畢業(yè)設(shè)計(jì)---舞臺(tái)特效控制系統(tǒng)

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　舞臺(tái)機(jī)械自動(dòng)化控制系統(tǒng)是一個(gè)集舞臺(tái)機(jī)械、電力電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、電視技術(shù)、聲學(xué)、美學(xué)等多學(xué)科、多界面相互結(jié)合的宏大的科學(xué)藝術(shù)體系。目前舞臺(tái)機(jī)械自動(dòng)化設(shè)備及其運(yùn)動(dòng)的控制已經(jīng)成為一項(xiàng)重要的研究課題，德國、日本、英國、美國等都有專門的生產(chǎn)廠家和相關(guān)的研究機(jī)構(gòu)，它們的歷史悠久、經(jīng)驗(yàn)豐富、產(chǎn)品質(zhì)量比較高，但價(jià)格相對來說比較昂貴。因此，

2、如果我們能開發(fā)出一套技術(shù)先進(jìn)、性能穩(wěn)定可靠的舞臺(tái)機(jī)械自動(dòng)化控制系統(tǒng)，那么就能節(jié)約成本，降低國家的投資，從而推動(dòng)我國舞臺(tái)機(jī)械行業(yè)的發(fā)展。</p><p>　　目前，從設(shè)計(jì)水平、整體工藝、控制性能以及投資費(fèi)用方面來看，我國的舞臺(tái)機(jī)械自動(dòng)化設(shè)備同歐洲產(chǎn)品仍有一定差距。所以，立足于我國國情，研究開發(fā)高性能、低成本的舞臺(tái)機(jī)械自動(dòng)化設(shè)備及運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)具有很大的實(shí)用價(jià)值。</p><p>　　本文針對大

3、型舞劇《粉末春秋》主舞臺(tái)的配置方案，首先，闡明了系統(tǒng)的硬件選型、組成，控制線路的連接，其次編寫了整個(gè)系統(tǒng)PLC控制程序，并進(jìn)一步詳細(xì)論述了PLC實(shí)現(xiàn)多電動(dòng)機(jī)同步控制策略。本設(shè)計(jì)中由于選擇了步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，對于步進(jìn)電機(jī)由于它是開環(huán)控制元件，為使得控制更加精確增加了反饋環(huán)節(jié)用到了線性位移傳感器。最后為舞臺(tái)控制系統(tǒng)繪制了CAD步進(jìn)電機(jī)的電氣接線圖。</p><p>　　關(guān)鍵詞：同步控制 步進(jìn)電機(jī) 線性位移傳感器 CA

4、D PLC </p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　Automatic stage machinery control system is a grand science and art system with stage machinery, electric power electronic technology, networ

5、k technology, TV technology, acoustics, aesthetic science, and multiple interface combination. At present , automatic stage machinery equipment and motion control have become a significant research subject, Germany, Japa

6、n, Britain, the United States already have specialized manufacturer and related research institutes. They all have a long history, rich exp</p><p>　　At present, from the level of design, the whole process, c

7、ontrol performance and investment costs, there is still some distance between China and Europe in the automation equipment of stage machinery. So, that, being based on China's national conditions, we research and dev

8、elop the automation equipment of stage machinery and motion control which is high-performance and lowcost , has certain practical value.</p><p>　　This article aims at illustrating the configuration scheme of

9、 the large ballet "fenmo chun qiu". Firstly, expound the system hardware selection, composition, control circuit connection. Secondly, write the whole system of PLC control program, and further explain the rea

10、lization synchronous motor PLC control strategy. This design due to choose the stepping motor driver motor, for step motor because it is the open loop control device, in order to make the control for more accurate feedba

11、ck part ,</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第1章 緒論- 1 -</p><p>　　1.1項(xiàng)目的背景及國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀- 1 -</p><p>　　1.1.1項(xiàng)目的背景- 1 -</p><p>　　1.1.2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)況- 1 -<

12、/p><p>　　1.2課題研究的意義- 3 -</p><p>　　1.3本文的主要研究工作- 3 -</p><p>　　第2章 系統(tǒng)的組成- 5 -</p><p>　　2.1舞臺(tái)特效控制系統(tǒng)的整體要求- 5 -</p><p>　　2.2電氣部分組成- 5 -</p><p>　　

13、2.2.1對電機(jī)數(shù)目的選取方案討論- 5 -</p><p>　　2.2.2對電機(jī)類型的選取- 6 -</p><p>　　2.2.3對轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)中反饋環(huán)節(jié)器件的選擇- 7 -</p><p>　　2.2.4對主電機(jī)速動(dòng)控制中調(diào)速方式的選擇- 8 -</p><p>　　2.3硬件部分組成- 8 -</p><

14、p>　　2.3.1PLC的選擇- 8 -</p><p>　　2.3.2 CAD的簡要介紹- 13 -</p><p>　　2.3.3硬件設(shè)計(jì)- 13 -</p><p>　　2.4軟件設(shè)計(jì)- 14 -</p><p>　　第3章 舞臺(tái)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)- 15 -</p><p>　　3.1舞臺(tái)控制系統(tǒng)

15、整體介紹- 15 -</p><p>　　3.2舞臺(tái)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)- 17 -</p><p>　　3.2.1舞臺(tái)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖3-3- 17 -</p><p>　　3.2.2步進(jìn)電機(jī)的有關(guān)介紹- 19 -</p><p>　　3.3.3系統(tǒng)中步進(jìn)電機(jī)的工作方式- 21 -</p><p>　　第

16、4章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)- 23 -</p><p>　　4.1 PLC通信協(xié)議及本文采用的編程環(huán)境- 23 -</p><p>　　4.2 PLC程序設(shè)計(jì)- 25 -</p><p>　　4.2.1 PLC控制信號(hào)定義- 26 -</p><p>　　4.2.2 PLC實(shí)現(xiàn)舞臺(tái)控制的程序- 26 -</p><p&

17、gt;　　第5章 系統(tǒng)的分析- 31 -</p><p>　　5.1系統(tǒng)分析- 31 -</p><p>　　5.2控制方案的提出- 32 -</p><p>　　第6章 結(jié)論- 35 -</p><p>　　參考文獻(xiàn)- 36 -</p><p><b>　　致謝- 37 -</b>&

18、lt;/p><p>　　附 錄- 38 -</p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　1.1項(xiàng)目的背景及國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　1.1.1項(xiàng)目的背景</p><p>　　隨著人們文化、生活水平的提高，對舞臺(tái)節(jié)目演出的質(zhì)量要求也越來越高，舞臺(tái)的現(xiàn)代化、智能化是

19、必然的發(fā)展趨勢。本文是以大型舞劇《粉末春秋》的主舞臺(tái)研制為背景，全面詳細(xì)論述了舞臺(tái)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。通過智能化控制及機(jī)電一體化技術(shù)實(shí)現(xiàn)舞臺(tái)的平移、旋轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)。針對大型舞劇《粉末春秋》主舞臺(tái)的配置方案，論述PLC實(shí)現(xiàn)多電動(dòng)機(jī)同步控制策略；系統(tǒng)的硬件選型、組成，控制線路的連接；PLC控制程序的編寫。</p><p>　　1.1.2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)況</p><p>　　舞臺(tái)機(jī)械自動(dòng)化是一個(gè)集舞

20、臺(tái)機(jī)械、電力電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、電視技術(shù)、聲學(xué)、美學(xué)等多學(xué)科、多界面相互結(jié)合的宏大科技藝術(shù)體系。現(xiàn)代舞臺(tái)技術(shù)的發(fā)展與科學(xué)技術(shù)密不可分，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步現(xiàn)代舞臺(tái)技術(shù)正在發(fā)生日新月異的變化，在有限的舞臺(tái)里創(chuàng)造了更多的發(fā)展空間，并給舞臺(tái)演藝人員提供了更美更廣闊的表演場地。同時(shí)，人們對舞臺(tái)藝術(shù)效果追求完美的要求，使得舞臺(tái)機(jī)械自動(dòng)化設(shè)備不僅要運(yùn)行穩(wěn)定、定位準(zhǔn)確、同步運(yùn)行精度高、噪音低，而且在運(yùn)行速度、空間位置變化上要實(shí)現(xiàn)豐富多彩，操作上更加方便

