舞臺(tái)機(jī)械的同步控制研究

夏柳飛

（江西藝術(shù)中心，江西 南昌 330029）

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)科學(xué)的進(jìn)步，國(guó)家加大力度進(jìn)行了文化產(chǎn)業(yè)的投入，一些大中城市正在籌備劇院、體育館等一些演出場(chǎng)所的建設(shè)。江西藝術(shù)中心大劇院，是江西省目前規(guī)模最大、功能最全、設(shè)備最先進(jìn)的劇院，具備推、拉、升、降、轉(zhuǎn)等多功能的先進(jìn)舞臺(tái)。隨著投資規(guī)模的加大，江西藝術(shù)中心大劇院舞臺(tái)控制技術(shù)，也日趨高端和嫻熟。作為要實(shí)現(xiàn)的重要指標(biāo)，必須要求舞臺(tái)控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的同步控制。

位置控制和速度控制，是同步控制的兩個(gè)內(nèi)容，它們分別應(yīng)用在不同的場(chǎng)合，既能單獨(dú)使用，又能同時(shí)運(yùn)用。要想實(shí)現(xiàn)同步控制，則具有多種多樣的方法。例如使用伺服控制系統(tǒng)，不僅動(dòng)態(tài)特性良好，而且控制精度極高，但由于控制系統(tǒng)具有復(fù)雜性，同時(shí)設(shè)備具有特殊性，極大地限制了這種方法的應(yīng)用。另外，還有一種方法是采用同步電機(jī)來(lái)完成控制操作。目前因?yàn)樽冾l量的廣泛使用，采用交流異步電動(dòng)機(jī)，具有成本低、價(jià)格便宜、運(yùn)行安全可靠且維護(hù)簡(jiǎn)單便捷的特點(diǎn)，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)同步控制，這種控制方式已經(jīng)被廣泛使用。

1 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。

2 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DSR11B 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)輸入端口信號(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。

3 虛擬主軸的工作原理

所謂的虛擬主軸方式，實(shí)際上是沒(méi)有物理主軸，其是系統(tǒng)的無(wú)主軸運(yùn)行方式。“主軸”只是一個(gè)虛擬的形式，而組成系統(tǒng)中的任何一個(gè)同步控制器，都可以完成和執(zhí)行這個(gè)概念。其是利用同步控制器的硬件結(jié)構(gòu)，來(lái)完成外部命令的轉(zhuǎn)換。作為系統(tǒng)中的虛擬主軸——物理軸，都是一種從動(dòng)軸，作為一種仿真器來(lái)模擬編碼器信號(hào)，因?yàn)槭峭ㄓ玫闹鳈C(jī)信號(hào)，為保證系統(tǒng)的同步運(yùn)行，提供服務(wù)和支撐。無(wú)論系統(tǒng)處在何種運(yùn)行狀態(tài)下，必須實(shí)現(xiàn)每一個(gè)微分點(diǎn)上速度的同步運(yùn)行。在整個(gè)運(yùn)行方式的執(zhí)行過(guò)程中，軸和軸之間不能出現(xiàn)偏差，具有時(shí)間的同步性。

所謂虛擬主軸的運(yùn)行方式，是鑒于系統(tǒng)中存在多個(gè)運(yùn)行的物理軸，它們不但要同步運(yùn)行，還要保證精確度，不僅是保持系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的穩(wěn)定，同時(shí)還要求速度的每一個(gè)時(shí)間微分點(diǎn)都保持同步。在此方式的運(yùn)行過(guò)程中，軸和軸之間沒(méi)有指令時(shí)間差，所以各個(gè)機(jī)械軸之間，在時(shí)間上具有很強(qiáng)的同步性，并且各軸之間的速比，可以隨意調(diào)整，只要是不超過(guò)規(guī)定的范圍。

4 虛擬主軸控制的實(shí)現(xiàn)方法

每個(gè)變頻器上，都必須配備一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制卡，來(lái)完成硬件的連接。同時(shí)卡上還要連接的設(shè)備是：編碼器信號(hào)輸入接口，輸入和輸出數(shù)字量，各種安全保護(hù)和景吊桿的速度信號(hào)，安全開關(guān)及直接采集限位開關(guān)。所有的信號(hào)，通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制卡的采集，利用高速實(shí)時(shí)通訊，傳送至上一級(jí)的PLC 系統(tǒng)。

通過(guò)將變頻器和運(yùn)動(dòng)卡的連接，利用虛擬主軸的控制方式，來(lái)準(zhǔn)確控制每個(gè)設(shè)備的定位運(yùn)行和同步運(yùn)行。還有，利用變頻器運(yùn)動(dòng)控制卡內(nèi)部程序的編輯，來(lái)完成一些復(fù)雜邏輯的使用，具有簡(jiǎn)單和方便的特點(diǎn)。好比是部隊(duì)進(jìn)行演兵訓(xùn)練，有20 名戰(zhàn)士進(jìn)行齊步走訓(xùn)練，只要每個(gè)戰(zhàn)士都能聽從將領(lǐng)的號(hào)子進(jìn)行動(dòng)作，不必觀察前后左右，一樣可以將步伐走齊一樣。

5 結(jié)束語(yǔ)

伴隨著舞臺(tái)規(guī)模的擴(kuò)大和控制技術(shù)的提高，需要采用什么樣的方式，來(lái)更好地完成同步控制，是要看一些實(shí)際和具體的情況。從研究結(jié)果表明，利用主從控制方式和虛擬主軸控制方式，是目前舞臺(tái)機(jī)械控制中，最普遍使用的方法。

[1]王 軍，李青松.國(guó)家大劇院音樂(lè)廳舞臺(tái)機(jī)械[J].藝術(shù)科技，2008，(1)：18-22.

[2]陶陳芳.淺談劇院舞臺(tái)機(jī)械之臺(tái)上機(jī)械設(shè)備[J].藝術(shù)科技，2010，(2)：25-29.

[3]曲鐵軍，趙禹州，劉廣東.機(jī)械工程師[J].中國(guó)史研究，2009，(4)：148-148.