毕业设计__舞台特效控制系统

1、摘 要舞台机械自动化控制系统是一个集舞台机械、电力电子技术、网络技术、电视技术、声学、美学等多学科、多界面相互结合的宏大的科学艺术体系。目前舞台机械自动化设备及其运动的控制已经成为一项重要的研究课题，德国、日本、英国、美国等都有专门的生产厂家和相关的研究机构，它们的历史悠久、经验丰富、产品质量比较高，但价格相对来说比较昂贵。因此，如果我们能开发出一套技术先进、性能稳定可靠的舞台机械自动化控制系统，那么就能节约成本，降低国家的投资，从而推动我国舞台机械行业的发展。目前，从设计水平、整体工艺、控制性能以及投资费用方面来看，我国的舞台机械自动化设备同欧洲产品仍有一定差距。所以，立足于我国国情，研究开

2、发高性能、低成本的舞台机械自动化设备及运动控制系统具有很大的实用价值。本文针对大型舞剧粉末春秋主舞台的配置方案，首先，阐明了系统的硬件选型、组成，控制线路的连接，其次编写了整个系统PLC控制程序，并进一步详细论述了PLC实现多电动机同步控制策略。本设计中由于选择了步进电机驱动电机，对于步进电机由于它是开环控制元件，为使得控制更加精确增加了反馈环节用到了线性位移传感器。最后为舞台控制系统绘制了CAD步进电机的电气接线图。关键词：同步控制 步进电机 线性位移传感器 CAD PLC ABSTRACTAutomatic stage machinery control system is a grand

3、 science and art system with stage machinery, electric power electronic technology, network technology,TVtechnology, acoustics, aesthetic science, and multiple interface combination. At present , automatic stage machinery equipment and motion control have become a significant research subject, Germa

4、ny, Japan, Britain, the United States already have specialized manufacturer and related research institutes. They all have a long history, rich experience and higher product quality, but the price is relatively expensive. So, if we can develop a automatic stage machinery control system with advanced

5、 technology, stable and reliable performance, cost will be saved, and national investment will be lower, so as to promote the development of the industry of our country stage machinery. At present, from the level of design, the whole process, control performance and investment costs, there is still

6、some distance between China and Europe in the automation equipment of stage machinery. So, that, being based on Chinas national conditions, we research and develop the automation equipment of stage machinery and motion control which is high-performance and lowcost , has certain practical value.This

7、article aims at illustrating the configuration scheme of 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 realization synchronous motor PLC contro

8、l 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 feedback part , I use the linear displacement sensor. At last, draw a CAD step motor electrical hookup for the stage contro

9、l system.keyword: synchronous, stepping motor, the linear displacement sensor,CAD,PLC 目 录第1章绪论- 1 -1.1项目的背景及国内外发展现状- 1 -项目的背景- 1 -国内外发展现况- 1 -1.2课题研究的意义- 3 -1.3本文的主要研究工作- 3 -第2章系统的组成- 5 -2.1舞台特效控制系统的整体要求- 5 -2.2电气部分组成- 5 -对电机数目的选取方案讨论- 5 -对电机类型的选取- 6 -对转向控制系统中反馈环节器件的选择- 7 -对主电机速动控制中调速方式的选择- 8 -2.3硬件

10、部分组成- 8 -的选择- 8 -2.3.2 CAD的简要介绍- 13 -硬件设计- 13 -2.4软件设计- 14 -第3章舞台控制系统硬件设计- 15 -3.1舞台控制系统整体介绍- 15 -3.2舞台控制系统硬件设计- 17 -舞台控制系统总体结构图如图3-3- 17 -步进电机的有关介绍- 19 -系统中步进电机的工作方式- 21 -第4章系统的软件设计- 23 -4.1 PLC通信协议及本文采用的编程环境- 23 -4.2 PLC程序设计- 25 -4.2.1 PLC控制信号定义- 26 -4.2.2 PLC实现舞台控制的程序- 26 -第5章系统的分析- 31 -5.1系统分析-

11、31 -5.2控制方案的提出- 32 -第6章结论- 35 -参考文献- 36 -致谢- 37 -附录- 38 -第1章 绪论1.1项目的背景及国内外发展现状1.1.1项目的背景随着人们文化、生活水平的提高，对舞台节目演出的质量要求也越来越高，舞台的现代化、智能化是必然的发展趋势。本文是以大型舞剧粉末春秋的主舞台研制为背景，全面详细论述了舞台控制系统的设计与实现。通过智能化控制及机电一体化技术实现舞台的平移、旋转等运动。针对大型舞剧粉末春秋主舞台的配置方案，论述PLC实现多电动机同步控制策略；系统的硬件选型、组成，控制线路的连接；PLC控制程序的编写。1.1.2国内外发展现况舞台机械自动化是一

