望滿春 張煥兵 邱雙武

摘 要：演員在使用舞臺(tái)威亞做直線運(yùn)動(dòng)演出的過程中不能夠出現(xiàn)搖晃現(xiàn)象，需要進(jìn)行防搖控制。采用變頻器控制器通過CAN總線控制變頻器的方式實(shí)現(xiàn)無傳感器的開環(huán)防搖控制，這種系統(tǒng)架構(gòu)成本低，使用靈活。經(jīng)過測(cè)試驗(yàn)證，這種方法防搖效果取決于防搖輔助功能參數(shù)的設(shè)置調(diào)整，在沿著切線運(yùn)動(dòng)方向可實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的啟動(dòng)和停止，可以控制搖晃。無需通過編碼器反饋搖晃位移或者通過視覺傳感器測(cè)量擺角來做閉環(huán)控制。

關(guān)鍵詞：直線運(yùn)動(dòng)；CAN總線；防搖控制；無傳感器

中圖分類號(hào)：TN92 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）09-0031-02

Abstract： Actors in the use of stage wire in the process of linear movement performance can not appear rocking phenomenon， need to be anti-shake control. The inverter controller is used to control the frequency converter by CAN bus to realize the open loop anti-rolling sensorless control. This system has low cost and flexible use. The test results show that the anti-rolling effect of this method depends on the adjustment of the anti-rolling auxiliary function parameters. It can start and stop smoothly along the tangent direction and can control the shaking. There is no need to use the encoder to feedback the rocking displacement or to measure the swing angle by the visual sensor for closed-loop control.

Keywords： linear motion； CAN bus； anti-rolling control； sensorless

1 概述

舞臺(tái)威亞是運(yùn)用鋼纜把演員或者道具懸吊到空中進(jìn)行一些特定的表演，以達(dá)到某種舞臺(tái)視覺效果。在直線軌道運(yùn)動(dòng)控制中，不受控制的演員搖晃會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)。演員演出的過程中不能夠出現(xiàn)搖晃現(xiàn)象，要達(dá)到較好的視覺效果，需要進(jìn)行防搖控制。目前防搖控制主要集中在起重機(jī)行業(yè)，鄒軍等研究了水平運(yùn)動(dòng)及抓斗防擺規(guī)律[1]，肖鵬等通過MEMS微加速度計(jì)建立閉環(huán)實(shí)現(xiàn)防搖控制[2]，翟軍勇等研究了基于機(jī)器視覺的集裝箱橋吊系統(tǒng)閉環(huán)防搖控制算法[4]，付主木等在基于機(jī)器視覺，運(yùn)用拉格朗日方程建立橋吊防搖系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了雙閉環(huán)的防搖控制[5]，防搖控制方法的理論研究較多，但這些理論方法與實(shí)際可行的物理實(shí)現(xiàn)還存在一定距離[6]，防搖控制也都集中采用閉環(huán)控制的方式來消除載荷的搖動(dòng)，采用CAN總線來構(gòu)建防搖控制系統(tǒng)的方法具有指導(dǎo)性的意義，由于CAN總線具有：報(bào)文接收的優(yōu)先權(quán)，保證延遲時(shí)間，靈活的控制器設(shè)置，時(shí)間同步的多點(diǎn)接受，系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)的一致性，易于錯(cuò)誤檢測(cè)和錯(cuò)誤標(biāo)定等特點(diǎn)[6]，本文通過施耐德 ATV IMC驅(qū)動(dòng)控制器集成到施耐德ATV71變頻器的方式來實(shí)現(xiàn)無需傳感器的開環(huán)防搖控制，采用Somachine軟件平臺(tái)對(duì)防搖控制功能塊進(jìn)行編程調(diào)用，實(shí)現(xiàn)了防搖控制和調(diào)整。經(jīng)過測(cè)試，可以達(dá)到直線軌道舞臺(tái)威亞控制的防搖效果。

2 防搖控制原理與實(shí)現(xiàn)

2.1 小車在實(shí)際運(yùn)行過程中抑制出現(xiàn)擺動(dòng)的運(yùn)動(dòng)控制模型

小車運(yùn)行控制中必須完成定位于防搖的同步控制，由于小車水平方向的移動(dòng)只接受電動(dòng)機(jī)的控制，因此小車的移動(dòng)速度和精度控制是較易實(shí)現(xiàn)的，相對(duì)而言，吊具的防搖控制往往難于實(shí)現(xiàn)[5]。施耐德可編程控制卡ATV-IMC防搖控制的系統(tǒng)架構(gòu)如下，將ATV-IMC通過CANopen總線與ATV71變頻器連接，通過ATV-IMC自身的數(shù)字量輸入通道來完成對(duì)變頻器的啟?？刂疲潭ɡK長(zhǎng)的確定和防搖控制功能的激活，如圖1：

在恒加速過程中，鐘擺運(yùn)動(dòng)無論有無負(fù)載，都具有相同的擺動(dòng)角度和周期。由于負(fù)載的搖擺只取決于從小車到負(fù)載重心長(zhǎng)度d，而d=繩長(zhǎng)+負(fù)載高度，即可確定主鉤的總繩長(zhǎng)。

2.2 通過可編程控制卡ATV-IMC對(duì)直線軌道的威亞進(jìn)行防搖控制的系統(tǒng)架構(gòu)

