舞美机械自由升降台控制系统设计

    摘 要： 介绍了为大型文艺晚会《祖国颂》所设计的舞美机械——电脑控制的自由升降台系统，包括系统设计、机械结构、控制部分硬件设计、软件设计以及系统采用的抗干扰措施等。

    关键词： 工控机 升降台 变频器 增量码盘

    1999年9月28日，国庆50周年大型文艺晚会“祖国颂”在人民大会堂隆重举行。我们有幸为该晚会设计、制作了舞美机械自由升降台系统，使该晚会成为有史以来自动化程度最高、技术含量最高的大型文艺晚会。演出使用证明，该系统设计合理、稳定可靠，完全能满足设计要求及舞美的需要。

    １ 系统组成

    本系统由一台研华5X86/133工控机、检测控制用电路板（D/A板、I/O板及码盘位置检测板）、变频器及其相关控制与保护电路、交流异步抱闸电动机、增量式光电码盘、7个可自由独立升降的机械台组成，如图１所示。

    升降台的动力经权衡利弊后，我们舍弃液压系统而选用电动系统，由电机带动丝杠而使台面上升或下降。升降台的机械部分采用四连杆升降机构，这样一方面可保证升降台台面在任意高度都与舞台台面平行；另一方面，由于该机构还有放大作用，驱动升降的丝杠就可以做得比较短。实际系统选用的是三级四连杆机构，有六倍放大作用，故选用１m多长的丝杠，即可使台面升高到7m。在舞台上7个台子一字摆开，全长28m，彼此间距1cm，要求升降台在从1.5m至7m的升降过程中台面中心偏摆度小于5mm，否则就可能使相邻舞台之间相互碰撞而发生事故。

    为降低成本，系统使用的是滚珠丝杠，这样在满足台面额定负载（折算到丝杠上是5吨多）的情况下，电机和变频器功率只要选5.5kW就够了。但滚珠丝杠不能自锁，在重力作用下会自由下滑，需使用带电磁抱闸的电动机，升降台升降到指定位置后要靠电机及时抱闸而使它停止在指定位置。

    ２ 硬件设计

    硬件组成原理框图如图２示。由于演出的实际需要，台面需要升降得平稳、快速，因此我们选用了交流变频调速系统。考虑到舞台现场环境较恶劣（各种布线纵横交错、分布着几百盏大功率调光灯具等）以及7个被控对象需要的板卡较多，选用具有14个ISA总线槽的研华工控机作为控制计算机。台面高度检测元件采用增量式光电码盘，与之对应的是一块码盘位置检测板，该板是我们以前研制开发的用于伺服系统研究的成品板，板内包括长线接收电路、判向电路、加减计数器、清零控制电路、数据缓冲读写逻辑、中断控制、定时、I/O等部分。D/A选用８通道、８位D/A转换电路板。I/O板包括16路I/O，每路都带光隔以提高系统的抗干扰能力。

    变频器及相关电路如图3示。其中SB1是启动按钮；SB2是停车按钮用于紧急停车或系统关机停车；ST1、ST2是上限位、下限位行程开关；SB3、SB4分别是对应上限位、下限位行程开关的限位解脱按钮。当系统运行出现故障，某升降台超出正常行程范围碰压行程开关时，相应交流接触器动作致使该台动力部分停电，电机处于抱闸状态，此时该台机器将由于行程开关的动作（一直处于动作状态）而无法启动。与行程开关并联的解脱按钮可用于机器的限位启动和限位的解脱。

    电机的松闸、抱闸由中间继电器KA控制，其控制电压为220V,触头电压为380V。KA的一常闭触头接于BX、SC之间，如图３所示。当BX、SC短接时，变频器输出力矩为0，呈自由停车状态。电机的电磁抱闸系统电源由380V线电压经内部半波整流电路提供。KA的常开触头闭合，电机松闸；断开，电机抱闸。

    工作时设定变频器工作在端子状态，即工作频率由端子通过模拟量给定，操作命令如正反转、启动停止等也由相关端子确定。我们选用的是北京腾龙信息技术有限公司生产的VG2000系列国产变频器，工作频率由端子FV和FC（模拟地）接收的模拟电压确定；正反转、启动停止由端子FOR、SC和REV、SC（数字地）确定。FOR与SC短接，电机正转；REV与SC短接，电机反转；二者皆短路将输出0力矩，这种情况本系统绝对不允许。

    TB、TC是变频器的保护端子，当变频器故障（如过流）时TB、TC断开，正常时TB、TC呈接通短路状态。B1、B2是外接再生制动端子，当升降台下降时，由于重力作用可能会使电机转速大于同步转速，电机呈发电状态，须在B1、B2间外接制动电阻，系统中选用的是80Ω、200W的电阻。

