舞台威亚基于CAN总线的直线运动防摇控制

望满春 张焕兵 邱双武

摘 要：演员在使用舞台威亚做直线运动演出的过程中不能够出现摇晃现象，需要进行防摇控制。采用变频器控制器通过CAN总线控制变频器的方式实现无传感器的开环防摇控制，这种系统架构成本低，使用灵活。经过测试验证，这种方法防摇效果取决于防摇辅助功能参数的设置调整，在沿着切线运动方向可实现平稳的启动和停止，可以控制摇晃。无需通过编码器反馈摇晃位移或者通过视觉传感器测量摆角来做闭环控制。

关键词：直线运动；CAN总线；防摇控制；无传感器

中图分类号：TN92 文献标志码：A 文章编号：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

舞臺威亚是运用钢缆把演员或者道具悬吊到空中进行一些特定的表演，以达到某种舞台视觉效果。在直线轨道运动控制中，不受控制的演员摇晃会产生危险。演员演出的过程中不能够出现摇晃现象，要达到较好的视觉效果，需要进行防摇控制。目前防摇控制主要集中在起重机行业，邹军等研究了水平运动及抓斗防摆规律[1]，肖鹏等通过MEMS微加速度计建立闭环实现防摇控制[2]，翟军勇等研究了基于机器视觉的集装箱桥吊系统闭环防摇控制算法[4]，付主木等在基于机器视觉，运用拉格朗日方程建立桥吊防摇系统的数学模型，实现了双闭环的防摇控制[5]，防摇控制方法的理论研究较多，但这些理论方法与实际可行的物理实现还存在一定距离[6]，防摇控制也都集中采用闭环控制的方式来消除载荷的摇动，采用CAN总线来构建防摇控制系统的方法具有指导性的意义，由于CAN总线具有：报文接收的优先权，保证延迟时间，灵活的控制器设置，时间同步的多点接受，系统内数据的一致性，易于错误检测和错误标定等特点[6]，本文通过施耐德 ATV IMC驱动控制器集成到施耐德ATV71变频器的方式来实现无需传感器的开环防摇控制，采用Somachine软件平台对防摇控制功能块进行编程调用，实现了防摇控制和调整。经过测试，可以达到直线轨道舞台威亚控制的防摇效果。

2 防摇控制原理与实现

2.1 小车在实际运行过程中抑制出现摆动的运动控制模型

小车运行控制中必须完成定位于防摇的同步控制，由于小车水平方向的移动只接受电动机的控制，因此小车的移动速度和精度控制是较易实现的，相对而言，吊具的防摇控制往往难于实现[5]。施耐德可编程控制卡ATV-IMC防摇控制的系统架构如下，将ATV-IMC通过CANopen总线与ATV71变频器连接，通过ATV-IMC自身的数字量输入通道来完成对变频器的启停控制，固定绳长的确定和防摇控制功能的激活，如图1：

在恒加速过程中，钟摆运动无论有无负载，都具有相同的摆动角度和周期。由于负载的摇摆只取决于从小车到负载重心长度d，而d=绳长+负载高度，即可确定主钩的总绳长。

2.2 通过可编程控制卡ATV-IMC对直线轨道的威亚进行防摇控制的系统架构

在防摇控制的电气设计方面，传动系统采用变频调速，在启动和停止、加速和减速时采用缓慢的无级调速的方法，使得吊具负载的摆幅变小，工作稳定[3]。利用施耐德ATV-IMC控制器3核CPU的硬件特性，通过施耐德Somachine软件平台，对CANopen总线组态，实现了对施耐德ATV71变频器的CANopen通信控制，通过施耐德ATV71变频器的降压启动方式来驱动直线威亚轨道的行走电机。

施耐德变频器控制器的防摇控制功能包含三个独立的子功能块，分别是开环防摇控制功能块AntiSwayOpenLoop_2，通过防摇控制PAS参数的输入来计算速度曲线来控制负载摇摆；绳长检测功能块CableLength_2pos，通过2位置选择开关来确定绳长；速度给定功能块SpeedSelect，设定变频器的运行速度。

2.3 基于ATV-IMC可编程卡的防摇控制的编程

施耐德Somachine软件平台最大任务数为9，最大循环任务数为3，自由任务的最大数为1，外部事件任务的最大数为5，基于ATV-IMC的硬件资源特性，在任务配置中，将防摇控制主程序和绳长检测子程序载入到MAST的配置中进行调用。通过SoMachine软件平台，采用CFC语言将关键功能块进行编程仿真测试，可以正常工作，对防摇控制系统的运行速度的监控，可以看到防摇曲线的变化趋势。

3 直线轨道防摇控制的测试结果

3.1 测试条件

软件平台采用Schneider的Somachine软件平台进行编程调试和监控，测试防摇效果。

硬件配置：可编程控制卡ATV-IMC的数字量输入CL_LI55作为正向运动输入，CI_LI56作为反向运动输入，CL_LI51作为防摇功能开关输入，CL_LI53和CL_LI54作为固定绳长的开关量输入，Schneider变频器ATV71HU15N4Z，普通三相异步电机，额定轉速为1400转/分钟，减速机为10：1，滚轮的直径为180mm，测试的10米长的直线轨道，3.3米的主钩绳长，测试直线轨道控制过程中，保证平稳无摆动的运行效果。

AntiSwayOpenLoop_2中必须有PAS参数准确的输入，测试四组PAS参数设置。

通过对四组PAS参数的设置，均达到了比较好的防摇效果，在钢丝绳的主钩上吊人测试，在启动和停车以及运行过程中，没有摇晃的感觉，达到了舞台威亚的效果。

3.2 实验结果

通过对施耐德变频器控制器ATV-IMC的实际防摇控制效果的测试，发现起到关键作用的是PAS参数与实际运行轨道物理特性的正确匹配设置，通过加减时间的设置，直线威亚轨道的控制可以实现平稳的启动和停止，通过对变频器进行5Hz和50Hz不同的频率运行测试，最佳的防摇控制状态是负载摇晃位移小于等于±10cm，不影响威亚演员的正常演出。

4 结束语

通过变频器控制器的无传感器的防摇运行控制，经过测试最佳平稳的启停和运行效果基于直线运动的切向运行方向，适合于直线轨道固定绳长的威亚演出表演，可以达到较好的舞台视觉效果。

在舞台威亚演出中，除了直线威亚轨道的防摇运动控制，还有需要变化绳长同时做水平运动的防摇控制，另外还有圆弧形威亚轨道的控制，对于变化绳长威亚和圆弧威亚的防摇控制还需要做实验来测试验证实际的防摇效果。

参考文献：

[1]邹军，陈志坚.桥式起重机水平运行及抓斗防摆规律研究[J].山东大学学报（理学版），1998（sd）：393-397

[2]肖鹏，王冰.基于MEMS微加速度计的无视觉传感器防摇控制系统研究[J].机电工程，2005，22（1）：1-5

[3]周元辉，杜京义.自动抓斗起重机吊具防摇摆研究与实现[J].自动化博览，2007，24（5）：90-91

[4]翟军勇，费树岷.集装箱桥吊防摇切换控制研究[J].电机与控制学报，2009，13（6）：933-936

[5]付主木，高爱云，费树岷，等.集装箱桥吊多模型参考切换双闭环防摇控制[J].机械工程学报，2011，47（23）：161-166.

[6]钟斌，程文明，吴晓，等.起重机吊重防摇CAN控制系统智能节点设计[J].微计算机信息，2007，23（35）：1-3.