21、、靈活，使推、拉、升、降、轉(zhuǎn)的各種功能組合變化更加迅速、便捷，形成機(jī)械與藝術(shù)的完美結(jié)合。</p><p>　　因此，針對舞臺(tái)機(jī)械自動(dòng)化設(shè)備及其運(yùn)動(dòng)的控制成為一項(xiàng)重要的研究課題，德國、日本、英國、美國等都有專門的生產(chǎn)廠家和相關(guān)的研究機(jī)構(gòu)，而且它們歷史悠久、經(jīng)驗(yàn)豐富、產(chǎn)品質(zhì)量比較高，但價(jià)格相對來說比較昂貴。我國的舞臺(tái)機(jī)械自動(dòng)化設(shè)備制造起步較晚，最早出現(xiàn)于解放之后，經(jīng)歷了從無到有、從半自動(dòng)化到全自動(dòng)化、從單一化到多樣化

22、、從低精度到高精度的發(fā)展過程。目前，舞臺(tái)機(jī)械自動(dòng)化設(shè)備從設(shè)計(jì)水平、整體工藝、控制性能以及投資費(fèi)用方面來看，我國的舞臺(tái)機(jī)械自動(dòng)化設(shè)備同歐洲產(chǎn)品仍有一定差距。所以，立足于我國國情，研究開發(fā)出高性能、低成本的舞臺(tái)機(jī)械自動(dòng)化設(shè)備及運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)具有一定的實(shí)用價(jià)值。在舞臺(tái)機(jī)械自動(dòng)化設(shè)備中，旋轉(zhuǎn)臺(tái)是常用的一種臺(tái)下設(shè)備，它可以按某一固定或移動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)，用來快速變換舞臺(tái)場景或制造一些特殊的舞臺(tái)效果。對舞臺(tái)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通常要求能無級變速，啟動(dòng)、制動(dòng)迅速，轉(zhuǎn)動(dòng)平

23、穩(wěn)，定位可靠，因而轉(zhuǎn)臺(tái)的電氣傳動(dòng)和調(diào)速控制性能成為整個(gè)系統(tǒng)乃至演出效果的一項(xiàng)決定性因素。</p><p>　　我國舞臺(tái)機(jī)械自動(dòng)化與歐洲和亞洲的一些發(fā)達(dá)國家相比發(fā)展較晚。二十世紀(jì)八十年代以前，舞臺(tái)機(jī)械自動(dòng)化設(shè)備只是手動(dòng)或局部電動(dòng)的設(shè)備。手動(dòng)設(shè)備要人力拉或推，使用時(shí)需要配備許多專門的工作人員。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)設(shè)備不能調(diào)速，更無法定位，控制系統(tǒng)是相當(dāng)簡單的常規(guī)控制電路，演出時(shí)使用的設(shè)備數(shù)量、操作等受到限制，影響演出效果。<

24、;/p><p>　　進(jìn)入二十世紀(jì)八十年代，中國劇院為配合大型音樂舞蹈史詩《中國革命之歌》的演出，設(shè)置臺(tái)上、臺(tái)下舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用滾壓技術(shù)，控制系統(tǒng)采用直接的計(jì)算機(jī)控制。如此規(guī)模的應(yīng)用舞臺(tái)機(jī)械在我國劇院建設(shè)中是開創(chuàng)性的，控制系統(tǒng)也是采用當(dāng)時(shí)先進(jìn)控制技術(shù)。但因液壓設(shè)備維護(hù)量大，控制系統(tǒng)不太穩(wěn)定，后來設(shè)備處于停用狀態(tài)。</p><p>　　進(jìn)入二十世紀(jì)九十年代后期，隨著歌劇、戲曲、音樂、舞蹈

25、、雜技等多重文化的興起，劇院建設(shè)相對進(jìn)入一個(gè)高潮期，對舞臺(tái)機(jī)械自動(dòng)化設(shè)備的需求成倍增長，也對舞臺(tái)機(jī)械自動(dòng)化設(shè)備的性能提出了更高的要求。舞臺(tái)的設(shè)計(jì)大多數(shù)為正規(guī)的鏡框式臺(tái)口或品字型舞臺(tái)，臺(tái)下設(shè)備主要有主升降臺(tái)、左右車臺(tái)、后車轉(zhuǎn)臺(tái)、升降樂池等。臺(tái)上設(shè)備主要配備防火幕、假臺(tái)口、大幕機(jī)、二道幕、吊桿、單點(diǎn)吊機(jī)、燈桿、過渡橋、燈光吊籠等。這時(shí)，國際知名舞臺(tái)機(jī)械自動(dòng)化設(shè)備制造廠商紛紛進(jìn)入中國，積極參與中國的劇院建設(shè)及舞臺(tái)的自動(dòng)化改造，主要有日本三菱，

26、德國SBS、力士樂公司等，中高端劇院建設(shè)幾乎被他們壟斷。</p><p>　　隨著我國國民經(jīng)濟(jì)實(shí)力的不斷增強(qiáng)，人民生活水平的不斷提高，文化修養(yǎng)的日漸提升，對文化藝術(shù)的需要也越來越高，我國的劇院建設(shè)、改造進(jìn)入了一個(gè)蓬勃發(fā)展的時(shí)期。而作為現(xiàn)代化劇院不可缺少的主要組成部分——舞臺(tái)機(jī)械自動(dòng)化設(shè)備，也逐漸成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。從舞臺(tái)機(jī)械自動(dòng)化發(fā)展的歷史和使用情況來看，舞臺(tái)機(jī)械自動(dòng)化設(shè)備在劇院建成后的長期使用中，起著非常重要的

27、作用。舞臺(tái)機(jī)械自動(dòng)化設(shè)備最初是為了滿足演出中大型場景的切換而設(shè)置的可以控制的系統(tǒng)，但現(xiàn)在舞臺(tái)機(jī)械自動(dòng)化設(shè)備除了有大型場景的變化功能之外，還越來越多地參與舞臺(tái)效果的表演。通過舞臺(tái)機(jī)械的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)演員的出場、謝幕，或者為營造某種氛圍，產(chǎn)生特殊視覺效果的一種手段，成為導(dǎo)演的表演道具，可以說舞臺(tái)機(jī)械自動(dòng)化設(shè)備的性能直接決定了劇院的現(xiàn)代化水平。</p><p>　　盡管國內(nèi)舞臺(tái)機(jī)械自動(dòng)化設(shè)備生產(chǎn)廠商比較多，但水平參差不齊，

28、國內(nèi)中低檔的舞臺(tái)機(jī)械工程主要是國內(nèi)廠商承建，極大多數(shù)廠商的控制系統(tǒng)與日本模式比較接近，主要的控制器也是PLC，定位靠PLC的定位模塊來實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　1.2課題研究的意義</p><p>　　隨著劇院建設(shè)的蓬勃發(fā)展，舞臺(tái)機(jī)械自動(dòng)化設(shè)備行業(yè)的發(fā)展前景被人們看好。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年舞臺(tái)機(jī)械自動(dòng)化工程加起來有五個(gè)億人民幣，而且呈逐年遞增的趨勢。國外舞臺(tái)機(jī)械廠商經(jīng)驗(yàn)豐富、業(yè)績多、技術(shù)先進(jìn)，目

29、前中高端市場被國外公司所壟斷。但由國外廠商承建的項(xiàng)目，價(jià)格很高，這使得很多劇院無法承受，例如日本三菱公司承建的國家大劇院歌劇院舞臺(tái)機(jī)械自動(dòng)化設(shè)備的合同金額就有三千萬美元。</p><p>　　舞臺(tái)機(jī)械自動(dòng)化控制系統(tǒng)作為舞臺(tái)機(jī)械的靈魂，顯得尤為重要。舞臺(tái)機(jī)械的性能在一定程度上來說主要由控制系統(tǒng)決定的。控制系統(tǒng)先進(jìn)性決定了舞臺(tái)機(jī)械的現(xiàn)代化水平，控制系統(tǒng)的安全可靠性決定了舞臺(tái)機(jī)械的安全可靠，控制系統(tǒng)的人機(jī)界面決定了操作