12、个集舞台机械、电力电子技术、网络技术、电视技术、声学、美学等多学科、多界面相互结合的宏大科技艺术体系。现代舞台技术的发展与科学技术密不可分，随着科学技术的进步现代舞台技术正在发生日新月异的变化，在有限的舞台里创造了更多的发展空间，并给舞台演艺人员提供了更美更广阔的表演场地。同时，人们对舞台艺术效果追求完美的要求，使得舞台机械自动化设备不仅要运行稳定、定位准确、同步运行精度高、噪音低，而且在运行速度、空间位置变化上要实现丰富多彩，操作上更加方便、灵活，使推、拉、升、降、转的各种功能组合变化更加迅速、便捷，形成机械与艺术的完美结合。因此，针对舞台机械自动化设备及其运动的控制成为一项重要的研究课题，

13、德国、日本、英国、美国等都有专门的生产厂家和相关的研究机构，而且它们历史悠久、经验丰富、产品质量比较高，但价格相对来说比较昂贵。我国的舞台机械自动化设备制造起步较晚，最早出现于解放之后，经历了从无到有、从半自动化到全自动化、从单一化到多样化、从低精度到高精度的发展过程。目前，舞台机械自动化设备从设计水平、整体工艺、控制性能以及投资费用方面来看，我国的舞台机械自动化设备同欧洲产品仍有一定差距。所以，立足于我国国情，研究开发出高性能、低成本的舞台机械自动化设备及运动控制系统具有一定的实用价值。在舞台机械自动化设备中，旋转台是常用的一种台下设备，它可以按某一固定或移动轴旋转，用来快速变换舞台场景或制

14、造一些特殊的舞台效果。对舞台的旋转运动通常要求能无级变速，启动、制动迅速，转动平稳，定位可靠，因而转台的电气传动和调速控制性能成为整个系统乃至演出效果的一项决定性因素。我国舞台机械自动化与欧洲和亚洲的一些发达国家相比发展较晚。二十世纪八十年代以前，舞台机械自动化设备只是手动或局部电动的设备。手动设备要人力拉或推，使用时需要配备许多专门的工作人员。电动驱动设备不能调速，更无法定位，控制系统是相当简单的常规控制电路，演出时使用的设备数量、操作等受到限制，影响演出效果。进入二十世纪八十年代，中国剧院为配合大型音乐舞蹈史诗中国革命之歌的演出，设置台上、台下舞台机械设备，驱动系统采用滚压技术，控制系统采

15、用直接的计算机控制。如此规模的应用舞台机械在我国剧院建设中是开创性的，控制系统也是采用当时先进控制技术。但因液压设备维护量大，控制系统不太稳定，后来设备处于停用状态。进入二十世纪九十年代后期，随着歌剧、戏曲、音乐、舞蹈、杂技等多重文化的兴起，剧院建设相对进入一个高潮期，对舞台机械自动化设备的需求成倍增长，也对舞台机械自动化设备的性能提出了更高的要求。舞台的设计大多数为正规的镜框式台口或品字型舞台，台下设备主要有主升降台、左右车台、后车转台、升降乐池等。台上设备主要配备防火幕、假台口、大幕机、二道幕、吊杆、单点吊机、灯杆、过渡桥、灯光吊笼等。这时，国际知名舞台机械自动化设备制造厂商纷纷进入中国，

16、积极参与中国的剧院建设及舞台的自动化改造，主要有日本三菱，德国SBS、力士乐公司等，中高端剧院建设几乎被他们垄断。随着我国国民经济实力的不断增强，人民生活水平的不断提高，文化修养的日渐提升，对文化艺术的需要也越来越高，我国的剧院建设、改造进入了一个蓬勃发展的时期。而作为现代化剧院不可缺少的主要组成部分舞台机械自动化设备，也逐渐成为人们关注的焦点。从舞台机械自动化发展的历史和使用情况来看，舞台机械自动化设备在剧院建成后的长期使用中，起着非常重要的作用。舞台机械自动化设备最初是为了满足演出中大型场景的切换而设置的可以控制的系统，但现在舞台机械自动化设备除了有大型场景的变化功能之外，还越来越多地参与

17、舞台效果的表演。通过舞台机械的运动来实现演员的出场、谢幕，或者为营造某种氛围，产生特殊视觉效果的一种手段，成为导演的表演道具，可以说舞台机械自动化设备的性能直接决定了剧院的现代化水平。尽管国内舞台机械自动化设备生产厂商比较多，但水平参差不齐，国内中低档的舞台机械工程主要是国内厂商承建，极大多数厂商的控制系统与日本模式比较接近，主要的控制器也是PLC，定位靠PLC的定位模块来实现。1.2课题研究的意义随着剧院建设的蓬勃发展，舞台机械自动化设备行业的发展前景被人们看好。据统计，每年舞台机械自动化工程加起来有五个亿人民币，而且呈逐年递增的趋势。国外舞台机械厂商经验丰富、业绩多、技术先进，目前中高端市