在防搖控制的電氣設(shè)計(jì)方面，傳動(dòng)系統(tǒng)采用變頻調(diào)速，在啟動(dòng)和停止、加速和減速時(shí)采用緩慢的無級(jí)調(diào)速的方法，使得吊具負(fù)載的擺幅變小，工作穩(wěn)定[3]。利用施耐德ATV-IMC控制器3核CPU的硬件特性，通過施耐德Somachine軟件平臺(tái)，對(duì)CANopen總線組態(tài)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)施耐德ATV71變頻器的CANopen通信控制，通過施耐德ATV71變頻器的降壓?jiǎn)?dòng)方式來驅(qū)動(dòng)直線威亞軌道的行走電機(jī)。

施耐德變頻器控制器的防搖控制功能包含三個(gè)獨(dú)立的子功能塊，分別是開環(huán)防搖控制功能塊AntiSwayOpenLoop_2，通過防搖控制PAS參數(shù)的輸入來計(jì)算速度曲線來控制負(fù)載搖擺；繩長(zhǎng)檢測(cè)功能塊CableLength_2pos，通過2位置選擇開關(guān)來確定繩長(zhǎng)；速度給定功能塊SpeedSelect，設(shè)定變頻器的運(yùn)行速度。

2.3 基于ATV-IMC可編程卡的防搖控制的編程

施耐德Somachine軟件平臺(tái)最大任務(wù)數(shù)為9，最大循環(huán)任務(wù)數(shù)為3，自由任務(wù)的最大數(shù)為1，外部事件任務(wù)的最大數(shù)為5，基于ATV-IMC的硬件資源特性，在任務(wù)配置中，將防搖控制主程序和繩長(zhǎng)檢測(cè)子程序載入到MAST的配置中進(jìn)行調(diào)用。通過SoMachine軟件平臺(tái)，采用CFC語言將關(guān)鍵功能塊進(jìn)行編程仿真測(cè)試，可以正常工作，對(duì)防搖控制系統(tǒng)的運(yùn)行速度的監(jiān)控，可以看到防搖曲線的變化趨勢(shì)。

3 直線軌道防搖控制的測(cè)試結(jié)果

3.1 測(cè)試條件

軟件平臺(tái)采用Schneider的Somachine軟件平臺(tái)進(jìn)行編程調(diào)試和監(jiān)控，測(cè)試防搖效果。

硬件配置：可編程控制卡ATV-IMC的數(shù)字量輸入CL_LI55作為正向運(yùn)動(dòng)輸入，CI_LI56作為反向運(yùn)動(dòng)輸入，CL_LI51作為防搖功能開關(guān)輸入，CL_LI53和CL_LI54作為固定繩長(zhǎng)的開關(guān)量輸入，Schneider變頻器ATV71HU15N4Z，普通三相異步電機(jī)，額定轉(zhuǎn)速為1400轉(zhuǎn)/分鐘，減速機(jī)為10：1，滾輪的直徑為180mm，測(cè)試的10米長(zhǎng)的直線軌道，3.3米的主鉤繩長(zhǎng)，測(cè)試直線軌道控制過程中，保證平穩(wěn)無擺動(dòng)的運(yùn)行效果。

AntiSwayOpenLoop_2中必須有PAS參數(shù)準(zhǔn)確的輸入，測(cè)試四組PAS參數(shù)設(shè)置。

通過對(duì)四組PAS參數(shù)的設(shè)置，均達(dá)到了比較好的防搖效果，在鋼絲繩的主鉤上吊人測(cè)試，在啟動(dòng)和停車以及運(yùn)行過程中，沒有搖晃的感覺，達(dá)到了舞臺(tái)威亞的效果。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過對(duì)施耐德變頻器控制器ATV-IMC的實(shí)際防搖控制效果的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)起到關(guān)鍵作用的是PAS參數(shù)與實(shí)際運(yùn)行軌道物理特性的正確匹配設(shè)置，通過加減時(shí)間的設(shè)置，直線威亞軌道的控制可以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的啟動(dòng)和停止，通過對(duì)變頻器進(jìn)行5Hz和50Hz不同的頻率運(yùn)行測(cè)試，最佳的防搖控制狀態(tài)是負(fù)載搖晃位移小于等于±10cm，不影響威亞演員的正常演出。

4 結(jié)束語

通過變頻器控制器的無傳感器的防搖運(yùn)行控制，經(jīng)過測(cè)試最佳平穩(wěn)的啟停和運(yùn)行效果基于直線運(yùn)動(dòng)的切向運(yùn)行方向，適合于直線軌道固定繩長(zhǎng)的威亞演出表演，可以達(dá)到較好的舞臺(tái)視覺效果。

在舞臺(tái)威亞演出中，除了直線威亞軌道的防搖運(yùn)動(dòng)控制，還有需要變化繩長(zhǎng)同時(shí)做水平運(yùn)動(dòng)的防搖控制，另外還有圓弧形威亞軌道的控制，對(duì)于變化繩長(zhǎng)威亞和圓弧威亞的防搖控制還需要做實(shí)驗(yàn)來測(cè)試驗(yàn)證實(shí)際的防搖效果。

參考文獻(xiàn)：

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