30、的方便程度。如果我們開發(fā)出技術(shù)先進(jìn)、性能穩(wěn)定可靠、成本相對較低的舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)，不僅能節(jié)約成本，降低國家的投資，而且能推動(dòng)我國舞臺(tái)機(jī)械行業(yè)發(fā)展。</p><p>　　舞臺(tái)機(jī)械自動(dòng)化項(xiàng)目的開發(fā)成功，不但使傳統(tǒng)的舞臺(tái)本身發(fā)生了實(shí)質(zhì)性的變化，而且是在機(jī)械、液壓及計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制方面和機(jī)電一體化方面又開發(fā)出一個(gè)成功的范例，具有明顯的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益。舞臺(tái)機(jī)械自動(dòng)化設(shè)備集機(jī)械、液壓、計(jì)算機(jī)、電機(jī)、自動(dòng)控制于一體，具有先進(jìn)性、

31、實(shí)用性、創(chuàng)新性等性能，舞臺(tái)的大量制造對于機(jī)械制造業(yè)、機(jī)—電一體化、自動(dòng)化行業(yè)均有很大的推動(dòng)作用。</p><p>　　1.3本文的主要研究工作</p><p>　　對舞臺(tái)空間姿態(tài)控制系統(tǒng)的性能、工作方式、工作過程進(jìn)行了分析研究，參閱了大量的資料。根據(jù)舞劇的要求設(shè)計(jì)了該舞臺(tái)控制系統(tǒng)和電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)。按照控制方案進(jìn)行了硬件系統(tǒng)的構(gòu)建，軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。編寫了PLC程序，實(shí)現(xiàn)舞臺(tái)空間控制系統(tǒng)的

32、自動(dòng)化控制。</p><p>　　該舞劇對舞臺(tái)的具體設(shè)計(jì)要求是：該舞臺(tái)通過電氣設(shè)計(jì)控制能達(dá)到使舞臺(tái)前進(jìn)、后退、左右、斜行45度、旋轉(zhuǎn)的舞臺(tái)效果，除此之外還要求舞臺(tái)可以快速組裝（舞臺(tái)是分片的）。</p><p><b>　　本文的主要工作：</b></p><p>　?。?）根據(jù)舞臺(tái)空間姿態(tài)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)電氣控制方案。</p>

33、<p>　?。?）綜合運(yùn)用有關(guān)課程的知識(shí)，了解步進(jìn)電機(jī)調(diào)速原理。</p><p>　?。?）掌握有關(guān)傳感器控制和PLC編程方面的知識(shí)，樹立正確的設(shè)計(jì)思想</p><p>　?。?）根據(jù)步進(jìn)電機(jī)控制原理，設(shè)計(jì)帶有反饋的控制流程圖。</p><p>　　（5）編寫PLC控制程序。</p><p>　　（6）畫出CAD電機(jī)分布圖。<

34、;/p><p><b>　　第2章 系統(tǒng)的組成</b></p><p>　　2.1舞臺(tái)特效控制系統(tǒng)的整體要求</p><p>　　一、舞臺(tái)控制系統(tǒng)的外形尺寸</p><p>　　舞臺(tái)空間控制系統(tǒng)尺寸（長×寬×高）</p><p>　　標(biāo)準(zhǔn)6×4×5 單位m<

35、;/p><p>　　底座加樓門重2.5 單位t</p><p>　　二、舞臺(tái)空間控制系統(tǒng)的技術(shù)要求</p><p>　　控制對象為四個(gè)輪子，首先要通過反饋得到每個(gè)輪子的實(shí)際角度，編程計(jì)算出與所發(fā)出的命令的角度差，發(fā)出相應(yīng)數(shù)量的脈沖給步進(jìn)電機(jī)，對輪子方向進(jìn)行控制。而步進(jìn)電機(jī)雖然便宜實(shí)用，但是沒有伺服電機(jī)自帶反饋的特點(diǎn)，容易丟步，而伺服電機(jī)價(jià)格較高，所有在選擇使用步進(jìn)電機(jī)

36、控制時(shí)，要加入反饋環(huán)節(jié)，在步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行完命令后，再測一次輪子的角度，反饋至PLC中，再與指定角度相比較，如果有偏差，根據(jù)偏差大小，發(fā)出相應(yīng)的脈沖數(shù)，使步進(jìn)電機(jī)繼續(xù)執(zhí)行，直到反饋信號(hào)與給定信號(hào)一致，說明角度已經(jīng)調(diào)整正確，可以進(jìn)行下面的動(dòng)作。</p><p>　　舞臺(tái)橫向移動(dòng)時(shí)輪子角度設(shè)置為0度；縱向移動(dòng)時(shí)90度；45度移動(dòng)時(shí)45度，旋轉(zhuǎn)時(shí)四個(gè)輪子的角度分別設(shè)置為45度、135度、45度、135度</p>

37、<p><b>　　2.2電氣部分組成</b></p><p>　　2.2.1對電機(jī)數(shù)目的選取方案討論</p><p>　　針對該舞臺(tái)的設(shè)計(jì)要求對可行方案進(jìn)行了討論：該舞臺(tái)的電氣控制采用直流電機(jī)來實(shí)現(xiàn)，具體到采用幾個(gè)電機(jī)比較合理進(jìn)行了考慮如下：</p><p>　　1、若采用一個(gè)電機(jī)，對于舞臺(tái)的方向性控制不好，故不宜采用。<

38、/p><p>　　2、若采用兩個(gè)電機(jī)，一方面對舞臺(tái)的方向性控制不好，另一方面舞臺(tái)的鋼結(jié)構(gòu)性能不好。</p><p>　　3、若采用三個(gè)電機(jī)，對舞臺(tái)的方向性具有了一定的控制力，但考慮到三臺(tái)電機(jī)對舞臺(tái)的支撐性能不夠好。</p><p>　　4、由于以上三種情況故而至少選用四臺(tái)電機(jī)，既滿足了對舞臺(tái)方向性的控制要求又滿足了對舞臺(tái)的支撐性能要求。</p><p

39、>　　介于以上對電機(jī)數(shù)目的選擇，對該設(shè)計(jì)應(yīng)采用4套動(dòng)力裝置，每套動(dòng)力裝置中有主驅(qū)動(dòng)裝置，轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)裝置。</p><p>　　2.2.2對電機(jī)類型的選取</p><p>　　對于該驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇直流型，現(xiàn)對選取直流電機(jī)理由如下：</p><p>　　1、對直流電動(dòng)機(jī)交流電動(dòng)機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中的比較：直流電機(jī)調(diào)速方便，低速轉(zhuǎn)矩大，技術(shù)比較成熟，可簡易調(diào)速。而交流電機(jī)結(jié)構(gòu)

40、簡單，運(yùn)行可靠，采用V/F可方便調(diào)速。但這種調(diào)速方式牽涉到電源轉(zhuǎn)換問題，一般蓄電池都是直流的，可移動(dòng)性較好，而交流電源比較固定。</p><p>　　2、對該舞臺(tái)四套電機(jī)系統(tǒng)中旋轉(zhuǎn)電機(jī)都采用步進(jìn)電機(jī)。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，常常需要把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移。步進(jìn)電機(jī)就是一種用電脈沖進(jìn)行控制、講電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)角位移的電機(jī)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸入一個(gè)電脈沖就前進(jìn)一步，其輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。它

41、在數(shù)控開環(huán)系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件，例如用在數(shù)字程序控制線切割機(jī)、平面繪圖機(jī)中。使用最多的一種步進(jìn)電機(jī)是反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和感應(yīng)子式永磁步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的基本原理與反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相似。直流永磁式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的磁場不變，電壓與轉(zhuǎn)速成正比。</p><p>　　3、采用步進(jìn)電機(jī)的缺點(diǎn)及需要改進(jìn)的地方：步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€性位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)