18、场被国外公司所垄断。但由国外厂商承建的项目，价格很高，这使得很多剧院无法承受，例如日本三菱公司承建的国家大剧院歌剧院舞台机械自动化设备的合同金额就有三千万美元。舞台机械自动化控制系统作为舞台机械的灵魂，显得尤为重要。舞台机械的性能在一定程度上来说主要由控制系统决定的。控制系统先进性决定了舞台机械的现代化水平，控制系统的安全可靠性决定了舞台机械的安全可靠，控制系统的人机界面决定了操作的方便程度。如果我们开发出技术先进、性能稳定可靠、成本相对较低的舞台机械控制系统，不仅能节约成本，降低国家的投资，而且能推动我国舞台机械行业发展。舞台机械自动化项目的开发成功，不但使传统的舞台本身发生了实质性的变化，

19、而且是在机械、液压及计算机自动控制方面和机电一体化方面又开发出一个成功的范例，具有明显的经济及社会效益。舞台机械自动化设备集机械、液压、计算机、电机、自动控制于一体，具有先进性、实用性、创新性等性能，舞台的大量制造对于机械制造业、机电一体化、自动化行业均有很大的推动作用。1.3本文的主要研究工作对舞台空间姿态控制系统的性能、工作方式、工作过程进行了分析研究，参阅了大量的资料。根据舞剧的要求设计了该舞台控制系统和电气自动化控制系统。按照控制方案进行了硬件系统的构建，软件系统的设计。编写了PLC程序，实现舞台空间控制系统的自动化控制。该舞剧对舞台的具体设计要求是：该舞台通过电气设计控制能达到使舞台

20、前进、后退、左右、斜行45度、旋转的舞台效果，除此之外还要求舞台可以快速组装（舞台是分片的）。本文的主要工作：（1）根据舞台空间姿态控制系统的特点，设计电气控制方案。（2）综合运用有关课程的知识，了解步进电机调速原理。（3）掌握有关传感器控制和PLC编程方面的知识，树立正确的设计思想（4）根据步进电机控制原理，设计带有反馈的控制流程图。（5）编写PLC控制程序。（6）画出CAD电机分布图。第2章 系统的组成2.1舞台特效控制系统的整体要求一、舞台控制系统的外形尺寸舞台空间控制系统尺寸（长宽高）标准645 单位m底座加楼门重2.5 单位t二、舞台空间控制系统的技术要求控制对象为四个轮子，首先要通

21、过反馈得到每个轮子的实际角度，编程计算出与所发出的命令的角度差，发出相应数量的脉冲给步进电机，对轮子方向进行控制。而步进电机虽然便宜实用，但是没有伺服电机自带反馈的特点，容易丢步，而伺服电机价格较高，所有在选择使用步进电机控制时，要加入反馈环节，在步进电机执行完命令后，再测一次轮子的角度，反馈至PLC中，再与指定角度相比较，如果有偏差，根据偏差大小，发出相应的脉冲数，使步进电机继续执行，直到反馈信号与给定信号一致，说明角度已经调整正确，可以进行下面的动作。舞台横向移动时轮子角度设置为0度；纵向移动时90度；45度移动时45度，旋转时四个轮子的角度分别设置为45度、135度、45度、135度2.

22、2电气部分组成2.2.1对电机数目的选取方案讨论针对该舞台的设计要求对可行方案进行了讨论：该舞台的电气控制采用直流电机来实现，具体到采用几个电机比较合理进行了考虑如下：1、若采用一个电机，对于舞台的方向性控制不好，故不宜采用。2、若采用两个电机，一方面对舞台的方向性控制不好，另一方面舞台的钢结构性能不好。3、若采用三个电机，对舞台的方向性具有了一定的控制力，但考虑到三台电机对舞台的支撑性能不够好。4、由于以上三种情况故而至少选用四台电机，既满足了对舞台方向性的控制要求又满足了对舞台的支撑性能要求。介于以上对电机数目的选择，对该设计应采用4套动力装置，每套动力装置中有主驱动装置，转向驱动装置。2

