，安全可靠等优点，是目前较为流行的一种通讯方式。

　　根据水声换能器计量测试的实际需求，整套装置设计成“自动/手动”两种操作方式。在“自动”操作方式下，上位机对四台下位机统一管理，通过向下位机发送控制指令，实现对交流伺服系统的控制，同时又接收下位机反馈的信息;在“手动”操作方式下，四台下位机脱离上位机的控制，相互独立工作，测试人员可通过下位机控制柜上的控制按键，实现对装置四个自由度的方向、速度、位置的控制。每个自由度都有一块对应的显示面板，可实时显示各自由度的具体坐标参数。