42、的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點(diǎn)，使得其在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變得非常簡單。但是步進(jìn)電機(jī)是開環(huán)控制元件，由于開環(huán)控制元件控制器與被控對象間只有順序作用而無反向聯(lián)系且控制單方向進(jìn)行，故而開環(huán)控制元件的控制精度通常較低、無自動(dòng)糾偏能力。</p><p>　　介于以上對步進(jìn)電機(jī)缺點(diǎn)的分析

43、，我們對該舞臺(tái)控制系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)的控制方式進(jìn)行了修改，采用增加反饋環(huán)節(jié)的方式來解決步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制的不足。以下做簡單的介紹：在對步進(jìn)電機(jī)控制原理的分析研究之后，我們在步進(jìn)電機(jī)給轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)裝置提供脈沖的過程中，在角度驅(qū)動(dòng)電機(jī)與轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)輪之間增加了一個(gè)反饋環(huán)節(jié)，此環(huán)節(jié)用于檢測、控制步進(jìn)電機(jī)是否按照給定的角度要求來給轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)裝置發(fā)送脈沖。</p><p>　　此反饋環(huán)節(jié)會(huì)有兩種情況出現(xiàn)：一、當(dāng)步進(jìn)電機(jī)按要求正常發(fā)送脈沖

44、數(shù)目給轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)裝置時(shí)，反饋環(huán)節(jié)檢測到到步進(jìn)電機(jī)工作正常，此時(shí)反饋環(huán)節(jié)不做任何處理；二、當(dāng)步進(jìn)電機(jī)工作出現(xiàn)誤差或由于控制過程出現(xiàn)偏差時(shí)，反饋環(huán)節(jié)會(huì)檢測到步進(jìn)電機(jī)未按規(guī)定要求給轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)裝置發(fā)送正確的脈沖數(shù)目，此時(shí)反饋環(huán)節(jié)起作用，經(jīng)過反饋環(huán)節(jié)的比較之后會(huì)反饋與所缺脈沖數(shù)目成一定比例的電壓值給步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)，使得步進(jìn)電機(jī)補(bǔ)發(fā)不足的脈沖數(shù)，使其工作在正常狀態(tài)。</p><p>　　4、對于步進(jìn)電機(jī)選擇另外比較重要的原因

45、是：步進(jìn)電機(jī)比起交流伺服電機(jī)來更經(jīng)濟(jì)實(shí)用，控制簡單。</p><p>　　2.2.3對轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)中反饋環(huán)節(jié)器件的選擇</p><p>　　對于給步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)所要加的反饋控制系統(tǒng)有兩種辦法可以選擇，介于現(xiàn)場的舞臺(tái)設(shè)計(jì)要求的考慮我們選其中的一種，具體辦法及其取舍分析如下：</p><p>　　一、反饋環(huán)節(jié)采用線性位移傳感器來檢測步進(jìn)電機(jī)是否正常工作。該線性位移傳感

46、器的簡單工作原理是：在一定的小范圍角度內(nèi)，一定的角度對應(yīng)一定的長度，他們之間在這個(gè)小范圍內(nèi)的關(guān)系是呈線性的，然后該傳感器再將所測得的長度轉(zhuǎn)換為一定量的電信號(hào)，該電信號(hào)再與開始所規(guī)定的角度轉(zhuǎn)換成的電信號(hào)做比較，若與規(guī)定角度轉(zhuǎn)換成的電信號(hào)相符合則不處理；若與規(guī)定角度轉(zhuǎn)換成的電信號(hào)不符合則需要把比較后所差電信號(hào)反饋到步進(jìn)電機(jī)，進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。</p><p>　　二、反饋環(huán)節(jié)采用多圈電位器來檢測步進(jìn)電機(jī)是否正常工作。該

47、多圈電位器的簡單工作原理是：多圈電位器也是通過一定角度范圍的線性關(guān)系來檢測角度的器件，多圈電位器在上電后，等步進(jìn)電機(jī)發(fā)送的脈沖轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)向輪上一定的圈數(shù)（即一定的角度），轉(zhuǎn)向輪再通過連軸器與多圈電位器相連，多圈電位器對轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)過的圈數(shù)即角度進(jìn)行監(jiān)測，多圈電位器是直接線性反應(yīng)角度的器件，此時(shí)多圈電位器將角度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)與規(guī)定角度的電信號(hào)進(jìn)行比較。若多圈電位器與所規(guī)定角度的電信號(hào)正好相符合，則不做處理；若多圈電位器與所規(guī)定角度的電信號(hào)不符

48、合，則多圈電位器反饋電壓信號(hào)給步進(jìn)電機(jī)，使其補(bǔ)發(fā)不夠的脈沖。</p><p>　　對于以上兩種反饋環(huán)節(jié)器件的比較，他們的在舞臺(tái)特效控制系統(tǒng)中所起的作用都相同，但是由于第一種線性位移傳感器的占用空間比較大，考慮到舞臺(tái)設(shè)計(jì)的要求，在都能滿足條件的情況下，我們選擇第二種比較簡單實(shí)用且占用空間比較小的多圈電位器來實(shí)現(xiàn)所要求的控制效果。</p><p>　　2.2.4對主電機(jī)速動(dòng)控制中調(diào)速方式的選擇

49、</p><p>　　為了滿足舞臺(tái)特效控制系統(tǒng)中，舞臺(tái)可快速組裝的要求對驅(qū)動(dòng)主動(dòng)輪工作的主電機(jī)采用24V直流電源。有兩種方法可實(shí)現(xiàn)調(diào)速，對這兩種方式分析如下：</p><p>　　一、采用交流電動(dòng)機(jī)，通過V—F轉(zhuǎn)換來調(diào)速。定電壓頻率比（定V／F）是一種基本的交流調(diào)速方法。其基本原理是在調(diào)速過程中保持電壓和頻率的比值不變，從而使每極磁通量為定值?？臻g矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）是一種新型的脈寬

50、調(diào)制模式，它不但對三相交流電機(jī)產(chǎn)生的諧波失真最小，而且還能提供比正弦調(diào)制更有效的電壓。</p><p>　　二、采用直流電動(dòng)機(jī)，用IGBT降壓斬波調(diào)速。直流斬波調(diào)速控制的基本原理是按一個(gè)固定頻率來接通和斷開電源，并更具需要改變一個(gè)周期內(nèi)接通和斷開的時(shí)間比（占空比）來改變直流電機(jī)電樞上電壓的“占空比”，從而改變平均電壓，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。在脈寬調(diào)速系統(tǒng)中，當(dāng)電機(jī)通電時(shí)其速度增加，電機(jī)斷電時(shí)其速度減低。只要按照一定的規(guī)

51、律改變通、斷電的時(shí)間，即可控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，而且采用直流斬波技術(shù)構(gòu)成的無極調(diào)速系統(tǒng)，啟停時(shí)對直流系統(tǒng)無沖擊，并且具有啟動(dòng)功耗小、運(yùn)行穩(wěn)定的特點(diǎn)。</p><p>　　對于以上分析對該舞臺(tái)主電機(jī)的速度控制部分選擇直流電動(dòng)機(jī)，用IGBT降壓斬波的調(diào)速方式。</p><p><b>　　2.3硬件部分組成</b></p><p>　　2.3.1PLC的選

52、擇</p><p>　　S7-200 PLC基礎(chǔ)知識(shí)</p><p>　　可編程控制器（PLC）是一種數(shù)學(xué)邏輯運(yùn)算與操作的控制裝置。它作為傳統(tǒng)繼電器的替代產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域。由于PLC可以通過軟件來改變控制過程，具有體積小、組裝靈活、編程簡單、抗干擾能力強(qiáng)及可靠性高等特點(diǎn)，因此特別適合在惡劣環(huán)境下運(yùn)行。</p><p>　　在舞臺(tái)控制系統(tǒng)中我們選用西

