升降舞台同步控制方法研究与实现

我国文艺舞台的繁荣，各种剧场、演播厅等对舞台自动化要求越来越高，相应对舞台控制系统也提出了更高的要求。升降台作为舞台下机械设备中应用最广泛的设备之一，以多种形式出现在各种剧院以及诸多国际知名音乐厅里。它具有快速迁换布景、根据表演的需求改变舞台形式的特点，以满足舞台工艺布置和舞美设计的需要以及剧目编导人员的需求，达到丰富舞台多功能的效果。

　　一、升降舞台同步控制系统

　　（一）升降舞台简介

　　以3个升降台的舞台为背景，由3个升降台构成一个圆形的升降舞台。其中每个升降台由一个45 kW电机来进行控制，电机主轴通过减速器与柔性齿条结合，把电机的旋转运动变为升降台的上升和下降运动。整个升降舞台行程为舞台台面以下5.2 m到舞台台面以上1 m，且能在行程内进行精确定位；升降台的速度调节范围为0.0015一0.15 m/s；升降台的定位精度为12mm，升降台之间的同步精度为±13mm。

　　（二）同步控制简介

　　在同步控制中，最常见的有主从控制和并行控制。主从控制，其结构以前一台电机的速度输出作为下一台电机的给定速度。这种结构稳态时同步性能好，但在电机启动停止和负载扰动情况下控制对象之间会产生很大的同步误差。并行控制方式采用同一给定速度，启动停止时的同步性能好，但当一个控制对象出现扰动时，其他电机不能很好的跟随。结合前两种控制方式优缺点，在并行控制中加人每一台电机的反馈信息，即把每台电机的偏差值加权补偿到每一台电机给定环节中去，得出偏差藕合的控制策略。

　　二、主从同步控制方式

　　（一）主从控制的工作原理

　　如何才能准确、高速地将主传动的转矩信号和速度信号，发送到从传动变频器，通过其对信号的计算，来实时地完成对主机的跟踪和维护，这是主从控制的主要问题。而实现这个问题的方式，将取决于产品的型号规格。同时在不同场合中，可以采用不同的方法，来完成与传动控制精度相对应的要求。

　　主机和从机变频器，分别采用速度控制模式和从机速度控制模式来完成运行工作，而从机变频器上，还要安装上一个同步卡选件。

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　　两台电机，都是利用增量型编码器来完成信号的采集工作，然后将信号传送到各自的变频器，通过将编码器信号从主机到从机同步卡的传送，当成是参考点，来观察从机的速度运行情况，其是随主机的运行速度发生实时变化的，在主机与从机控制中，模式设定是不变的。

　　（二）主从控制方式的实现方法

　　以SEW电机MDX61B为例，来研究硬件的连接，先安装一块D5R11B同步卡到从机上，通过5芯I/O数字量信号和9芯编码器信号，来连接主机和从机。

　　采用将从机同步卡上面的信号输入端口和主机编码器信号输出端口连接的方式，同时还要将主机输人端口信号和从机输出端口相接。在设备的启动过程中，通过主变频器接收来源于外界的控制命令信号，同时带动从变频器的启动，编码器将主变频器的速度转化为信号。如果设备是同步运行，则从机必须大于主机的运行最高速度。其采用的是动态方式，来对二者之间的速度位置偏差进行调节，并将其设定在一个固定的范围内。利用变频器状态菜单显示，来观察脉冲形式，确认主、从机之间的偏差。一旦偏差超过预设的范围，则发出报警信号，随后两台机器终止运行。

　　三、虚拟主轴同步控制方式

　　（一）虚拟主轴同步控制方式的布局形式

　　以台上设备中的景吊杆应用为例。机械结构形式；20个景吊杆相互独立，采取的电动机、减速机和传动方式完全一致。电控配置:各电动机分别受各自的变频器的控制；每个电机的编码器信号都通过各自变频器上安装的运动控制卡来收集，反馈速度和位置。

　　（二）虚拟主轴的工作原理

　　虚拟主轴方式就是无主轴的方式，在系统中不存在物理主轴，“主轴”仅仅是数学模型，一切物理轴即是从动轴。系统中的任何一个运动控制卡都可以得到这个数学模型并跟随这个数学模型运动。在系统中，虚拟主轴实际上是一个编码器的信号仿真器，它以主机信号的形式服务于整个系统的同步运动。它要求系统在稳定运行状态下和运行中速度的每一个微分点上都实现同步。在执行这个方式的过程中，各轴之间具有很强的时间同步性，不会出现时间差。

　　（三）虚拟主轴控制的实现方法

　　在硬件连接方面，运动控制卡在每个变频器上都必须配备，每个卡上的都必须连接的设备是:编码器信号输入接口、数字量输入和数字量输出，直接采集限位开关、安全开关、景吊杆的速度信号和各种安全保护信号，运动控制卡获取这些信号再经过高速实时通讯发送到上一级的PLC系统。

　　运动控制长与变频器结合起来，再加上运用虚拟主轴的控制方式，可以实现对各个设备之间同步运行和定位运行的精确控制。同时，通过对变频器运动控制卡内部编程的运用，对许多复杂逻辑的控制使用非常简单的方式就可以实现。这种控制模式相当于20个兵在将领的号子下齐步走，每个兵不用管别人的表现，只须听将领的号子动作。

　　四、结论

　　综上所述，对于剧院升降舞台同步来说，集合剧院舞台的实际情况，具有针对性的选择同步控制方式，对于剧院来说，舞台升降控制技术会随着舞台规模的逐渐变大而要求越来越高。因此，本文就对目前我国大多数剧院经常采用的是主从控制方式和虚拟主轴控制方式两种进行了深入的分析和研究，以便能够为剧团升降舞台的同步控制实现奠定良好的基础。