升(sheng)降舞臺同(tong)步控制方法(fa)研(yan)究與實現

     我國文(wen)藝舞(wu)臺(tai)(tai)(tai)(tai)的(de)繁榮，各(ge)種(zhong)劇(ju)場(chang)、演播(bo)廳(ting)等對舞(wu)臺(tai)(tai)(tai)(tai)自動(dong)化要求(qiu)(qiu)越(yue)來越(yue)高，相(xiang)應(ying)對舞(wu)臺(tai)(tai)(tai)(tai)控制系統也提出了更(geng)高的(de)要求(qiu)(qiu)。升降臺(tai)(tai)(tai)(tai)作為舞(wu)臺(tai)(tai)(tai)(tai)下機械設(she)備中(zhong)應(ying)用最廣泛(fan)的(de)設(she)備之一，以多(duo)種(zhong)形式出現在各(ge)種(zhong)劇(ju)院以及諸(zhu)多(duo)國際知名(ming)音樂廳(ting)里。它具有快速(su)遷(qian)換布景、根(gen)據表演的(de)需求(qiu)(qiu)改變舞(wu)臺(tai)(tai)(tai)(tai)形式的(de)特點，以滿足舞(wu)臺(tai)(tai)(tai)(tai)工藝布置和舞(wu)美設(she)計的(de)需要以及劇(ju)目編導(dao)人員的(de)需求(qiu)(qiu)，達到(dao)豐富舞(wu)臺(tai)(tai)(tai)(tai)多(duo)功(gong)能的(de)效果。

一(yi)、升降舞臺同步控制(zhi)系統

（一）升降舞臺簡介(jie)

以(yi)(yi)(yi)3個(ge)升(sheng)降(jiang)(jiang)(jiang)臺(tai)的(de)舞(wu)臺(tai)為(wei)背景，由3個(ge)升(sheng)降(jiang)(jiang)(jiang)臺(tai)構(gou)成一(yi)個(ge)圓(yuan)形(xing)的(de)升(sheng)降(jiang)(jiang)(jiang)舞(wu)臺(tai)。其中每(mei)個(ge)升(sheng)降(jiang)(jiang)(jiang)臺(tai)由一(yi)個(ge)45 kW電機(ji)來進行控制，電機(ji)主軸通過減(jian)速器與柔(rou)性齒條結合，把電機(ji)的(de)旋轉運(yun)動變為(wei)升(sheng)降(jiang)(jiang)(jiang)臺(tai)的(de)上升(sheng)和(he)下降(jiang)(jiang)(jiang)運(yun)動。整個(ge)升(sheng)降(jiang)(jiang)(jiang)舞(wu)臺(tai)行程為(wei)舞(wu)臺(tai)臺(tai)面以(yi)(yi)(yi)下5.2 m到(dao)舞(wu)臺(tai)臺(tai)面以(yi)(yi)(yi)上1 m，且能在行程內進行精確定位；升(sheng)降(jiang)(jiang)(jiang)臺(tai)的(de)速度(du)調節范圍為(wei)0.0015一(yi)0.15 m/s；升(sheng)降(jiang)(jiang)(jiang)臺(tai)的(de)定位精度(du)為(wei)12mm，升(sheng)降(jiang)(jiang)(jiang)臺(tai)之間(jian)的(de)同步(bu)精度(du)為(wei)±13mm。