23、.2.2对电机类型的选取对于该驱动电机选择直流型，现对选取直流电机理由如下：1、对直流电动机交流电动机在实际应用中的比较：直流电机调速方便，低速转矩大，技术比较成熟，可简易调速。而交流电机结构简单，运行可靠，采用V/F可方便调速。但这种调速方式牵涉到电源转换问题，一般蓄电池都是直流的，可移动性较好，而交流电源比较固定。2、对该舞台四套电机系统中旋转电机都采用步进电机。在自动控制系统中，常常需要把数字信号转换为角位移。步进电机就是一种用电脉冲进行控制、讲电脉冲信号转换为相应角位移的电机。步进电动机输入一个电脉冲就前进一步，其输出的角位移与输入的脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比。它在数控开环系统

24、中作为执行元件，例如用在数字程序控制线切割机、平面绘图机中。使用最多的一种步进电机是反应式步进电机。永磁式步进电动机和感应子式永磁步进电动机的基本原理与反应式步进电动机相似。直流永磁式驱动电动机的磁场不变，电压与转速成正比。3、采用步进电机的缺点及需要改进的地方：步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线性位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点，使得其在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变得非常简单。但是步进电

25、机是开环控制元件，由于开环控制元件控制器与被控对象间只有顺序作用而无反向联系且控制单方向进行，故而开环控制元件的控制精度通常较低、无自动纠偏能力。介于以上对步进电机缺点的分析，我们对该舞台控制系统采用步进电机的控制方式进行了修改，采用增加反馈环节的方式来解决步进电机开环控制的不足。以下做简单的介绍：在对步进电机控制原理的分析研究之后，我们在步进电机给转向驱动装置提供脉冲的过程中，在角度驱动电机与转向驱动轮之间增加了一个反馈环节，此环节用于检测、控制步进电机是否按照给定的角度要求来给转向驱动装置发送脉冲。此反馈环节会有两种情况出现：一、当步进电机按要求正常发送脉冲数目给转向驱动装置时，反馈环节检

26、测到到步进电机工作正常，此时反馈环节不做任何处理；二、当步进电机工作出现误差或由于控制过程出现偏差时，反馈环节会检测到步进电机未按规定要求给转向驱动装置发送正确的脉冲数目，此时反馈环节起作用，经过反馈环节的比较之后会反馈与所缺脉冲数目成一定比例的电压值给步进电机的控制系统，使得步进电机补发不足的脉冲数，使其工作在正常状态。4、对于步进电机选择另外比较重要的原因是：步进电机比起交流伺服电机来更经济实用，控制简单。2.2.3对转向控制系统中反馈环节器件的选择对于给步进电机控制系统所要加的反馈控制系统有两种办法可以选择，介于现场的舞台设计要求的考虑我们选其中的一种，具体办法及其取舍分析如下：一、反馈

27、环节采用线性位移传感器来检测步进电机是否正常工作。该线性位移传感器的简单工作原理是：在一定的小范围角度内，一定的角度对应一定的长度，他们之间在这个小范围内的关系是呈线性的，然后该传感器再将所测得的长度转换为一定量的电信号，该电信号再与开始所规定的角度转换成的电信号做比较，若与规定角度转换成的电信号相符合则不处理；若与规定角度转换成的电信号不符合则需要把比较后所差电信号反馈到步进电机，进行相应的调整。二、反馈环节采用多圈电位器来检测步进电机是否正常工作。该多圈电位器的简单工作原理是：多圈电位器也是通过一定角度范围的线性关系来检测角度的器件，多圈电位器在上电后，等步进电机发送的脉冲转换为转向轮上一

28、定的圈数（即一定的角度），转向轮再通过连轴器与多圈电位器相连，多圈电位器对转向轮转过的圈数即角度进行监测，多圈电位器是直接线性反应角度的器件，此时多圈电位器将角度信号转换为电信号与规定角度的电信号进行比较。若多圈电位器与所规定角度的电信号正好相符合，则不做处理；若多圈电位器与所规定角度的电信号不符合，则多圈电位器反馈电压信号给步进电机，使其补发不够的脉冲。对于以上两种反馈环节器件的比较，他们的在舞台特效控制系统中所起的作用都相同，但是由于第一种线性位移传感器的占用空间比较大，考虑到舞台设计的要求，在都能满足条件的情况下，我们选择第二种比较简单实用且占用空间比较小的多圈电位器来实现所要求的控制效

29、果。2.2.4对主电机速动控制中调速方式的选择为了满足舞台特效控制系统中，舞台可快速组装的要求对驱动主动轮工作的主电机采用24V直流电源。有两种方法可实现调速，对这两种方式分析如下：一、采用交流电动机，通过VF转换来调速。定电压频率比（定VF）是一种基本的交流调速方法。其基本原理是在调速过程中保持电压和频率的比值不变，从而使每极磁通量为定值。空间矢量脉宽调制（SVPWM）是一种新型的脉宽调制模式，它不但对三相交流电机产生的谐波失真最小，而且还能提供比正弦调制更有效的电压。二、采用直流电动机，用IGBT降压斩波调速。直流斩波调速控制的基本原理是按一个固定频率来接通和断开电源，并更具需要改变一个周

