舞臺照明燈具光斑切割系統(tǒng)研發(fā)

蔣偉楷,韋麗花,彭穎茹,梁志廣,唐露新

（1.廣州市浩洋電子有限公司，廣東 廣州 511450；2.廣東工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

舞臺照明燈具光斑切割系統(tǒng)研發(fā)

蔣偉楷1,韋麗花2,彭穎茹1,梁志廣1,唐露新2

（1.廣州市浩洋電子有限公司，廣東 廣州 511450；2.廣東工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

光斑切割成像系統(tǒng)是專業(yè)舞臺照明燈具的高端圖案動作的功能部件。為達到運動平滑和產(chǎn)生對稱、連續(xù)變化等多種圖案效果，研發(fā)矢量運動方式切光成像系統(tǒng)。該系統(tǒng)由4塊切光片組成，每塊切光片由兩軸進行矢量控制，結(jié)構(gòu)輕巧靈活，采用多種切割圖案的同步控制算法和S加減速控制，以達到連續(xù)變化的多種光斑圖案形狀。文中對系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)和同步運動控制算法、基于瞬態(tài)電流變化的驅(qū)動電壓參數(shù)選取、噪聲與平滑控制的S加減速運動等進行重點分析與優(yōu)化設(shè)計，通過實驗和多種電腦搖頭燈產(chǎn)品應(yīng)用證明效果良好。

舞臺燈具；光斑切割成像；切光片；步進電機驅(qū)動；矢量控制

0 引 言

現(xiàn)代科技與經(jīng)濟高速發(fā)展，文化需求隨之增加，鹵鎢燈、金鹵燈、等離子體光源和LED光源等舞臺燈具不斷問世，人們對演出場面燈光的動感、顏色和圖案效果印象深刻。舞臺燈發(fā)展很快，開始形成光束、圖案和染色的多功能燈具，其中用電腦控制和圖案盤是表現(xiàn)各種變化圖案的主要方法[1-2]，大多數(shù)中高端舞臺燈具中采用各種圖案盤，但是圖案盤的數(shù)量限制了電腦燈光斑圖案的數(shù)量，現(xiàn)在普遍使用圖案變幻莫測的光斑切割成像系統(tǒng)，一般高檔舞臺搖頭圖案燈基本采用了光斑切割成像技術(shù)和裝置[3-5]，大大豐富了舞臺燈光的功能。但是光斑切割成像系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和可靠性是圖案質(zhì)量的關(guān)鍵，本文針對自主研發(fā)的矢量運動方式切光成像系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)和同步控制算法等進行優(yōu)化研究。

1 系統(tǒng)工作原理與運動設(shè)計

1.1 系統(tǒng)工作原理

光斑切割成像系統(tǒng)是通過切光片配合動作，實現(xiàn)任意形狀的通光口，使投射光束形成各種光斑圖案，并通過光柵收縮調(diào)節(jié)光斑大小，能夠較好地控制光斑形狀，用于多種高檔舞臺燈。現(xiàn)在舞臺燈具中常用的有兩類結(jié)構(gòu)，一種是歐洲兩公司連桿曲柄型光束成形裝置和可旋轉(zhuǎn)光形成器件[4]，另外一種是國內(nèi)和意大利某公司的對稱四片式平行移動光束成形裝置[5]，后者直觀明了。

圖1為自主研發(fā)的敏捷光斑切割成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，其中每塊切割片都是基于矢量運動的原理，通過切割片前后運動和旋轉(zhuǎn)運動而實現(xiàn)光斑形狀變形動作。系統(tǒng)由10個控制軸組成，8個電機控制相互不接觸的4塊切割片，一個電機控制調(diào)節(jié)光柵大小，另外一個電機控制整個中間系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)。

其中每塊切光片都有一個伸縮運動軸和旋轉(zhuǎn)運動軸，通過4塊切光片的相互配合形成任意形狀的通光孔，當(dāng)光束通過通光孔時就可以形成任意形狀的光斑。通過4塊切光片的配合實現(xiàn)多種任意形狀運動，遮擋所需要光斑通過光孔，使電腦燈的光斑變換出無限多種圖案種類。結(jié)合光柵，使得光斑調(diào)節(jié)可以更加靈活多樣；還可以通過電機轉(zhuǎn)動固定在金屬支架上的圓盤，使整個光斑切割成像系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)，具有豐富的圖案效果。其中的切光片為具有較好硬度和柔韌性的薄片，還需加熱不易變形，中心采用薄的隔離板防止4塊切光片發(fā)生沖突。