（二）同步控制(zhi)簡(jian)介

在同(tong)步(bu)控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)中(zhong)，最常(chang)見的(de)(de)有(you)主(zhu)(zhu)從控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)和并行(xing)控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)。主(zhu)(zhu)從控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)，其結(jie)(jie)構(gou)以前一(yi)(yi)臺電(dian)機的(de)(de)速(su)度(du)輸出(chu)作為下一(yi)(yi)臺電(dian)機的(de)(de)給(gei)(gei)定速(su)度(du)。這種結(jie)(jie)構(gou)穩態(tai)時(shi)(shi)同(tong)步(bu)性(xing)能(neng)好，但在電(dian)機啟動停止和負(fu)載擾(rao)動情況(kuang)下控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)對(dui)(dui)象之間會產(chan)生很大(da)的(de)(de)同(tong)步(bu)誤差。并行(xing)控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)方式采用同(tong)一(yi)(yi)給(gei)(gei)定速(su)度(du)，啟動停止時(shi)(shi)的(de)(de)同(tong)步(bu)性(xing)能(neng)好，但當一(yi)(yi)個控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)對(dui)(dui)象出(chu)現(xian)擾(rao)動時(shi)(shi)，其他(ta)電(dian)機不能(neng)很好的(de)(de)跟隨。結(jie)(jie)合(he)前兩種控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)方式優缺點(dian)，在并行(xing)控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)中(zhong)加人每一(yi)(yi)臺電(dian)機的(de)(de)反饋信(xin)息，即把每臺電(dian)機的(de)(de)偏差值加權補償到(dao)每一(yi)(yi)臺電(dian)機給(gei)(gei)定環(huan)節中(zhong)去，得(de)出(chu)偏差藕合(he)的(de)(de)控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)策略。

二、主從同步控(kong)制方式

（一）主從控制的工作(zuo)原理

如(ru)何(he)才能準確(que)、高(gao)速(su)地將主傳動(dong)(dong)的(de)(de)轉矩信號(hao)(hao)(hao)和(he)速(su)度(du)信號(hao)(hao)(hao)，發送(song)到從傳動(dong)(dong)變頻(pin)器，通過其對(dui)信號(hao)(hao)(hao)的(de)(de)計(ji)算，來實時(shi)地完(wan)成對(dui)主機(ji)的(de)(de)跟蹤和(he)維護，這是(shi)主從控制(zhi)的(de)(de)主要(yao)問題。而實現這個問題的(de)(de)方(fang)式，將取(qu)決于產品(pin)的(de)(de)型(xing)號(hao)(hao)(hao)規格。同(tong)(tong)時(shi)在不同(tong)(tong)場合(he)中，可(ke)以采用(yong)不同(tong)(tong)的(de)(de)方(fang)法，來完(wan)成與傳動(dong)(dong)控制(zhi)精度(du)相對(dui)應(ying)的(de)(de)要(yao)求。

主機(ji)和從機(ji)變頻器，分別采(cai)用速(su)度(du)控制模式(shi)和從機(ji)速(su)度(du)控制模式(shi)來(lai)完成運行(xing)工(gong)作，而從機(ji)變頻器上(shang)，還要安裝上(shang)一個同步卡(ka)選(xuan)件。

兩(liang)臺電機(ji)，都是(shi)利用增量型編碼器(qi)來(lai)完(wan)成信(xin)號的(de)(de)采集工作，然后將(jiang)信(xin)號傳送(song)到(dao)各自(zi)的(de)(de)變(bian)頻(pin)器(qi)，通(tong)過將(jiang)編碼器(qi)信(xin)號從(cong)主(zhu)(zhu)機(ji)到(dao)從(cong)機(ji)同步卡的(de)(de)傳送(song)，當成是(shi)參考點(dian)，來(lai)觀察從(cong)機(ji)的(de)(de)速(su)度運行情況，其是(shi)隨主(zhu)(zhu)機(ji)的(de)(de)運行速(su)度發生實時變(bian)化的(de)(de)，在主(zhu)(zhu)機(ji)與從(cong)機(ji)控制中，模式設定(ding)是(shi)不(bu)變(bian)的(de)(de)。

（二(er)）主從控制方式的實現方法(fa)

以SEW電機(ji)(ji)(ji)MDX61B為例，來研(yan)究硬件的連(lian)(lian)接，先安裝一塊D5R11B同步卡到從機(ji)(ji)(ji)上，通過5芯(xin)I/O數字(zi)量信號和9芯(xin)編碼器信號，來連(lian)(lian)接主機(ji)(ji)(ji)和從機(ji)(ji)(ji)。