30、期内接通和断开的时间比（占空比）来改变直流电机电枢上电压的“占空比”，从而改变平均电压，控制电机的转速。在脉宽调速系统中，当电机通电时其速度增加，电机断电时其速度减低。只要按照一定的规律改变通、断电的时间，即可控制电机转速，而且采用直流斩波技术构成的无极调速系统，启停时对直流系统无冲击，并且具有启动功耗小、运行稳定的特点。对于以上分析对该舞台主电机的速度控制部分选择直流电动机，用IGBT降压斩波的调速方式。2.3硬件部分组成2.3.1PLC的选择S7-200 PLC基础知识可编程控制器（PLC）是一种数学逻辑运算与操作的控制装置。它作为传统继电器的替代产品，广泛应用于工业控制的各个领域。由于P

31、LC可以通过软件来改变控制过程，具有体积小、组装灵活、编程简单、抗干扰能力强及可靠性高等特点，因此特别适合在恶劣环境下运行。在舞台控制系统中我们选用西门子S7-200系列PLC，它是德国西门子公司生产的一类小型PLC，它以结构紧凑、价格低廉、可靠性高、指令集丰富、易于掌握、便捷的操作、丰富的内置集成功能、实时特性、强劲的通讯能力和丰富的扩展模块等特点在集散自动化系统中发挥着强大的作用。S7-200系列PLC使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制，应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。PL

32、C通过输入/输出点与现场设备构成一个完整的PLC控制系统，因此要综合考虑现场设备的性质及PLC的输入/输出特性。S7-200 PLC属于小型PLC，其主机的基本结构是整体式，主机上有一定数量的输入/输出点，一个主机单元就是一个系统。它还可以进行灵活的扩展，如果I/O点不够，则可以增加I/O扩展模块；如果需要其他特殊功能，如特殊通信或定位控制等，则可以增加相应的功能模块。一个完整的系统组成如图2-1：编程工具CPU主机模块HMI人机界面扩展模块功能模块通信模块工业现场总线图2-1 S7-200 PLC系统组成1.主机单元主机单元，又称CPU模块。它有CPU、存储器、基本输入输出点和电源组成，是P

33、LC的主要部分。实际上它就是一个完整的控制系统，可以单独完成一定的控制任务。（1）主机外形见图2-2图2-2 S7-200 系列PLC主机外观编程设备PLC主机人机界面扩展模块1扩展模块n图2-3 S7-200 系列PLC的基本构成本设计采用CPU226来实现CPU226具有24输入/16输出共40个数字量I/O点，连接7个扩展模块单元，最大可扩展至248个数字量I/O或35路模拟量I/O，组成的I/O端子排列可以很容易地整体拆卸。具有13KB 程序和数据存储空间、6个独立的30KHz的高速计数器、2路独立的20KHz的高速脉冲输出、PID控制器、2个RS-485通信/编程口、点对点接口PPI

34、通信协议、多点接口MPI通信协议和自由通信口。2.扩展模块扩展模块主要有4类：数字量输入/输出模块、模拟量输入/输出模块、通信模块和特殊功能模块。当主机单元模板上的I/O点数不够时，或者涉及到模拟量控制时，除了CPU221外，可能通过增加扩展单元模板的方法，对输入/输出点数进行扩展。在进行I/O扩展时，要考虑以下几个因素：CPU主机模板所能够扩展模板数CPU主机模板的映像寄存器的数量CPU主机模板在5VDC下所能提供的最大扩展电流。例如：CPU224提供的扩展电流为660mA，可以有几种扩展方案：A、4个EM223，DI16/DO16晶体管/继电器模板和2个EM221 DI8晶体管模板，消耗的

35、电流为4150+230660mA。B、4个EM223，DI16/DO16晶体管/继电器模板和1个EM222 DO8晶体管模板，消耗的电流为4150+140640mA。C、4个EM223，DI16/DO16晶体管输出模板，消耗的电流为4160640 mA。图2-4 EM235本设计采用235模块充当扩展模块如图2-4EM235：模拟量混合输入/输出模块模拟量输入4路，模拟量输出1路。差分输入，电压：010V，05V，01V，0500mV、0100mV，050mV，10V，5V，2.5V，1V，500mV,250mV,100mV,50mV和25mV;电流：020mA。转换时间小于250us。稳定时