1.2 運動參數(shù)優(yōu)化

裝置的結(jié)構(gòu)與控制方案不僅涉及系統(tǒng)運動速度和精度，還與成像有關(guān)，如圖2所示。切光片設(shè)計成矢量運動的結(jié)構(gòu)，由兩電機分別進行直線運動和旋轉(zhuǎn)運動，直線運動為單邊齒輪傳動，齒輪傳動片3在切光片中心位置有加強筋，保證運動平衡。電機1驅(qū)動切光片直線動作位移46mm，電機2通過傳送輪帶動切光片轉(zhuǎn)動角度28°，切光片直線位移達到56mm，整體位移范圍較大，在控制圖形變換時，能夠更快速定位。

另外，圖1中整個機構(gòu)轉(zhuǎn)動圓盤通過圓盤傳動輪與導(dǎo)軌導(dǎo)向，其背面通過齒輪傳動，步進電機齒輪與圓盤齒輪傳動比為7∶1。原導(dǎo)軌采用凹凸形狀結(jié)構(gòu)方式，配合太緊運動不暢；配合過松或者運動磨損后，產(chǎn)生虛位使切光圖像邊緣不清晰，對零件加工和工藝安裝要求過高。現(xiàn)采用三角形結(jié)構(gòu)，在同樣的加工與安裝精度時，在緊配合的時候，完全可以保持運動的轉(zhuǎn)動圓盤靈巧和運動精度要求。

1.3 圖案切割控制

一般光斑切割成像系統(tǒng)運動切光時，都是采用隨意運動的方式，圖案的連續(xù)性和形狀表達能力較差，難以滿足豐富的圖案變換效果要求。這里采用優(yōu)化算法，對切光片進行同步控制，可以實現(xiàn)多種規(guī)則圖案的連續(xù)變化。連續(xù)規(guī)則圖案變化是由軟件算法控制步進電機的運動，只要進行相關(guān)運算，可以得到豐富動感圖案，組成平行四邊形、梯形、等邊三角形等多種圖形，這里介紹兩種變換計算方法。

（1）四邊形與三角形圖案的對稱連續(xù)放大或縮小。4個切光片前后運動的軸按照相鄰的位置分別為li（i=1，2，3，4），其變化量為Δli；對應(yīng)地，控制4個切光片角度變化的軸分別為θi（i=1，2，3，4），角度變化量為Δθi，通過控制切光片前后的同步運動實現(xiàn)。以三角形各邊平行運動變化為例，建立如圖3所示運動模型，如需實現(xiàn)三角形abc邊到a′b′c′邊變化，只需保證各邊前后方向的變化量與對應(yīng)邊長的比值相

等，即Δl1∶Δl2∶Δl3=a∶b∶c。對于任意四邊形按比例放大與縮小時，其模型與三角形變化模型相似。因此，實現(xiàn)該類圖案變化運動，只需控制4個切光片步進電機前后運動。

（2）四邊形規(guī)則變形運動有多種形式變化圖案，現(xiàn)對一種四邊形兩對稱頂點不變、另外兩頂點對稱運動舉例。為方便計算切光片步進電機運動軌跡，建立如圖4所示的一片切光片運動模型，AB為四邊形的一邊，若保持A點不變，當(dāng)B點運動到C點時，切光片移動EF距離，且繞O點轉(zhuǎn)動α角度。OD與OE分別為移動前后O點到底邊的垂線，相應(yīng)點坐標(biāo)分別為O（x0，y0）、A（x1，0）、B（0，y1）、C（0，y2）、E（x，y）。由△AGF∽△OGD，則∠α=∠β，OF長度為