53、門子S7-200系列PLC，它是德國西門子公司生產(chǎn)的一類小型PLC，它以結(jié)構(gòu)緊湊、價(jià)格低廉、可靠性高、指令集豐富、易于掌握、便捷的操作、豐富的內(nèi)置集成功能、實(shí)時(shí)特性、強(qiáng)勁的通訊能力和豐富的擴(kuò)展模塊等特點(diǎn)在集散自動(dòng)化系統(tǒng)中發(fā)揮著強(qiáng)大的作用。S7-200系列PLC使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡單控制到更復(fù)雜的自動(dòng)化控制，應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，覆蓋所有與自動(dòng)檢測，自動(dòng)化控制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域，包括各種機(jī)床、機(jī)械、電力設(shè)施、民用設(shè)施、環(huán)境保護(hù)設(shè)備

54、等等。</p><p>　　PLC通過輸入/輸出點(diǎn)與現(xiàn)場設(shè)備構(gòu)成一個(gè)完整的PLC控制系統(tǒng)，因此要綜合考慮現(xiàn)場設(shè)備的性質(zhì)及PLC的輸入/輸出特性。</p><p>　　S7-200 PLC屬于小型PLC，其主機(jī)的基本結(jié)構(gòu)是整體式，主機(jī)上有一定數(shù)量的輸入/輸出點(diǎn)，一個(gè)主機(jī)單元就是一個(gè)系統(tǒng)。它還可以進(jìn)行靈活的擴(kuò)展，如果I/O點(diǎn)不夠，則可以增加I/O擴(kuò)展模塊；如果需要其他特殊功能，如特殊通信或定位

55、控制等，則可以增加相應(yīng)的功能模塊。</p><p>　　一個(gè)完整的系統(tǒng)組成如圖2-1：</p><p>　　圖2-1 S7-200 PLC系統(tǒng)組成</p><p><b>　　1.主機(jī)單元</b></p><p>　　主機(jī)單元，又稱CPU模塊。它有CPU、存儲(chǔ)器、基本輸入輸出點(diǎn)和電源組成，是PLC的主要部分。實(shí)際上它就是

56、一個(gè)完整的控制系統(tǒng)，可以單獨(dú)完成一定的控制任務(wù)。</p><p>　?。?）主機(jī)外形見圖2-2</p><p>　　圖2-2 S7-200 系列PLC主機(jī)外觀</p><p>　　圖2-3 S7-200 系列PLC的基本構(gòu)成</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用CPU226來實(shí)現(xiàn)</p><p>　　CPU226具有24輸入

57、/16輸出共40個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)，連接7個(gè)擴(kuò)展模塊單元，最大可擴(kuò)展至248個(gè)數(shù)字量I/O或35路模擬量I/O，組成的I/O端子排列可以很容易地整體拆卸。具有13KB 程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間、6個(gè)獨(dú)立的30KHz的高速計(jì)數(shù)器、2路獨(dú)立的20KHz的高速脈沖輸出、PID控制器、2個(gè)RS-485通信/編程口、點(diǎn)對點(diǎn)接口PPI通信協(xié)議、多點(diǎn)接口MPI通信協(xié)議和自由通信口。</p><p><b>　　2.擴(kuò)展模塊&

58、lt;/b></p><p>　　擴(kuò)展模塊主要有4類：數(shù)字量輸入/輸出模塊、模擬量輸入/輸出模塊、通信模塊和特殊功能模塊。</p><p>　　當(dāng)主機(jī)單元模板上的I/O點(diǎn)數(shù)不夠時(shí)，或者涉及到模擬量控制時(shí)，除了CPU221外，可能通過增加擴(kuò)展單元模板的方法，對輸入/輸出點(diǎn)數(shù)進(jìn)行擴(kuò)展。</p><p>　　在進(jìn)行I/O擴(kuò)展時(shí)，要考慮以下幾個(gè)因素：</p>

59、;<p>　?、貱PU主機(jī)模板所能夠擴(kuò)展模板數(shù)</p><p>　?、贑PU主機(jī)模板的映像寄存器的數(shù)量</p><p>　?、跜PU主機(jī)模板在5VDC下所能提供的最大擴(kuò)展電流。</p><p>　　例如：CPU224提供的擴(kuò)展電流為660mA，可以有幾種擴(kuò)展方案：</p><p>　　A、4個(gè)EM223，DI16/DO16晶體管

60、/繼電器模板和2個(gè)EM221 DI8晶體管模板，消耗的電流為4×150+2×30＝660mA。</p><p>　　B、4個(gè)EM223，DI16/DO16晶體管/繼電器模板和1個(gè)EM222 DO8晶體管模板，消耗的電流為4×150+1×40＝640mA。</p><p>　　C、4個(gè)EM223，DI16/DO16晶體管輸出模板，消耗的電流為4

61、5;160＝640 mA。</p><p>　　圖2-4 EM235</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用235模塊充當(dāng)擴(kuò)展模塊如圖2-4</p><p>　　EM235：模擬量混合輸入/輸出模塊</p><p>　?、倌M量輸入4路，模擬量輸出1路。</p><p>　?、诓罘州斎耄妷海?～10V，0～5V，0～1V，0

62、～500mV、0～100mV，0～50mV，±10V，±5V，±2.5V，±1V，±500mV,±250mV,±100mV,±50mV和±25mV;</p><p>　　電流：0～20mA。</p><p>　?、坜D(zhuǎn)換時(shí)間小于250us。</p><p>　?、芊€(wěn)定時(shí)間：電壓1

63、00us，電流2ms.</p><p><b>　　3.特殊功能模塊</b></p><p>　　當(dāng)需要完成某些特殊功能的控制任務(wù)時(shí)，需要擴(kuò)展功能模塊。它們是完成某種特殊控制任務(wù)的一些裝置，如運(yùn)動(dòng)控制模塊、特殊通信模塊等。</p><p>　　EM252模塊屬于定位模塊，定位模塊EM253可提供如下所述的單軸、開環(huán)運(yùn)動(dòng)控制所需要的功能。<

64、/p><p>　?、偬峁└咚倏刂?，從每秒12個(gè)脈沖至每秒200000個(gè)脈沖。</p><p>　?、谥С旨蓖＃⊿曲線）或線性的加速、減速功能。</p><p>　?、厶峁y量系統(tǒng)，既可以使用工程單位（如英寸或厘米）也可以使用脈沖數(shù)。</p><p>　　④提供可組態(tài)的backlash補(bǔ)償。</p><p>　?、葜С纸^對、

65、相對和手動(dòng)的位控方式。</p><p><b>　?、尢峁┻B續(xù)操作。</b></p><p>　　⑦提供多達(dá)25組的移動(dòng)（包括Profile），每組最多可有4種速度。</p><p>　?、嗵峁?種不同的參考點(diǎn)尋找模式，每種模式都能對起始的尋找方向和最終的接近方向進(jìn)行選擇。</p><p>　?、崽峁┛刹鸱值默F(xiàn)場接線端子

66、，便于安裝和拆卸。</p><p>　　4.通信接口：其作用是通過這些通信接口可以與監(jiān)視器、打印機(jī)和其它的計(jì)算機(jī)相連，從而實(shí)現(xiàn)“人-機(jī)”或“機(jī)-機(jī)”之間的對話。</p><p><b>　　5.電源部分</b></p><p>　　PLC一般使用220V的交流電源，內(nèi)部的開關(guān)電源為PLC的中央處理器、存儲(chǔ)器等電路提供5V、±24V等直

67、流電源，使PLC能正常工作。</p><p><b>　　6.編程設(shè)備</b></p><p>　　編程設(shè)備的作用是供用戶進(jìn)行程序的編制、編輯、調(diào)試與監(jiān)視。</p><p>　　2.3.2 CAD的簡要介紹</p><p>　　CAD（computer aided design，,計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）是隨著計(jì)算機(jī)及其外圍設(shè)備

