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(shè)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(shù)含量最高的大型文藝晚會。演出使用證明，該系統(tǒng)設(shè)計合理、穩(wěn)定可靠，完全能滿足設(shè)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(guān)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(jīng)權(quán)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(gòu)，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(gòu)還有放大作用，驅(qū)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(gòu)，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(shè)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(diào)速系統(tǒng)。考慮到舞臺現(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(diào)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(yīng)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(nèi)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(zhuǎn)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(guān)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(guān)機停車)；ST1、ST2是上限位、下限位行程開關(guān)；SB3、SB4分別是對應(yīng)上限位、下限位行程開關(guān)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(guān)時，相應(yīng)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(guān)的動作(一直處于動作狀態(tài))而無法啟動。與行程開關(guān)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(jīng)內(nèi)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(shè)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(zhuǎn)、啟動停止等也由相關(guān)端子確定。我們選用的是北京騰龍信息技術(shù)有限公司生產(chǎn)的VG2000系列國產(chǎn)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(zhuǎn)、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(zhuǎn)；REV與SC短接，電機反轉(zhuǎn)；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)。B1、B2是外接再生制動端子，當升降臺下降時，由于重力作用可能會使電機轉(zhuǎn)速大于同步轉(zhuǎn)速，電機呈發(fā)電狀態(tài)，須在B1、B2間外接制動電阻，系統(tǒng)中選用的是80Ω、200W的電阻。
　　本系統(tǒng)提供手動、自動兩種工作狀態(tài)，由6刀雙擲開關(guān)S0在兩狀態(tài)間切換。手動時，有升(SB5)、降(SB6)兩個按鈕，每個按鈕包括兩組常開，一組常閉。常開分別用于電機正、反轉(zhuǎn)控制和松閘、抱閘，常閉用于互鎖。
　　交流接觸器的一對常開觸點KM作為指示某升降臺工作狀態(tài)的信號，連到計算機的I/O 板上。當自動控制時，計算機通過讀取各臺的該信號即知相應(yīng)的升降臺是就緒(啟動)還是故障(跳閘)，從而決定控制策略。另有一常開行程開關(guān)安裝在適當位置作零位開關(guān)使用，和光電碼盤的Z脈沖配合，用電路板上的硬件清零電路給位置計數(shù)器清零，以作為增量碼盤的初始位置。
　　整個系統(tǒng)開關(guān)量為56路，模擬量為7路。
3 軟件設(shè)計
　　本系統(tǒng)軟件分為參數(shù)裝訂模塊、修改模塊、歸零控制模塊、場景選擇模塊和運行控制模塊。參數(shù)裝訂模塊裝訂所有演出需要的場景參數(shù)，如各臺的上位、下位、是否往復、延時時間、運動類型、加速度、周期等；歸零控制模塊在每次系統(tǒng)啟動時負責使各升降臺歸至最低位置直至碰到零位開關(guān)，并給碼盤確定零位；場景選擇模塊把欲運行的場景的所有參數(shù)調(diào)入內(nèi)存并顯示在屏幕上；運行控制模塊負責某個已選場景的正確運行、故障處理等。
　　 所有程序用Borlandc 及匯編語言編制，界面做得類同Windows按鈕操作界面，美觀大方，操作簡單方便。在控制程序中，采樣周期為10ms。按0.4m/s的最快速度計算，一個采樣周期臺面運行4mm距離。實際在走定位控制時，到達減速距離后即給定變頻器一個很低的頻率約5Hz，在此頻率作用下臺面的運行高度在一個采樣周期內(nèi)只有0.4mm，對應(yīng)碼盤約4個碼左右，故定位精度可做得很高，實際系統(tǒng)定位精度達毫米數(shù)量級。
　　由于變頻器固有一個升、降速時間(可設(shè)定其長短)，即有一個加減速過程,速度不會出現(xiàn)階躍跳變，故對于每一個行程的運行，若指定為恒速運行，實則是加速、恒速、減速的運行過程，速度曲線如圖4所示；若距離較短，可能會沒有恒速過程，變?yōu)閳D5示的曲線。這樣對于一次給定距離的行程S，若想定位精確，就必須算出加(減)速對應(yīng)的距離S₀。當誤差進入S₀時，即馬上進入減速過程，否則絕對過沖。對于圖4所示行程,S＞2S₀，S₀＝v2/2a,v是要求的運行速度；a是變頻器設(shè)定的加速度。對于圖5，即本次行程S＜2S₀,則取S₀＝S/2作為減速距離。

　　本系統(tǒng)的運動方式分為定位和往復兩種。定位是指臺面運行到相應(yīng)臺的上位即停止；往復則指某臺在其上位和下位之間往復運動。下面給出部分程序流程圖，如圖6、圖7、圖8所示。

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