36、间：电压100us，电流2ms.3.特殊功能模块当需要完成某些特殊功能的控制任务时，需要扩展功能模块。它们是完成某种特殊控制任务的一些装置，如运动控制模块、特殊通信模块等。EM252模块属于定位模块，定位模块EM253可提供如下所述的单轴、开环运动控制所需要的功能。提供高速控制，从每秒12个脉冲至每秒200000个脉冲。支持急停（S曲线）或线性的加速、减速功能。提供测量系统，既可以使用工程单位（如英寸或厘米）也可以使用脉冲数。提供可组态的backlash补偿。支持绝对、相对和手动的位控方式。提供连续操作。提供多达25组的移动（包括Profile），每组最多可有4种速度。提供4种不同的参考点寻找

37、模式，每种模式都能对起始的寻找方向和最终的接近方向进行选择。提供可拆分的现场接线端子，便于安装和拆卸。4.通信接口：其作用是通过这些通信接口可以与监视器、打印机和其它的计算机相连，从而实现“人-机”或“机-机”之间的对话。5.电源部分PLC一般使用220V的交流电源，内部的开关电源为PLC的中央处理器、存储器等电路提供5V、24V等直流电源，使PLC能正常工作。6.编程设备编程设备的作用是供用户进行程序的编制、编辑、调试与监视。2.3.2 CAD的简要介绍CAD（computer aided design，,计算机辅助设计）是随着计算机及其外围设备和软件的迅速发展而形成的一门新兴技术，是电子信

38、息技术与工程产业技术的结晶。CAD通过交互式图形显示、实时构造、编辑、变换及修改并存储各类几何及拓扑信息，利用应用程序进行工程计算分析，并对设计进行模拟、优化、确定产品主要参数，利用图形处理和动画技术对模型进行仿真检验，计算机自动绘图并输出图纸、数据等各种形式的设计结果，以及数据交换，并为CAM（计算机辅助制造）、CAPP（计算机辅助工艺安排）、CAE（计算机辅助工程）、PDM（产品数据管理）及CIMS（计算机集成制造 系统）以至MRPII（制造资源管理系统）、ERP（企业资源管理系统）、MIS（管理信息系统）等产业信息化系统提供基础数据。CAD成为现代产业技术进步的关键和基础。CAD（com

39、puter aided design）的含义是指计算机辅助设计，是计算机技术的一个重要的应用领域。AutoCAD则是美国Autodesk企业开发的一个交互式绘图软件，是用于二维及三维设计、绘图的系统工具，用户可以使用它来创建、浏览、管理、打印、输出、共享及准确复用富含信息的设计图形。AutoCAD是目前世界上应用最广的CAD软件，市场占有率位居世界第一。AutoCAD软件具有如下特点：具有完善的图形绘制功能。有强大的图形编辑功能。可以采用多种方式进行二次开发或用户定制。可以进行多种图形格式的转换，具有较强的数据交换能力。支持多种硬件设备。支持多种操作平台。具有通用性、易用性，是用于各类用户。2

40、.3.3硬件设计系统硬件部分的设计见第三章舞台控制系统的硬件设计2.4软件设计具体情况见第四章系统的软件实现第3章 舞台控制系统硬件设计3.1舞台控制系统整体介绍舞台特效控制系统分为两个部分：转向控制（即角度控制）和速度控制。现将该控制系统的具体方案分几个步骤介绍如下：图3-1 舞台控制系统流程图1、转向控制部分。转向控制部分有：三级步进电机M2，转向轮，连轴器，多圈电位器。三级步进电机带动转向轮转动，转向轮的转动带动主轮按6：1的比例转动，在转向轮转动的过程中，多圈电位器通过连轴器与转向轮相连监测步进电机是否正常工作，通过电位的比较来使得步进电机按照要求正确无误的发送所需脉冲数目。2速度控制

41、部分。主轮在转向轮及主电机M1的驱动下运动，为了满足舞台可快速组装的要求主电机电源使用24V直流电源，对该直流电动机的调速采用IGBT降压斩波的调速方式。具体的调速情况按照参数具体设定。3、舞台控制系统中系统简要流程图见图3-1。4、舞台控制系统中轮子转向示意图见图3-2。0时舞台的轮子90时舞台的轮子斜行时舞台轮子旋转时舞台轮子图3-2 轮子转向示意图3.2舞台控制系统硬件设计3.2.1舞台控制系统总体结构图如图3-3startstop1 2 3 4 5 6 7西门子 CPU226Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7Q8扩展模块西门子 235 DC24V3-8译码器2-4译码器M2

42、M3M4主电机调速部分步进电机调角度部分转向电机驱动器（4路）行走电机驱动器M1图3-3 舞台控制系统总体结构图 该步进电机4路转向电机驱动器中用到了3-8译码器和2-4译码器，现将它们各自的作用介绍如下： 1、3线-8线译码器的作用是用于步进电机角度选择进行编码输出，具体为表3-1：表3-1 3线-8线译码器具体功能表ABCY 000此时对应轮子角度为0001此时对应轮子角度为45010此时对应轮子角度为90011此时对应轮子角度为135100此时对应轮子角度为18074LS138的芯片图（如图3-4）及作用为：图3-4 用与非门组成的3线-8线译码器 74LS138译码是编码的逆过程，它的