68、和軟件的迅速發(fā)展而形成的一門新興技術(shù)，是電子信息技術(shù)與工程產(chǎn)業(yè)技術(shù)的結(jié)晶。</p><p>　　CAD通過交互式圖形顯示、實(shí)時(shí)構(gòu)造、編輯、變換及修改并存儲(chǔ)各類幾何及拓?fù)湫畔?，利用?yīng)用程序進(jìn)行工程計(jì)算分析，并對設(shè)計(jì)進(jìn)行模擬、優(yōu)化、確定產(chǎn)品主要參數(shù)，利用圖形處理和動(dòng)畫技術(shù)對模型進(jìn)行仿真檢驗(yàn)，計(jì)算機(jī)自動(dòng)繪圖并輸出圖紙、數(shù)據(jù)等各種形式的設(shè)計(jì)結(jié)果，以及數(shù)據(jù)交換，并為CAM（計(jì)算機(jī)輔助制造）、CAPP（計(jì)算機(jī)輔助工藝安排）、

69、CAE（計(jì)算機(jī)輔助工程）、PDM（產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理）及CIMS（計(jì)算機(jī)集成制造 系統(tǒng)）以至MRPII（制造資源管理系統(tǒng)）、ERP（企業(yè)資源管理系統(tǒng)）、MIS（管理信息系統(tǒng)）等產(chǎn)業(yè)信息化系統(tǒng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。CAD成為現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵和基礎(chǔ)。</p><p>　　CAD（computer aided design）的含義是指計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，是計(jì)算機(jī)技術(shù)的一個(gè)重要的應(yīng)用領(lǐng)域。AutoCAD則是美國Autodesk企業(yè)開

70、發(fā)的一個(gè)交互式繪圖軟件，是用于二維及三維設(shè)計(jì)、繪圖的系統(tǒng)工具，用戶可以使用它來創(chuàng)建、瀏覽、管理、打印、輸出、共享及準(zhǔn)確復(fù)用富含信息的設(shè)計(jì)圖形。</p><p>　　AutoCAD是目前世界上應(yīng)用最廣的CAD軟件，市場占有率位居世界第一。AutoCAD軟件具有如下特點(diǎn)：</p><p>　?、啪哂型晟频膱D形繪制功能。</p><p>　?、朴袕?qiáng)大的圖形編輯功能。<

71、;/p><p>　?、强梢圆捎枚喾N方式進(jìn)行二次開發(fā)或用戶定制。</p><p>　?、瓤梢赃M(jìn)行多種圖形格式的轉(zhuǎn)換，具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)交換能力。</p><p>　　⑸支持多種硬件設(shè)備。</p><p>　?、手С侄喾N操作平臺(tái)。</p><p>　?、司哂型ㄓ眯?、易用性，是用于各類用戶。</p><p>

72、<b>　　2.3.3硬件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計(jì)見第三章舞臺(tái)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)</p><p><b>　　2.4軟件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　具體情況見第四章系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)</p><p>　　第3章 舞臺(tái)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)</p><p&g

73、t;　　3.1舞臺(tái)控制系統(tǒng)整體介紹 </p><p>　　舞臺(tái)特效控制系統(tǒng)分為兩個(gè)部分：轉(zhuǎn)向控制（即角度控制）和速度控制。現(xiàn)將該控制系統(tǒng)的具體方案分幾個(gè)步驟介紹如下：</p><p>　　圖3-1 舞臺(tái)控制系統(tǒng)流程圖</p><p>　　1、轉(zhuǎn)向控制部分。轉(zhuǎn)向控制部分有：三級步進(jìn)電機(jī)M2，轉(zhuǎn)向輪，連軸器，多圈電位器。三級步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)主輪按

74、6：1的比例轉(zhuǎn)動(dòng)，在轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，多圈電位器通過連軸器與轉(zhuǎn)向輪相連監(jiān)測步進(jìn)電機(jī)是否正常工作，通過電位的比較來使得步進(jìn)電機(jī)按照要求正確無誤的發(fā)送所需脈沖數(shù)目。</p><p>　　2速度控制部分。主輪在轉(zhuǎn)向輪及主電機(jī)M1的驅(qū)動(dòng)下運(yùn)動(dòng)，為了滿足舞臺(tái)可快速組裝的要求主電機(jī)電源使用24V直流電源，對該直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速采用IGBT降壓斬波的調(diào)速方式。具體的調(diào)速情況按照參數(shù)具體設(shè)定。</p><p&

75、gt;　　3、舞臺(tái)控制系統(tǒng)中系統(tǒng)簡要流程圖見圖3-1。</p><p>　　4、舞臺(tái)控制系統(tǒng)中輪子轉(zhuǎn)向示意圖見圖3-2。</p><p>　　圖3-2 輪子轉(zhuǎn)向示意圖</p><p>　　3.2舞臺(tái)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　3.2.1舞臺(tái)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖3-3</p><p>　　圖3-3 舞臺(tái)控制系

76、統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　該步進(jìn)電機(jī)4路轉(zhuǎn)向電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中用到了3-8譯碼器和2-4譯碼器，現(xiàn)將它們各自的作用介紹如下：</p><p>　　1、3線-8線譯碼器的作用是用于步進(jìn)電機(jī)角度選擇進(jìn)行編碼輸出，具體為表3-1：</p><p>　　表3-1 3線-8線譯碼器具體功能表</p><p>　　74LS138的芯片圖（如圖3-4）及

77、作用為：</p><p>　　圖3-4 用與非門組成的3線-8線譯碼器 74LS138</p><p>　　譯碼是編碼的逆過程，它的功能是將具有特定含義的二進(jìn)制碼進(jìn)行辨別，并轉(zhuǎn)換成控制信號(hào)，具有譯碼功能的邏輯電路稱為譯碼器。</p><p>　　3-8譯碼器的輸入是3個(gè)腳,輸出是8個(gè)腳。用高低電平來表示輸入和輸出，3只腳也就是3位二進(jìn)制數(shù)，3位二進(jìn)制最大是111 也

78、就是8，輸出是8個(gè)腳，表示10進(jìn)制。如果輸入是101 那么就是第5只腳高電平，表示二進(jìn)制數(shù)是5。 其實(shí)3-8譯碼器的功能就是把輸入的3位2進(jìn)制數(shù)翻譯成10進(jìn)制的輸出。 3-8譯碼器是常用的組合邏輯電路，其功能是對輸入碼（3位碼）進(jìn)行譯碼。</p><p>　　2、2線-4線譯碼器的作用是用于某個(gè)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)向電機(jī)的選擇，其功能與3線-8線譯碼器相同，其具體譯碼見表3-2： </p><p>

79、　　表3-2 2線-4線譯碼器具體功能</p><p>　　3.2.2步進(jìn)電機(jī)的有關(guān)介紹</p><p>　　一、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的原理</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制電機(jī)，它將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個(gè)脈沖 信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，因此非常適合于單片機(jī)控制。步進(jìn)電機(jī)可分為 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（簡稱VR）、永磁式步進(jìn)電機(jī)（簡稱PM）和混合式步進(jìn)電

80、機(jī)（簡稱HB）。 步進(jìn)電機(jī)區(qū)別于其他控制電機(jī)的最大特點(diǎn)是，它是通過輸入脈沖信號(hào)來進(jìn)行控制的，即電機(jī)的總轉(zhuǎn)動(dòng)角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖信號(hào)頻率決定。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)控制信號(hào)工作，控制信號(hào)由單片機(jī)產(chǎn)生。其基本原理作用如下： </p><p>　　1.控制換相順序 </p><p>　　通電換相這一過程稱為脈沖分配。例如：三相步進(jìn)電機(jī)的三拍工作方式，其各相通電順序?yàn)锳—B—

81、C—D，通電控制脈沖必須嚴(yán)格按照這一順序分別控制A、B、C、D相的通斷。 </p><p>　　2.控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向 </p><p>　　如果給定工作方式正序換相通電，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，如果按反序通電換相，則電機(jī)就反轉(zhuǎn)。 </p><p>　　3.控制步進(jìn)電機(jī)的速度 </p><p>　　如果給步進(jìn)電機(jī)發(fā)一個(gè)控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個(gè)脈沖