    本系统提供手动、自动两种工作状态，由6刀双掷开关S0在两状态间切换。手动时，有升（SB5）、降(SB6)两个按钮，每个按钮包括两组常开，一组常闭。常开分别用于电机正、反转控制和松闸、抱闸，常闭用于互锁。

    交流接触器的一对常开触点Ｋm作为指示某升降台工作状态的信号，连到计算机的I/O 板上。当自动控制时，计算机通过读取各台的该信号即知相应的升降台是就绪（启动）还是故障（跳闸），从而决定控制策略。另有一常开行程开关安装在适当位置作零位开关使用，和光电码盘的Ｚ脉冲配合，用电路板上的硬件清零电路给位置计数器清零，以作为增量码盘的初始位置。

    整个系统开关量为56路，模拟量为7路。

    ３ 软件设计

    本系统软件分为参数装订模块、修改模块、归零控制模块、场景选择模块和运行控制模块。参数装订模块装订所有演出需要的场景参数，如各台的上位、下位、是否往复、延时时间、运动类型、加速度、周期等；归零控制模块在每次系统启动时负责使各升降台归至最低位置直至碰到零位开关，并给码盘确定零位；场景选择模块把欲运行的场景的所有参数调入内存并显示在屏幕上；运行控制模块负责某个已选场景的正确运行、故障处理等。

    所有程序用Borlandc 及汇编语言编制，界面做得类同Windows按钮操作界面，美观大方，操作简单方便。在控制程序中，采样周期为10mS。按0.4m／s的最快速度计算，一个采样周期台面运行４mm距离。实际在走定位控制时，到达减速距离后即给定变频器一个很低的频率约5Hz，在此频率作用下台面的运行高度在一个采样周期内只有0.4mm，对应码盘约４个码左右，故定位精度可做得很高，实际系统定位精度达毫米数量级。

    由于变频器固有一个升、降速时间（可设定其长短），即有一个加减速过程速度不会出现阶跃跳变，故对于每一个行程的运行，若指定为恒速运行，实则是加速、恒速、减速的运行过程，速度曲线如图４所示；若距离较短，可能会没有恒速过程，变为图5示的曲线。这样对于一次给定距离的行程Ｓ，若想定位精确，就必须算出加（减）速对应的距离So。当误差进入So时，即马上进入减速过程，否则绝对过冲。对于图4所示行程S＞2So，So=V2／2aV是要求的运行速度；a是变频器设定的加速度。对于图5，即本次行程S＜2So则取So=S／2作为减速距离。

    本系统的运动方式分为定位和往复两种。定位是指台面运行到相应台的上位即停止；往复则指某台在其上位和下位之间往复运动。下面给出部分程序流程图，如图6、图7、图8所示。

    程序中充分利用了变频器的这样一个特点：当升降台向某一方向运动时突然命令其换向，这时变频器将仍然维持原方向输出，频率按所选加速度逐渐下降直至最低，然后才换向输出使其反向运行。因此程序简洁，缩短了运行时间，提高了可靠性。

    值得一提的是在系统初始化及升降台到位停止后，模拟量没有给零，而是给一个小电压。这样主要是为了保证变频器始终有约5Hz的频率输出（即有足够的力矩输出），以防止系统抱闸信号受干扰而出现升降台自由下落发生危险。

    ４ 抗干扰设计

    本系统由于信号线路较长（最长的30多米），包含７个大型铁架结构的升降台，又有７个变频器在工作，且所处环境较恶劣，故受干扰相当严重。在全部信号线均屏蔽一端接地的情况下，从作为位置反馈的码盘读回的数据中几乎找不到有用信号。即使升降台位置不动，码盘计数器也还在快速计数。

    经仔细观察分析发现，变频器是主要的干扰源，大型铁架起了类似天线的作用，本身受扰又去干扰码盘及其传输线。我们采用了以下措施：

   （１）变频器金属外壳与升降台铁架可靠连接，各升降台铁架之间可靠连接，铁架与工控机外壳可靠连接；

   （２）加长各变频器的动力电源线，利用其电感电容效应滤掉部分干扰；

   （３）工控机的电源地线与固定的零线短接（没找到人民大会堂里的地线所在）；

   （４）电机抱闸信号的控制采用继电器触点。

    采取以上措施后，干扰全部排除。

    本系统经多次使用证明，启动、停车过程平稳，中间过程可变速，定位精确无超调，响应速度满足演出需要，效果反映良好，深受各方好评。