43、功能是将具有特定含义的二进制码进行辨别，并转换成控制信号，具有译码功能的逻辑电路称为译码器。3-8译码器的输入是3个脚,输出是8个脚。用高低电平来表示输入和输出，3只脚也就是3位二进制数，3位二进制最大是111 也就是8，输出是8个脚，表示10进制。如果输入是101 那么就是第5只脚高电平，表示二进制数是5。 其实3-8译码器的功能就是把输入的3位2进制数翻译成10进制的输出。 3-8译码器是常用的组合逻辑电路，其功能是对输入码（3位码）进行译码。2、2线-4线译码器的作用是用于某个步进电机转向电机的选择，其功能与3线-8线译码器相同，其具体译码见表3-2： 表3-2 2线-4线译码器具体功能

44、ABY00对1步进电机进行角度调整01对2步进电机进行角度调整10对3步进电机进行角度调整11对4步进电机进行角度调整3.2.2步进电机的有关介绍一、步进电动机的原理步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。步进电机可分为反应式步进电机（简称VR）、永磁式步进电机（简称PM）和混合式步进电机（简称HB）。 步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生。其基本原理作用如

45、下： 1.控制换相顺序 通电换相这一过程称为脉冲分配。例如：三相步进电机的三拍工作方式，其各相通电顺序为ABCD，通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A、B、C、D相的通断。 2.控制步进电机的转向 如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。 3.控制步进电机的速度 如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。二、步进电动机有如下特点1.步进电动机的角位移与输入脉冲数严格成正比。因此当它转一转后，没有累计误差，具有良好的跟随性。2.由步进电动机与驱动电路组成的开环数控系统，既非常简单、廉价

46、，又常可靠的同时，它也可以有角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。3.步进电动机的动态响应快，易于起停、正反转及变速。4.速度可在相当宽的范围内平滑调节，低速下仍能保证获得很大的转矩，因此一般可以不用减速器而直接驱动负载。5.步进电动机只能通过脉冲电源供电才能运行，它不能直接用交流电源或直流电源。6.步进电动机自身的噪声和振动比较大，带惯性负载的能力差。三、步进电动机可分为3大类（一） 反应式步进电动机（vanable rellictance简称VR）反应式步进电动机在定、转子铁心的内外表面上设有按一定规律分布的相近齿槽，利用这两种齿槽相对位置变化引起磁路磁阻的变化产生转矩。这种步进电动机步矩

47、角可做到115，甚至更小，精度容易保证，起动和运行频率较高，但功耗较大，效率较低。（二） 永磁式步进电动机（permanent magnet 简称PM）永磁式步进电动机的转子是用永磁材料制成的，转子本身就是一个磁源，它的输出转矩大，动态性能好，转子的极数与定子的极数相同，所以步距角一般较大。需供给正负脉冲信号。永磁式步进电动机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度。永磁感应子式步进电动机又称混合式步进电动机。是永磁式步进电动机和反应式步进电动机两者的结合，并兼有两者的优点。（三） 混合式步进电动机（hybrid 简称HB）混合式步进电动机综合了反应式和永磁式两者的优点，它的输

48、出转矩大，动态性能好，步距角小，但结构复杂，成本较高。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。这种步进电动机的应用最为广泛。四、步进电动机的驱动系统步进电动机使用脉冲电源工作。三极管T是按照控制脉冲的规律“开”和“关”。使直流电源以脉冲方式向绕组L供电。这一过程我们称它为步进电动机的驱动。步进电动机的驱动方式有多种，如单电压驱动，双电压驱动，斩波驱动等，因本设计选用步进电动机的功率不是很高，所以控制系统为单电压驱动步进电动机。3.3.3系统中步进电机的工作方式在该舞台特效控制系统中，角度的控制主要由四个三级步进电机连动来实现，在每次舞台进行移动前，舞台要进行调

49、零，此工作由电阻来实现。系统中角度控制过程为，先由步进电机发送脉冲，该脉冲数对应一定的角度，角度与齿轮的圈数相对应， PLC将脉冲数转换成电量之后，多圈电位器会同时监测电量是否与规定的电量相同，如果不同，会对步进电机发送的脉冲通过PLC来进行调整。当反馈与原来发送的脉冲转换成的电量无差别时，可进行舞台角度的实际控制。1、对于步进电机调零的介绍电阻R 1.0V 4.0V图3-5 步进电机调零电阻当步进电机执行完一次角度控制，再要去执行下一下角度运动之前要对，步进电机进行角度调零（如图3-5），这个通过电阻实现。角度从0180对应着05V的电量，现在令电阻的中间值即为每次角度运动之前的初始时刻，这