82、，它會(huì)再轉(zhuǎn)一步。兩個(gè)脈沖的間隔越短，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)得越快。</p><p>　　二、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有如下特點(diǎn)</p><p>　　1.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的角位移與輸入脈沖數(shù)嚴(yán)格成正比。因此當(dāng)它轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)后，沒有累計(jì)誤差，具有良好的跟隨性。</p><p>　　2.由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既非常簡單、廉價(jià)，又?？煽康耐瑫r(shí)，它也可以有角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)

83、。</p><p>　　3.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，易于起停、正反轉(zhuǎn)及變速。</p><p>　　4.速度可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)，低速下仍能保證獲得很大的轉(zhuǎn)矩，因此一般可以不用減速器而直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載。</p><p>　　5.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)只能通過脈沖電源供電才能運(yùn)行，它不能直接用交流電源或直流電源。</p><p>　　6.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)自身的噪

84、聲和振動(dòng)比較大，帶慣性負(fù)載的能力差。</p><p>　　三、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可分為3大類</p><p>　　（一） 反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（vanable rellictance簡稱VR）</p><p>　　反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在定、轉(zhuǎn)子鐵心的內(nèi)外表面上設(shè)有按一定規(guī)律分布的相近齒槽，利用這兩種齒槽相對位置變化引起磁路磁阻的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。這種步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步矩角可做到1°

85、～15°，甚至更小，精度容易保證，起動(dòng)和運(yùn)行頻率較高，但功耗較大，效率較低。</p><p>　?。ǘ?永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（permanent magnet 簡稱PM）</p><p>　　永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子是用永磁材料制成的，轉(zhuǎn)子本身就是一個(gè)磁源，它的輸出轉(zhuǎn)矩大，動(dòng)態(tài)性能好，轉(zhuǎn)子的極數(shù)與定子的極數(shù)相同，所以步距角一般較大。需供給正負(fù)脈沖信號(hào)。永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩

86、和體積較小，步進(jìn)角一般為7.5度或15度。</p><p>　　永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。是永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)兩者的結(jié)合，并兼有兩者的優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　?。ㄈ?混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（hybrid 簡稱HB）</p><p>　　混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)綜合了反應(yīng)式和永磁式兩者的優(yōu)點(diǎn)，它的輸出轉(zhuǎn)矩大，動(dòng)態(tài)性能好，步距角小，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成

87、本較高。它又分為兩相和五相：兩相步進(jìn)角一般為1.8度而五相步進(jìn)角一般為0.72度。這種步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。</p><p>　　四、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)</p><p>　　步進(jìn)電動(dòng)機(jī)使用脈沖電源工作。三極管T是按照控制脈沖的規(guī)律“開”和“關(guān)”。使直流電源以脈沖方式向繞組L供電。這一過程我們稱它為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)。</p><p>　　步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式有多

88、種，如單電壓驅(qū)動(dòng)，雙電壓驅(qū)動(dòng)，斬波驅(qū)動(dòng)等，因本設(shè)計(jì)選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的功率不是很高，所以控制系統(tǒng)為單電壓驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。</p><p>　　3.3.3系統(tǒng)中步進(jìn)電機(jī)的工作方式</p><p>　　在該舞臺(tái)特效控制系統(tǒng)中，角度的控制主要由四個(gè)三級步進(jìn)電機(jī)連動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，在每次舞臺(tái)進(jìn)行移動(dòng)前，舞臺(tái)要進(jìn)行調(diào)零，此工作由電阻來實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　系統(tǒng)中角度控制過程為，先由

89、步進(jìn)電機(jī)發(fā)送脈沖，該脈沖數(shù)對應(yīng)一定的角度，角度與齒輪的圈數(shù)相對應(yīng)， PLC將脈沖數(shù)轉(zhuǎn)換成電量之后，多圈電位器會(huì)同時(shí)監(jiān)測電量是否與規(guī)定的電量相同，如果不同，會(huì)對步進(jìn)電機(jī)發(fā)送的脈沖通過PLC來進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)反饋與原來發(fā)送的脈沖轉(zhuǎn)換成的電量無差別時(shí)，可進(jìn)行舞臺(tái)角度的實(shí)際控制。</p><p>　　1、對于步進(jìn)電機(jī)調(diào)零的介紹</p><p>　　1.0V 4.0V</p&g

90、t;<p>　　圖3-5 步進(jìn)電機(jī)調(diào)零電阻</p><p>　　當(dāng)步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行完一次角度控制，再要去執(zhí)行下一下角度運(yùn)動(dòng)之前要對，步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行角度調(diào)零（如圖3-5），這個(gè)通過電阻實(shí)現(xiàn)。角度從0～180°對應(yīng)著0～5V的電量，現(xiàn)在令電阻的中間值即為每次角度運(yùn)動(dòng)之前的初始時(shí)刻，這樣既便于調(diào)節(jié)又便于識(shí)別。電阻的前半部分為0～2.5V，后半部分對應(yīng)2.5～5V。為了使調(diào)節(jié)范圍能夠線性處理，現(xiàn)在選擇的

91、電量范圍為1.25～3.75V，這樣可以保證角度與模擬電量之間為線性的關(guān)系。</p><p>　　計(jì)算時(shí)角度與電量成正比，對于各角度具體對應(yīng)的電量為：</p><p>　　計(jì)算公式：（A-1）/（4-1）=（D-0°）/（180°-0°） </p><p>　　A為模擬量D為數(shù)字量</p><p>　　0

92、76;--------- 1.00V； </p><p>　　45°-------- 1.75V； </p><p>　　90°-------- 2.50V；</p><p>　　135°------- 3.50V；</p><p>　　180°----

93、--- 4.00V。</p><p>　　2、步進(jìn)電機(jī)角度控制具體過程：</p><p>　?、挪竭M(jìn)電機(jī)M2發(fā)送一定脈沖，脈沖轉(zhuǎn)換成角位移也即輪2的圈數(shù)；</p><p>　?、芇LC將脈沖數(shù)轉(zhuǎn)換為模擬電量；</p><p>　　⑶多圈電位器作為反饋環(huán)節(jié)的元件，對電量進(jìn)行檢測比較，比較發(fā)送出的脈沖轉(zhuǎn)換成的電量是否與要求的脈沖數(shù)轉(zhuǎn)換成的電量想吻

94、合，如果電壓有差別，則控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，使其按目標(biāo)角度進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。</p><p>　?、容?轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于輪1與輪2相咬合帶動(dòng)輪1進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，輪2與輪1的圈數(shù)關(guān)系是6︰1，輪1與輪2的半徑關(guān)系為R1=6R2。</p><p>　?、蓤A的線速度計(jì)算公式為：</p><p>　　輪2：V2=s/t=2∏R2/t 輪1：V1=12∏R2/t</p>

95、<p>　　該公式用于輪子線速度的計(jì)算。在該設(shè)計(jì)中，輪1的最大線速度為:Vmax=500mm/s</p><p>　　第4章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)</p><p>　　4.1 PLC通信協(xié)議及本文采用的編程環(huán)境</p><p>　　OPC[55] (OLE for Process Control)是一套以微軟OLE、組件對象模型COM、分布式組件對象模型DC

96、OM(Distributed COM)技術(shù)為基礎(chǔ)，基于Windows操作平臺(tái)，為工業(yè)應(yīng)用程序提供高效的信息集成和交互功能的組件對象模型接口標(biāo)準(zhǔn)。</p><p>　　它的出現(xiàn)為基于Windows的應(yīng)用程序和現(xiàn)場過程控制的應(yīng)用建立了橋梁。在過去，為了存取現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)信息，每一個(gè)應(yīng)用軟件開發(fā)商都需要編寫專用的接口函數(shù)。由于現(xiàn)場設(shè)備的種類繁多，且產(chǎn)品的不斷升級，往往給用戶和軟件開發(fā)商帶來了巨大的工作負(fù)擔(dān)。通常這樣也不