采用將(jiang)(jiang)(jiang)從機(ji)同(tong)步卡(ka)上面(mian)的(de)(de)信(xin)號輸(shu)入端口(kou)和主機(ji)編(bian)(bian)碼器(qi)(qi)(qi)信(xin)號輸(shu)出端口(kou)連接(jie)的(de)(de)方(fang)(fang)式，同(tong)時還要將(jiang)(jiang)(jiang)主機(ji)輸(shu)人(ren)端口(kou)信(xin)號和從機(ji)輸(shu)出端口(kou)相接(jie)。在設備的(de)(de)啟動(dong)過(guo)程中，通過(guo)主變(bian)頻(pin)器(qi)(qi)(qi)接(jie)收來源于外界(jie)的(de)(de)控制命(ming)令信(xin)號，同(tong)時帶動(dong)從變(bian)頻(pin)器(qi)(qi)(qi)的(de)(de)啟動(dong)，編(bian)(bian)碼器(qi)(qi)(qi)將(jiang)(jiang)(jiang)主變(bian)頻(pin)器(qi)(qi)(qi)的(de)(de)速(su)度轉化為(wei)信(xin)號。如(ru)果設備是(shi)同(tong)步運(yun)行(xing)，則從機(ji)必須大于主機(ji)的(de)(de)運(yun)行(xing)最高速(su)度。其采用的(de)(de)是(shi)動(dong)態(tai)方(fang)(fang)式，來對二者(zhe)之間的(de)(de)速(su)度位置偏差進(jin)行(xing)調節，并將(jiang)(jiang)(jiang)其設定在一個固定的(de)(de)范圍(wei)(wei)內。利用變(bian)頻(pin)器(qi)(qi)(qi)狀態(tai)菜單顯示，來觀(guan)察脈沖形式，確(que)認主、從機(ji)之間的(de)(de)偏差。一旦偏差超過(guo)預(yu)設的(de)(de)范圍(wei)(wei)，則發出報警信(xin)號，隨(sui)后(hou)兩臺機(ji)器(qi)(qi)(qi)終(zhong)止運(yun)行(xing)。

三、虛擬主軸(zhou)同步控制方式

（一）虛(xu)擬(ni)主(zhu)軸同步控制(zhi)方(fang)式的布局形式

以臺上設備中的(de)景吊桿應(ying)用為例。機(ji)(ji)械結構形(xing)式；20個(ge)景吊桿相互獨立(li)，采取的(de)電(dian)動機(ji)(ji)、減速機(ji)(ji)和傳動方式完全一(yi)致(zhi)。電(dian)控(kong)配置:各電(dian)動機(ji)(ji)分(fen)別受各自的(de)變頻器的(de)控(kong)制(zhi)；每個(ge)電(dian)機(ji)(ji)的(de)編碼器信號都通(tong)過(guo)各自變頻器上安裝的(de)運動控(kong)制(zhi)卡來收(shou)集(ji)，反饋速度和位置。

