舞美機械自由升降臺控制系統(tǒng)設計

摘 要： 介紹了為大型文藝晚會《祖國頌》所設計的舞美機械——電腦控制的自由升降臺系統(tǒng)，包括系統(tǒng)設計、機械結構、控制部分硬件設計、軟件設計以及系統(tǒng)采用的抗干擾措施等。

關鍵詞： 工控機 升降臺 變頻器 增量碼盤

1999年9月28日，國慶50周年大型文藝晚會“祖國頌”在人民大會堂隆重舉行。我們有幸為該晚會設計、制作了舞美機械自由升降臺系統(tǒng)，使該晚會成為有史以來自動化程度最高、技術含量最高的大型文藝晚會。演出使用證明，該系統(tǒng)設計合理、穩(wěn)定可靠，完全能滿足設計要求及舞美的需要。

１ 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)由一臺研華5x86/133工控機、檢測控制用電路板（d/a板、i/o板及碼盤位置檢測板）、變頻器及其相關控制與保護電路、交流異步抱閘電動機、增量式光電碼盤、7個可自由獨立升降的機械臺組成，如圖１所示。

升降臺的動力經權衡利弊后，我們舍棄液壓系統(tǒng)而選用電動系統(tǒng)，由電機帶動絲杠而使臺面上升或下降。升降臺的機械部分采用四連桿升降機構，這樣一方面可保證升降臺臺面在任意高度都與舞臺臺面平行；另一方面，由于該機構還有放大作用，驅動升降的絲杠就可以做得比較短。實際系統(tǒng)選用的是三級四連桿機構，有六倍放大作用，故選用１m多長的絲杠，即可使臺面升高到7m。在舞臺上7個臺子一字擺開，全長28m，彼此間距1cm，要求升降臺在從1.5m至7m的升降過程中臺面中心偏擺度小于5mm，否則就可能使相鄰舞臺之間相互碰撞而發(fā)生事故。

為降低成本，系統(tǒng)使用的是滾珠絲杠，這樣在滿足臺面額定負載（折算到絲杠上是5噸多）的情況下，電機和變頻器功率只要選5.5kw就夠了。但滾珠絲杠不能自鎖，在重力作用下會自由下滑，需使用帶電磁抱閘的電動機，升降臺升降到指定位置后要靠電機及時抱閘而使它停止在指定位置。

２ 硬件設計

硬件組成原理框圖如圖２示。由于演出的實際需要，臺面需要升降得平穩(wěn)、快速，因此我們選用了交流變頻調速系統(tǒng)�？紤]到舞臺現(xiàn)場環(huán)境較惡劣（各種布線縱橫交錯、分布著幾百盞大功率調光燈具等）以及7個被控對象需要的板卡較多，選用具有14個isa總線槽的研華工控機作為控制計算機。臺面高度檢測元件采用增量式光電碼盤，與之對應的是一塊碼盤位置檢測板，該板是我們以前研制開發(fā)的用于伺服系統(tǒng)研究的成品板，板內包括長線接收電路、判向電路、加減計數(shù)器、清零控制電路、數(shù)據(jù)緩沖讀寫邏輯、中斷控制、定時、i/o等部分。d/a選用８通道、８位d/a轉換電路板。i/o板包括16路i/o，每路都帶光隔以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

變頻器及相關電路如圖3示。其中sb1是啟動按鈕；sb2是停車按鈕用于緊急停車或系統(tǒng)關機停車；st1、st2是上限位、下限位行程開關；sb3、sb4分別是對應上限位、下限位行程開關的限位解脫按鈕。當系統(tǒng)運行出現(xiàn)故障，某升降臺超出正常行程范圍碰壓行程開關時，相應交流接觸器動作致使該臺動力部分停電，電機處于抱閘狀態(tài)，此時該臺機器將由于行程開關的動作（一直處于動作狀態(tài)）而無法啟動。與行程開關并聯(lián)的解脫按鈕可用于機器的限位啟動和限位的解脫。

電機的松閘、抱閘由中間繼電器ka控制，其控制電壓為220v,觸頭電壓為380v。ka的一常閉觸頭接于bx、sc之間，如圖３所示。當bx、sc短接時，變頻器輸出力矩為0，呈自由停車狀態(tài)。電機的電磁抱閘系統(tǒng)電源由380v線電壓經內部半波整流電路提供。ka的常開觸頭閉合，電機松閘；斷開，電機抱閘。

工作時設定變頻器工作在端子狀態(tài)，即工作頻率由端子通過模擬量給定，操作命令如正反轉、啟動停止等也由相關端子確定。我們選用的是北京騰龍信息技術有限公司生產的vg2000系列國產變頻器，工作頻率由端子fv和fc（模擬地）接收的模擬電壓確定；正反轉、啟動停止由端子for、sc和rev、sc（數(shù)字地）確定。for與sc短接，電機正轉；rev與sc短接，電機反轉；二者皆短路將輸出0力矩，這種情況本系統(tǒng)絕對不允許。

tb、tc是變頻器的保護端子，當變頻器故障（如過流）時tb、tc斷開，正常時tb、tc呈接通短路狀態(tài)