升降舞臺同步控制方法研究與實(shí)現(xiàn)

我國文藝舞臺的繁榮，各種劇場、演播廳等對舞臺自動化要求越來越高，相應(yīng)對舞臺控制系統(tǒng)也提出了更高的要求。升降臺作為舞臺下機(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際知名音樂廳里。它具有快速遷換布景、根據(jù)表演的需求改變舞臺形式的特點(diǎn)，以滿足舞臺工藝布置和舞美設(shè)計的需要以及劇目編導(dǎo)人員的需求，達(dá)到豐富舞臺多功能的效果。

　　一、升降舞臺同步控制系統(tǒng)

　　（一）升降舞臺簡介

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

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　　在同步控制中，最常見的有主從控制和并行控制。主從控制，其結(jié)構(gòu)以前一臺電機(jī)的速度輸出作為下一臺電機(jī)的給定速度。這種結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)時同步性能好，但在電機(jī)啟動停止和負(fù)載擾動情況下控制對象之間會產(chǎn)生很大的同步誤差。并行控制方式采用同一給定速度，啟動停止時的同步性能好，但當(dāng)一個控制對象出現(xiàn)擾動時，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電機(jī)的反饋信息，即把每臺電機(jī)的偏差值加權(quán)補(bǔ)償?shù)矫恳慌_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

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　　如何才能準(zhǔn)確、高速地將主傳動的轉(zhuǎn)矩信號和速度信號，發(fā)送到從傳動變頻器，通過其對信號的計算，來實(shí)時地完成對主機(jī)的跟蹤和維護(hù)，這是主從控制的主要問題。而實(shí)現(xiàn)這個問題的方式，將取決于產(chǎn)品的型號規(guī)格。同時在不同場合中，可以采用不同的方法，來完成與傳動控制精度相對應(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)速度控制模式來完成運(yùn)行工作，而從機(jī)變頻器上，還要安裝上一個同步卡選件。

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　　兩臺電機(jī)，都是利用增量型編碼器來完成信號的采集工作，然后將信號傳送到各自的變頻器，通過將編碼器信號從主機(jī)到從機(jī)同步卡的傳送，當(dāng)成是參考點(diǎn)，來觀察從機(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，來研究硬件的連接，先安裝一塊D5R11B同步卡到從機(jī)上，通過5芯I/O數(shù)字量信號和9芯編碼器信號，來連接主機(jī)和從機(jī)。

　　采用將從機(jī)同步卡上面的信號輸入端口和主機(jī)編碼器信號輸出端口連接的方式，同時還要將主機(jī)輸人端口信號和從機(jī)輸出端口相接。在設(shè)備的啟動過程中，通過主變頻器接收來源于外界的控制命令信號，同時帶動從變頻器的啟動，編碼器將主變頻器的速度轉(zhuǎn)化為信號。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。其采用的是動態(tài)方式，來對二者之間的速度位置偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)，并將其設(shè)定在一個固定的范圍內(nèi)。利用變頻器狀態(tài)菜單顯示，來觀察脈沖形式，確認(rèn)主、從機(jī)之間的偏差。一旦偏差超過預(yù)設(shè)的范圍，則發(fā)出報警信號，隨后兩臺機(jī)器終止運(yùn)行。

　　三、虛擬主軸同步控制方式

　?。ㄒ唬┨摂M主軸同步控制方式的布局形式

　　以臺上設(shè)備中的景吊桿應(yīng)用為例。機(jī)械結(jié)構(gòu)形式；20個景吊桿相互獨(dú)立，采取的電動機(jī)、減速機(jī)和傳動方式完全一致。電控配置:各電動機(jī)分別受各自的變頻器的控制；每個電機(jī)的編碼器信號都通過各自變頻器上安裝的運(yùn)動控制卡來收集，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軸。系統(tǒng)中的任何一個運(yùn)動控制卡都可以得到這個數(shù)學(xué)模型并跟隨這個數(shù)學(xué)模型運(yùn)動。在系統(tǒng)中，虛擬主軸實(shí)際上是一個編碼器的信號仿真器，它以主機(jī)信號的形式服務(wù)于整個系統(tǒng)的同步運(yùn)動。它要求系統(tǒng)在穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下和運(yùn)行中速度的每一個微分點(diǎn)上都實(shí)現(xiàn)同步。在執(zhí)行這個方式的過程中，各軸之間具有很強(qiáng)的時間同步性，不會出現(xiàn)時間差。

　　（三）虛擬主軸控制的實(shí)現(xiàn)方法

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

　　運(yùn)動控制長與變頻器結(jié)合起來，再加上運(yùn)用虛擬主軸的控制方式，可以實(shí)現(xiàn)對各個設(shè)備之間同步運(yùn)行和定位運(yùn)行的精確控制。同時，通過對變頻器運(yùn)動控制卡內(nèi)部編程的運(yùn)用，對許多復(fù)雜邏輯的控制使用非常簡單的方式就可以實(shí)現(xiàn)。這種控制模式相當(dāng)于20個兵在將領(lǐng)的號子下齊步走，每個兵不用管別人的表現(xiàn)，只須聽將領(lǐng)的號子動作。

　　四、結(jié)論

　　綜上所述，對于劇院升降舞臺同步來說，集合劇院舞臺的實(shí)際情況，具有針對性的選擇同步控制方式，對于劇院來說，舞臺升降控制技術(shù)會隨著舞臺規(guī)模的逐漸變大而要求越來越高。因此，本文就對目前我國大多數(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，以便能夠為劇團(tuán)升降舞臺的同步控制實(shí)現(xiàn)奠定良好的基礎(chǔ)。