升降舞臺(tái)同步控制方法研究與實(shí)現(xiàn)

     我國(guó)文藝舞臺(tái)的繁榮，各種劇場(chǎng)、演播廳等對(duì)舞臺(tái)自動(dòng)化要求越來(lái)越高，相應(yīng)對(duì)舞臺(tái)控制系統(tǒng)也提出了更高的要求。升降臺(tái)作為舞臺(tái)下機(jī)械設(shè)備中應(yīng)用最廣泛的設(shè)備之一，以多種形式出現(xiàn)在各種劇院以及諸多國(guó)際知名音樂(lè)廳里。它具有快速遷換布景、根據(jù)表演的需求改變舞臺(tái)形式的特點(diǎn)，以滿足舞臺(tái)工藝布置和舞美設(shè)計(jì)的需要以及劇目編導(dǎo)人員的需求，達(dá)到豐富舞臺(tái)多功能的效果。

一、升降舞臺(tái)同步控制系統(tǒng)

（一）升降舞臺(tái)簡(jiǎn)介

以3個(gè)升降臺(tái)的舞臺(tái)為背景，由3個(gè)升降臺(tái)構(gòu)成一個(gè)圓形的升降舞臺(tái)。其中每個(gè)升降臺(tái)由一個(gè)45 kW電機(jī)來(lái)進(jìn)行控制，電機(jī)主軸通過(guò)減速器與柔性齒條結(jié)合，把電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)樯蹬_(tái)的上升和下降運(yùn)動(dòng)。整個(gè)升降舞臺(tái)行程為舞臺(tái)臺(tái)面以下5.2 m到舞臺(tái)臺(tái)面以上1 m，且能在行程內(nèi)進(jìn)行精確定位；升降臺(tái)的速度調(diào)節(jié)范圍為0.0015一0.15 m/s；升降臺(tái)的定位精度為12mm，升降臺(tái)之間的同步精度為±13mm。

（二）同步控制簡(jiǎn)介

在同步控制中，最常見(jiàn)的有主從控制和并行控制。主從控制，其結(jié)構(gòu)以前一臺(tái)電機(jī)的速度輸出作為下一臺(tái)電機(jī)的給定速度。這種結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)時(shí)同步性能好，但在電機(jī)啟動(dòng)停止和負(fù)載擾動(dòng)情況下控制對(duì)象之間會(huì)產(chǎn)生很大的同步誤差。并行控制方式采用同一給定速度，啟動(dòng)停止時(shí)的同步性能好，但當(dāng)一個(gè)控制對(duì)象出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，其他電機(jī)不能很好的跟隨。結(jié)合前兩種控制方式優(yōu)缺點(diǎn)，在并行控制中加人每一臺(tái)電機(jī)的反饋信息，即把每臺(tái)電機(jī)的偏差值加權(quán)補(bǔ)償?shù)矫恳慌_(tái)電機(jī)給定環(huán)節(jié)中去，得出偏差藕合的控制策略。

二、主從同步控制方式

（一）主從控制的工作原理

如何才能準(zhǔn)確、高速地將主傳動(dòng)的轉(zhuǎn)矩信號(hào)和速度信號(hào)，發(fā)送到從傳動(dòng)變頻器，通過(guò)其對(duì)信號(hào)的計(jì)算，來(lái)實(shí)時(shí)地完成對(duì)主機(jī)的跟蹤和維護(hù)，這是主從控制的主要問(wèn)題。而實(shí)現(xiàn)這個(gè)問(wèn)題的方式，將取決于產(chǎn)品的型號(hào)規(guī)格。同時(shí)在不同場(chǎng)合中，可以采用不同的方法，來(lái)完成與傳動(dòng)控制精度相對(duì)應(yīng)的要求。

主機(jī)和從機(jī)變頻器，分別采用速度控制模式和從機(jī)速度控制模式來(lái)完成運(yùn)行工作，而從機(jī)變頻器上，還要安裝上一個(gè)同步卡選件。

兩臺(tái)電機(jī)，都是利用增量型編碼器來(lái)完成信號(hào)的采集工作，然后將信號(hào)傳送到各自的變頻器，通過(guò)將編碼器信號(hào)從主機(jī)到從機(jī)同步卡的傳送，當(dāng)成是參考點(diǎn)，來(lái)觀察從機(jī)的速度運(yùn)行情況，其是隨主機(jī)的運(yùn)行速度發(fā)生實(shí)時(shí)變化的，在主機(jī)與從機(jī)控制中，模式設(shè)定是不變的。

（二）主從控制方式的實(shí)現(xiàn)方法

以SEW電機(jī)MDX61B為例，來(lái)研究硬件的連接，先安裝一塊D5R11B同步卡到從機(jī)上，通過(guò)5芯I/O數(shù)字量信號(hào)和9芯編碼器信號(hào)，來(lái)連接主機(jī)和從機(jī)。

