舞臺威亞基于CAN總線的直線運動防搖控制

望滿春 張煥兵 邱雙武

摘 要：演員在使用舞臺威亞做直線運動演出的過程中不能夠出現搖晃現象，需要進行防搖控制。采用變頻器控制器通過CAN總線控制變頻器的方式實現無傳感器的開環防搖控制，這種系統架構成本低，使用靈活。經過測試驗證，這種方法防搖效果取決于防搖輔助功能參數的設置調整，在沿著切線運動方向可實現平穩的啟動和停止，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量擺角來做閉環控制。

關鍵詞：直線運動；CAN總線；防搖控制；無傳感器

中圖分類號：TN92 文獻標志碼：A 文章編號：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

舞臺威亞是運用鋼纜把演員或者道具懸吊到空中進行一些特定的表演，以達到某種舞臺視覺效果。在直線軌道運動控制中，不受控制的演員搖晃會產生危險。演員演出的過程中不能夠出現搖晃現象，要達到較好的視覺效果，需要進行防搖控制。目前防搖控制主要集中在起重機行業，鄒軍等研究了水平運動及抓斗防擺規律[1]，肖鵬等通過MEMS微加速度計建立閉環實現防搖控制[2]，翟軍勇等研究了基于機器視覺的集裝箱橋吊系統閉環防搖控制算法[4]，付主木等在基于機器視覺，運用拉格朗日方程建立橋吊防搖系統的數學模型，實現了雙閉環的防搖控制[5]，防搖控制方法的理論研究較多，但這些理論方法與實際可行的物理實現還存在一定距離[6]，防搖控制也都集中采用閉環控制的方式來消除載荷的搖動，采用CAN總線來構建防搖控制系統的方法具有指導性的意義，由于CAN總線具有：報文接收的優先權，保證延遲時間，靈活的控制器設置，時間同步的多點接受，系統內數據的一致性，易于錯誤檢測和錯誤標定等特點[6]，本文通過施耐德 ATV IMC驅動控制器集成到施耐德ATV71變頻器的方式來實現無需傳感器的開環防搖控制，采用Somachine軟件平臺對防搖控制功能塊進行編程調用，實現了防搖控制和調整。經過測試，可以達到直線軌道舞臺威亞控制的防搖效果。

2 防搖控制原理與實現

2.1 小車在實際運行過程中抑制出現擺動的運動控制模型

小車運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只接受電動機的控制，因此小車的移動速度和精度控制是較易實現的，相對而言，吊具的防搖控制往往難于實現[5]。施耐德可編程控制卡ATV-IMC防搖控制的系統架構如下，將ATV-IMC通過CANopen總線與ATV71變頻器連接，通過ATV-IMC自身的數字量輸入通道來完成對變頻器的啟停控制，固定繩長的確定和防搖控制功能的激活，如圖1：

在恒加速過程中，鐘擺運動無論有無負載，都具有相同的擺動角度和周期。由于負載的搖擺只取決于從小車到負載重心長度d，而d=繩長+負載高度，即可確定主鉤的總繩長。

2.2 通過可編程控制卡ATV-IMC對直線軌道的威亞進行防搖控制的系統架構

在防搖控制的電氣設計方面，傳動系統采用變頻調速，在啟動和停止、加速和減速時采用緩慢的無級調速的方法，使得吊具負載的擺幅變小，工作穩定[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，對CANopen總線組態，實現了對施耐德ATV71變頻器的CANopen通信控制，通過施耐德ATV71變頻器的降壓啟動方式來驅動直線威亞軌道的行走電機。

施耐德變頻器控制器的防搖控制功能包含三個獨立的子功能塊，分別是開環防搖控制功能塊AntiSwayOpenLoop_2，通過防搖控制PAS參數的輸入來計算速度曲線來控制負載搖擺；繩長檢測功能塊CableLength_2pos，通過2位置選擇開關來確定繩長；速度給定功能塊SpeedSelect，設定變頻器的運行速度。

2.3 基于ATV-IMC可編程卡的防搖控制的編程

施耐德Somachine軟件平臺最大任務數為9，最大循環任務數為3，自由任務的最大數為1，外部事件任務的最大數為5，基于ATV-IMC的硬件資源特性，在任務配置中，將防搖控制主程序和繩長檢測子程序載入到MAST的配置中進行調用。通過SoMachine軟件平臺，采用CFC語言將關鍵功能塊進行編程仿真測試，可以正常工作，對防搖控制系統的運行速度的監控，可以看到防搖曲線的變化趨勢。

3 直線軌道防搖控制的測試結果

3.1 測試條件

軟件平臺采用Schneider的Somachine軟件平臺進行編程調試和監控，測試防搖效果。

硬件配置：可編程控制卡ATV-IMC的數字量輸入CL_LI55作為正向運動輸入，CI_LI56作為反向運動輸入，CL_LI51作為防搖功能開關輸入，CL_LI53和CL_LI54作為固定繩長的開關量輸入，Schneider變頻器ATV71HU15N4Z，普通三相異步電機，額定轉速為1400轉/分鐘，減速機為10：1，滾輪的直徑為180mm，測試的10米長的直線軌道，3.3米的主鉤繩長，測試直線軌道控制過程中，保證平穩無擺動的運行效果。

AntiSwayOpenLoop_2中必須有PAS參數準確的輸入，測試四組PAS參數設置。

通過對四組PAS參數的設置，均達到了比較好的防搖效果，在鋼絲繩的主鉤上吊人測試，在啟動和停車以及運行過程中，沒有搖晃的感覺，達到了舞臺威亞的效果。

3.2 實驗結果

通過對施耐德變頻器控制器ATV-IMC的實際防搖控制效果的測試，發現起到關鍵作用的是PAS參數與實際運行軌道物理特性的正確匹配設置，通過加減時間的設置，直線威亞軌道的控制可以實現平穩的啟動和停止，通過對變頻器進行5Hz和50Hz不同的頻率運行測試，最佳的防搖控制狀態是負載搖晃位移小于等于±10cm，不影響威亞演員的正常演出。

4 結束語

通過變頻器控制器的無傳感器的防搖運行控制，經過測試最佳平穩的啟停和運行效果基于直線運動的切向運行方向，適合于直線軌道固定繩長的威亞演出表演，可以達到較好的舞臺視覺效果。

在舞臺威亞演出中，除了直線威亞軌道的防搖運動控制，還有需要變化繩長同時做水平運動的防搖控制，另外還有圓弧形威亞軌道的控制，對于變化繩長威亞和圓弧威亞的防搖控制還需要做實驗來測試驗證實際的防搖效果。

參考文獻：

[1]鄒軍，陳志堅.橋式起重機水平運行及抓斗防擺規律研究[J].山東大學學報（理學版），1998（sd）：393-397

[2]肖鵬，王冰.基于MEMS微加速度計的無視覺傳感器防搖控制系統研究[J].機電工程，2005，22（1）：1-5

[3]周元輝，杜京義.自動抓斗起重機吊具防搖擺研究與實現[J].自動化博覽，2007，24（5）：90-91

[4]翟軍勇，費樹岷.集裝箱橋吊防搖切換控制研究[J].電機與控制學報，2009，13（6）：933-936

[5]付主木，高愛云，費樹岷，等.集裝箱橋吊多模型參考切換雙閉環防搖控制[J].機械工程學報，2011，47（23）：161-166.

[6]鐘斌，程文明，吳曉，等.起重機吊重防搖CAN控制系統智能節點設計[J].微計算機信息，2007，23（35）：1-3.