97、能滿足工作的實(shí)際需要，系統(tǒng)集成商和開發(fā)商急切需要一種具有高效性、可靠性、開放性、可互操作性的即插即用的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。在這種情況下，OPC標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)運(yùn)而生。</p><p>　　OPC標(biāo)準(zhǔn)以微軟公司的OLE技術(shù)為基礎(chǔ)，它的制定是通過提供一套標(biāo)準(zhǔn)的OLE/COM接口完成的，在OPC技術(shù)中使用的是OLE 2技術(shù)，OLE標(biāo)準(zhǔn)允許多臺(tái)微機(jī)之間交換文檔、圖形等對象。通過這種機(jī)制，系統(tǒng)能夠以標(biāo)準(zhǔn)方式從數(shù)據(jù)源獲取數(shù)據(jù)并將其傳遞給任何

98、客戶應(yīng)用程序。這樣，只要開發(fā)一套遵循OPC規(guī)范的服務(wù)器與數(shù)據(jù)進(jìn)行通信，其他任何客戶應(yīng)用程序便能通過服務(wù)器訪問設(shè)備。</p><p><b>　　OPC應(yīng)用領(lǐng)域</b></p><p>　　1、工控解決方案用戶 </p><p>　　2、樓控解決方案用戶 </p><p>　　3、工控解決方案廠商 </p>

99、<p>　　4、樓控解決方案廠商 </p><p>　　5、工控解決方案集成商 </p><p>　　6、樓控解決方案集成商</p><p>　　7、所有的自動(dòng)化領(lǐng)域</p><p>　　OPC服務(wù)器的定制接口為c++程序服務(wù)，自動(dòng)化接口為VB等可使用自動(dòng)化對象的程序服務(wù)。定制接口是服務(wù)商必須提供的，而自動(dòng)化接口則是可選的，不過OP

100、C基金會(huì)提供了一個(gè)叫做“自動(dòng)化包裝器”的動(dòng)態(tài)連接庫，用于在兩者間轉(zhuǎn)換。</p><p>　　OPC數(shù)據(jù)存取規(guī)范規(guī)定的基本對象有3類：服務(wù)器(Server)、組(Group)和數(shù)據(jù)項(xiàng)(Item)。服務(wù)器對象包含服務(wù)器的所有信息，也是組對象的容器，一個(gè)服務(wù)器對應(yīng)于一個(gè)OPC Server，即一種設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序。組對象除了包含它自身信息外，還負(fù)責(zé)管理數(shù)據(jù)項(xiàng)。每一個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)代表到數(shù)據(jù)源的一個(gè)連接，但它沒有提供外部接口，客戶

101、端程序無法對數(shù)據(jù)項(xiàng)直接進(jìn)行操作，應(yīng)用程序必須依靠數(shù)據(jù)項(xiàng)的容器組對象來對它進(jìn)行操作。</p><p>　　OPC客戶端程序就是一種COM客戶端程序，實(shí)現(xiàn)COM客戶端程序編程模型需要六個(gè)基本步驟。根據(jù)所在的程序設(shè)計(jì)環(huán)境或應(yīng)用框架，有些步驟也許可以由編譯程序自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。在C++中，接口是通過指針引用的，而在Visual Basic中使用的是默認(rèn)接口。</p><p>　　(1)初始化COM庫。在C

102、++中完成此功能的是調(diào)用COM庫API(應(yīng)用程序編程接口)函數(shù)Colnitialize或ColnitialzeExo Visual Basic中可以自動(dòng)進(jìn)行初始化。</p><p>　　(2)獲得初始接口的指針。在C++中，可以通過調(diào)用CoCreateInstance(用于本地)或CoCreateInstanceEx(用于遠(yuǎn)程)來獲得接口指針。在Visual Basic中，可以使用操作符New或CreateObj

103、ect來獲得接口引用。</p><p>　　(3)通過接口指針可以調(diào)用該接口的方法。</p><p>　　(4)如果要調(diào)用其它接口的方法，可以執(zhí)行QueryInterface。在C++中，通過接口指針調(diào)用Querylnterfaoe.而在Visual Basic 6.0中，可以通過執(zhí)行一個(gè)Set操作實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　(5)在C++中，當(dāng)不再使用接口指針時(shí)，

104、要調(diào)用Release將其釋放。在Visual Basic中，引用在其作用域外會(huì)自動(dòng)釋放，也可以顯式地把它設(shè)置為“Nothing”。</p><p>　　(6)當(dāng)用完COM時(shí)，你要調(diào)用CoUninitialize來取消COM初始化。Visual Basic可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)這一步。</p><p>　　通過這六個(gè)基本步驟的比較，就比較清楚地知道采用Visual Basic開發(fā)環(huán)境是比較容易和方便的

105、。就開發(fā)語言本身而言，Visual Basic也比Visual C++語言容易掌握。就開發(fā)語言本身而言，Visual Basic也比Visual C++語言容易掌握。而且組態(tài)軟件一般就有類似的Visual Basic腳本語言，對于本來就使用組態(tài)軟件開發(fā)監(jiān)控軟件的用戶來說，也是比較容易掌握Visual Basic開發(fā)OPC客戶端程序。而且整個(gè)風(fēng)缸、制動(dòng)管自動(dòng)監(jiān)控軟件都是應(yīng)用Visual Basic開發(fā)，使用Visual Basic開發(fā)客戶

106、端更容易和整個(gè)軟件結(jié)合，把客戶端開發(fā)成整個(gè)軟件的一個(gè)功能模塊，更利于軟件的升級。所以在的項(xiàng)目中就采用自動(dòng)化接口來訪問OPC服務(wù)器，也就是說使用Visual Basic開發(fā)客戶端程序。</p><p>　　4.2 PLC程序設(shè)計(jì)</p><p>　　圖4-1STEP 7 MicroWIN的軟件主界</p><p>　　基于STEP 7 MicroWIN的軟件主界面如圖

107、4-1所示，進(jìn)行控制系統(tǒng)的PLC梯形圖程序設(shè)計(jì)。程序設(shè)計(jì)步驟如下：</p><p>　?。?）深入了解被控系統(tǒng)的全部控制功能，包括系統(tǒng)要求的工作方式，PLC與其它設(shè)備之間的關(guān)系，PLC通信聯(lián)網(wǎng)，緊急情況處理，電路的安全設(shè)計(jì)等；</p><p><b>　?。?）建立項(xiàng)目；</b></p><p>　?。?）確定系統(tǒng)輸入輸出點(diǎn)，中間變量；<

108、/p><p><b>　　（4）梯形圖設(shè)計(jì)。</b></p><p>　　舞臺(tái)控制系統(tǒng)中，PLC模塊的功能主要是采集、存儲(chǔ)、傳遞現(xiàn)場信號(hào)，供工控機(jī)實(shí)時(shí)查詢，以便操作員監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備，分析檢測數(shù)據(jù)；并按照上位機(jī)發(fā)出的命令執(zhí)行相應(yīng)的邏輯控制。從運(yùn)行狀態(tài)看，系統(tǒng)PLC主要有手動(dòng)模塊和自動(dòng)運(yùn)行模塊。手動(dòng)運(yùn)行時(shí)，操作人員控制操作臺(tái)上的按鈕控制相應(yīng)的動(dòng)作，自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，按每一幕的邏輯順序

109、運(yùn)行。主程序基本上都在上位機(jī)上完成，PLC中只有部分基本的功能操作。</p><p>　　4.2.1 PLC控制信號(hào)定義</p><p>　　整個(gè)系統(tǒng)由于4個(gè)高速計(jì)數(shù)器輸入口，所以用1個(gè)S7-200 226CPU。舞臺(tái)控制I/O點(diǎn)的配置如表4-1所示</p><p>　　表4-1舞臺(tái)控制I/O點(diǎn)的配置</p><p>　　4.2.2 PLC實(shí)

110、現(xiàn)舞臺(tái)控制的程序</p><p>　　Main //主程序</p><p>　　Network 1 </p><p>　　LD I0.0</p><p>　　MOVR 0.0, VD210 // 舞臺(tái)動(dòng)作1，水平方向，標(biāo)準(zhǔn)角度：0、0、0、0度</p><p><