采用將從機(jī)同步卡上面的信號(hào)輸入端口和主機(jī)編碼器信號(hào)輸出端口連接的方式，同時(shí)還要將主機(jī)輸人端口信號(hào)和從機(jī)輸出端口相接。在設(shè)備的啟動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)主變頻器接收來(lái)源于外界的控制命令信號(hào)，同時(shí)帶動(dòng)從變頻器的啟動(dòng)，編碼器將主變頻器的速度轉(zhuǎn)化為信號(hào)。如果設(shè)備是同步運(yùn)行，則從機(jī)必須大于主機(jī)的運(yùn)行最高速度。其采用的是動(dòng)態(tài)方式，來(lái)對(duì)二者之間的速度位置偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)，并將其設(shè)定在一個(gè)固定的范圍內(nèi)。利用變頻器狀態(tài)菜單顯示，來(lái)觀察脈沖形式，確認(rèn)主、從機(jī)之間的偏差。一旦偏差超過(guò)預(yù)設(shè)的范圍，則發(fā)出報(bào)警信號(hào)，隨后兩臺(tái)機(jī)器終止運(yùn)行。

三、虛擬主軸同步控制方式

（一）虛擬主軸同步控制方式的布局形式

以臺(tái)上設(shè)備中的景吊桿應(yīng)用為例。機(jī)械結(jié)構(gòu)形式；20個(gè)景吊桿相互獨(dú)立，采取的電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)和傳動(dòng)方式完全一致。電控配置:各電動(dòng)機(jī)分別受各自的變頻器的控制；每個(gè)電機(jī)的編碼器信號(hào)都通過(guò)各自變頻器上安裝的運(yùn)動(dòng)控制卡來(lái)收集，反饋速度和位置。

（二）虛擬主軸的工作原理

虛擬主軸方式就是無(wú)主軸的方式，在系統(tǒng)中不存在物理主軸，“主軸”僅僅是數(shù)學(xué)模型，一切物理軸即是從動(dòng)軸。系統(tǒng)中的任何一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制卡都可以得到這個(gè)數(shù)學(xué)模型并跟隨這個(gè)數(shù)學(xué)模型運(yùn)動(dòng)。在系統(tǒng)中，虛擬主軸實(shí)際上是一個(gè)編碼器的信號(hào)仿真器，它以主機(jī)信號(hào)的形式服務(wù)于整個(gè)系統(tǒng)的同步運(yùn)動(dòng)。它要求系統(tǒng)在穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下和運(yùn)行中速度的每一個(gè)微分點(diǎn)上都實(shí)現(xiàn)同步。在執(zhí)行這個(gè)方式的過(guò)程中，各軸之間具有很強(qiáng)的時(shí)間同步性，不會(huì)出現(xiàn)時(shí)間差。

（三）虛擬主軸控制的實(shí)現(xiàn)方法

在硬件連接方面，運(yùn)動(dòng)控制卡在每個(gè)變頻器上都必須配備，每個(gè)卡上的都必須連接的設(shè)備是:編碼器信號(hào)輸入接口、數(shù)字量輸入和數(shù)字量輸出，直接采集限位開(kāi)關(guān)、安全開(kāi)關(guān)、景吊桿的速度信號(hào)和各種安全保護(hù)信號(hào)，運(yùn)動(dòng)控制卡獲取這些信號(hào)再經(jīng)過(guò)高速實(shí)時(shí)通訊發(fā)送到上一級(jí)的PLC系統(tǒng)。

運(yùn)動(dòng)控制長(zhǎng)與變頻器結(jié)合起來(lái)，再加上運(yùn)用虛擬主軸的控制方式，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)設(shè)備之間同步運(yùn)行和定位運(yùn)行的精確控制。同時(shí)，通過(guò)對(duì)變頻器運(yùn)動(dòng)控制卡內(nèi)部編程的運(yùn)用，對(duì)許多復(fù)雜邏輯的控制使用非常簡(jiǎn)單的方式就可以實(shí)現(xiàn)。這種控制模式相當(dāng)于20個(gè)兵在將領(lǐng)的號(hào)子下齊步走，每個(gè)兵不用管別人的表現(xiàn)，只須聽(tīng)將領(lǐng)的號(hào)子動(dòng)作。

四、結(jié)論

綜上所述，對(duì)于劇院升降舞臺(tái)同步來(lái)說(shuō)，集合劇院舞臺(tái)的實(shí)際情況，具有針對(duì)性的選擇同步控制方式，對(duì)于劇院來(lái)說(shuō)，舞臺(tái)升降控制技術(shù)會(huì)隨著舞臺(tái)規(guī)模的逐漸變大而要求越來(lái)越高。因此，本文就對(duì)目前我國(guó)大多數(shù)劇院經(jīng)常采用的是主從控制方式和虛擬主軸控制方式兩種進(jìn)行了深入的分析和研究，以便能夠?yàn)閯F(tuán)升降舞臺(tái)的同步控制實(shí)現(xiàn)奠定良好的基礎(chǔ)。