50、样既便于调节又便于识别。电阻的前半部分为02.5V，后半部分对应2.55V。为了使调节范围能够线性处理，现在选择的电量范围为1.253.75V，这样可以保证角度与模拟电量之间为线性的关系。计算时角度与电量成正比，对于各角度具体对应的电量为：计算公式：（A-1）/（4-1）=（D-0）/（180-0） A为模拟量D为数字量 0- 1.00V； 45- 1.75V； 90- 2.50V； 135- 3.50V； 180- 4.00V。2、步进电机角度控制具体过程：步进电机M2发送一定脉冲，脉冲转换成角位移也即轮2的圈数；PLC将脉冲数转换为模拟电量；多圈电位器作为反馈环节的元件，对电量进行检测比较

51、，比较发送出的脉冲转换成的电量是否与要求的脉冲数转换成的电量想吻合，如果电压有差别，则控制步进电机进行相应的调整，使其按目标角度进行运动。轮2转动时，由于轮1与轮2相咬合带动轮1进行转动，轮2与轮1的圈数关系是61，轮1与轮2的半径关系为R1=6R2。圆的线速度计算公式为： 轮2：V2=s/t=2R2/t 轮1：V1=12R2/t该公式用于轮子线速度的计算。在该设计中，轮1的最大线速度为:Vmax=500mm/s第4章 系统的软件设计4.1 PLC通信协议及本文采用的编程环境OPC55 (OLE for Process Control)是一套以微软OLE、组件对象模型COM、分布式组件对象模型

52、DCOM(Distributed COM)技术为基础，基于Windows操作平台，为工业应用程序提供高效的信息集成和交互功能的组件对象模型接口标准。它的出现为基于Windows的应用程序和现场过程控制的应用建立了桥梁。在过去，为了存取现场设备的数据信息，每一个应用软件开发商都需要编写专用的接口函数。由于现场设备的种类繁多，且产品的不断升级，往往给用户和软件开发商带来了巨大的工作负担。通常这样也不能满足工作的实际需要，系统集成商和开发商急切需要一种具有高效性、可靠性、开放性、可互操作性的即插即用的设备驱动程序。在这种情况下，OPC标准应运而生。OPC标准以微软公司的OLE技术为基础，它的制定是通

53、过提供一套标准的OLE/COM接口完成的，在OPC技术中使用的是OLE 2技术，OLE标准允许多台微机之间交换文档、图形等对象。通过这种机制，系统能够以标准方式从数据源获取数据并将其传递给任何客户应用程序。这样，只要开发一套遵循OPC规范的服务器与数据进行通信，其他任何客户应用程序便能通过服务器访问设备。OPC应用领域1、工控解决方案用户 2、楼控解决方案用户 3、工控解决方案厂商 4、楼控解决方案厂商 5、工控解决方案集成商 6、楼控解决方案集成商7、所有的自动化领域OPC服务器的定制接口为c+程序服务，自动化接口为VB等可使用自动化对象的程序服务。定制接口是服务商必须提供的，而自动化接口则

54、是可选的，不过OPC基金会提供了一个叫做“自动化包装器”的动态连接库，用于在两者间转换。OPC数据存取规范规定的基本对象有3类：服务器(Server)、组(Group)和数据项(Item)。服务器对象包含服务器的所有信息，也是组对象的容器，一个服务器对应于一个OPC Server，即一种设备的驱动程序。组对象除了包含它自身信息外，还负责管理数据项。每一个数据项代表到数据源的一个连接，但它没有提供外部接口，客户端程序无法对数据项直接进行操作，应用程序必须依靠数据项的容器组对象来对它进行操作。OPC客户端程序就是一种COM客户端程序，实现COM客户端程序编程模型需要六个基本步骤。根据所在的程序设计

55、环境或应用框架，有些步骤也许可以由编译程序自动实现。在C+中，接口是通过指针引用的，而在VisualBasic中使用的是默认接口。(1)初始化COM库。在C+中完成此功能的是调用COM库API(应用程序编程接口)函数Colnitialize或ColnitialzeExo Visual Basic中可以自动进行初始化。(2)获得初始接口的指针。在C+中，可以通过调用CoCreateInstance(用于本地)或CoCreateInstanceEx(用于远程)来获得接口指针。在Visual Basic中，可以使用操作符New或CreateObject来获得接口引用。(3)通过接口指针可以调用该接口的方法。(4)如果要调用其它接口的方法，可以执行QueryInterface。在C+中，通过接口指针调