（二）虛擬主軸(zhou)的工(gong)作原理

虛(xu)擬(ni)(ni)主(zhu)(zhu)(zhu)軸方式就是無主(zhu)(zhu)(zhu)軸的(de)(de)方式，在(zai)系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)中(zhong)(zhong)不(bu)存在(zai)物理主(zhu)(zhu)(zhu)軸，“主(zhu)(zhu)(zhu)軸”僅僅是數(shu)學模(mo)(mo)型(xing)，一(yi)切(qie)物理軸即是從動(dong)軸。系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)中(zhong)(zhong)的(de)(de)任何(he)一(yi)個(ge)運動(dong)控制卡都可以(yi)得到這個(ge)數(shu)學模(mo)(mo)型(xing)并跟隨這個(ge)數(shu)學模(mo)(mo)型(xing)運動(dong)。在(zai)系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)中(zhong)(zhong)，虛(xu)擬(ni)(ni)主(zhu)(zhu)(zhu)軸實(shi)際上是一(yi)個(ge)編碼(ma)器的(de)(de)信(xin)號(hao)仿真器，它以(yi)主(zhu)(zhu)(zhu)機信(xin)號(hao)的(de)(de)形(xing)式服務于整個(ge)系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)的(de)(de)同(tong)步(bu)運動(dong)。它要(yao)求(qiu)系(xi)(xi)(xi)統(tong)(tong)在(zai)穩定運行狀態下和運行中(zhong)(zhong)速度的(de)(de)每一(yi)個(ge)微分點上都實(shi)現同(tong)步(bu)。在(zai)執行這個(ge)方式的(de)(de)過程中(zhong)(zhong)，各軸之間具有很強(qiang)的(de)(de)時(shi)間同(tong)步(bu)性(xing)，不(bu)會出現時(shi)間差。

（三）虛(xu)擬主軸控制的實現(xian)方法

在硬件(jian)連(lian)接方(fang)面，運動控制(zhi)卡在每(mei)個變(bian)頻器上都必須配(pei)備(bei)(bei)，每(mei)個卡上的(de)都必須連(lian)接的(de)設(she)備(bei)(bei)是:編碼器信號(hao)(hao)輸入接口(kou)、數(shu)(shu)字量(liang)輸入和數(shu)(shu)字量(liang)輸出，直接采集限位(wei)開關、安全開關、景吊桿的(de)速度信號(hao)(hao)和各(ge)種安全保護信號(hao)(hao)，運動控制(zhi)卡獲取這些信號(hao)(hao)再經過高速實(shi)時通訊(xun)發送到上一級的(de)PLC系(xi)統。

運(yun)動(dong)控(kong)制(zhi)長(chang)與變頻器(qi)結合起來，再加上(shang)運(yun)用(yong)虛擬主軸(zhou)的控(kong)制(zhi)方式，可以實現對(dui)(dui)各(ge)個設備之間同步運(yun)行和(he)定位運(yun)行的精確(que)控(kong)制(zhi)。同時，通過對(dui)(dui)變頻器(qi)運(yun)動(dong)控(kong)制(zhi)卡內部編程(cheng)的運(yun)用(yong)，對(dui)(dui)許(xu)多復雜邏輯的控(kong)制(zhi)使用(yong)非(fei)常簡單的方式就可以實現。這種控(kong)制(zhi)模(mo)式相當于20個兵(bing)在將領(ling)的號子下(xia)齊步走(zou)，每個兵(bing)不用(yong)管別人的表現，只須聽(ting)將領(ling)的號子動(dong)作。

四(si)、結論(lun)

綜上所(suo)述，對(dui)于劇(ju)(ju)(ju)院(yuan)升降舞(wu)(wu)臺同(tong)步(bu)來說，集合劇(ju)(ju)(ju)院(yuan)舞(wu)(wu)臺的實際情況(kuang)，具有(you)針對(dui)性(xing)的選擇(ze)同(tong)步(bu)控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)方(fang)式，對(dui)于劇(ju)(ju)(ju)院(yuan)來說，舞(wu)(wu)臺升降控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)技術會隨著(zhu)舞(wu)(wu)臺規模的逐漸變大(da)而(er)要(yao)求越來越高。因此，本(ben)文(wen)就對(dui)目(mu)前我(wo)國大(da)多(duo)數劇(ju)(ju)(ju)院(yuan)經常采用的是主(zhu)從控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)方(fang)式和(he)虛擬(ni)主(zhu)軸控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)方(fang)式兩種(zhong)進行了(le)深入的分析和(he)研究，以便(bian)能(neng)夠(gou)為(wei)劇(ju)(ju)(ju)團升降舞(wu)(wu)臺的同(tong)步(bu)控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)實現奠(dian)定良好的基礎(chu)。