由式（1）可知，OE=OD=l，則|EF|=|OF|-l，為切光片步進電機的運動距離。步進電機變化角度θ表示為

還可以通過其他運動方式的建模，使搖頭燈完成更多的切割圖案以及切割效果。

2 電路優(yōu)化設(shè)計與運動控制程序

2.1 電源設(shè)計

由于舞臺燈機構(gòu)復(fù)雜，電路細長，容易產(chǎn)生干擾，所以采用三級電源穩(wěn)壓的方式。第一級為24 V穩(wěn)壓，可以作為繼電器和大電壓的供電，通過長線，進入二級開關(guān)穩(wěn)壓到5 V，要盡量靠近控制對象，簡化開關(guān)電源，不僅容易穩(wěn)壓，還具有較高電源效率。第三極是芯片電源端的并聯(lián)儲能電容，能夠有效提供瞬時能量和克服干擾。光斑切割成像裝置的抗干擾還可采用電路、布線等更多的措施[6]。

2.2 微處理控制器與步進電機控制

由于步進電機多造成相關(guān)電路過多，須簡化控制電路，原來采用ATmega168的8位AVR微處理器，一塊芯片可控制3個步進電機，驅(qū)動采用一片L6225芯片，但切光系統(tǒng)還是4片控制芯片，信號還需分別與上位機通信。現(xiàn)采用STM32F205的32位ARM的MCU，時鐘可達120MHz，具有14路定時器，只用一塊芯片足以控制10個步進電機，上位機發(fā)出運行各種圖案的指令，各步進電機的運動控制則由該ARM芯片直接計算輸出，大大簡化了整體控制電路和軟件通信，提高了可靠性。

2.3 步進電機驅(qū)動電壓設(shè)計

切光片步進電機控制的關(guān)鍵是運動速度與加速度的控制，驅(qū)動電壓、電流和力矩與速度控制密切相關(guān)。本系統(tǒng)采用17HD5002-11兩相混合電機，步距角1.8°，額定電流0.3 A，轉(zhuǎn)動慣量為20 g·cm2，線圈相電阻32Ω（20℃），保持力矩170m·Nm。若不考慮繞組間互感，相電壓平衡方程[7]可表示為

式中：R——相電阻；

i（t）——相電流；

L——自感，與轉(zhuǎn)子位置角θ有關(guān)。

生產(chǎn)廠電機給出當(dāng)運動頻率1kHz時線圈電感/相為45mH；高速運行時，為了克服電感線圈對電流上升的影響應(yīng)適當(dāng)提高U（t）電壓值，從式（3）可得：

在運動頻率1kHz的一個周期的平均電流I為

如果考慮周期內(nèi)平均電流為0.3A、相電阻32Ω，則式（5）中U（t）電壓最大可取33.7V，最高瞬態(tài)電流為0.53A，工程實際考慮電流諧波的對線圈發(fā)熱影響，取70%峰值電壓，則U（t）為24V。

2.4 低噪聲運行模式

舞臺燈具用于室內(nèi)安靜環(huán)境，要求整體運行噪聲＜50dB，其噪聲主要由電機和風(fēng)扇葉片產(chǎn)生，其中光斑切割成像系統(tǒng)就有10個電機，噪聲控制非常重要。步進電機噪聲主要與力矩和電流有關(guān)，由能量轉(zhuǎn)換原理和式（3）可得轉(zhuǎn)矩為

式中Wf為磁場儲能，力矩Te與繞組電流i（t）的平方成正比，與步距角成反比。令Z=2π/θz為轉(zhuǎn)子齒數(shù)、K=ZL1/2為轉(zhuǎn)矩常數(shù)，式（6）變?yōu)閱蜗嗑嘟翘匦怨剑?/p>

由式（7）可見，當(dāng)繞組突加電流時，就產(chǎn)生電流平方效應(yīng)的突加力矩，這樣容易產(chǎn)生噪聲，在插補運動時某些低頻區(qū)域常常產(chǎn)生共振，10個步進電機一起運行的噪聲達到62dB，不符合要求。

細分控制是由驅(qū)動器精確控制步進電機的相電流實現(xiàn)，這里采用64細分，通過PWM方式控制電流，假如電機的額定相電流為3 A，其繞組內(nèi)的電流將從0突變?yōu)?.3A或從0.3A突變到0，需要通過64步。這樣就大大改善電機的低頻振動和噪音[8]。

2.5 步進電機加減速控制

步進電機采用加減速控制保證良好運行，加減速控制分為直線型、指數(shù)型和S型，S型具有快速和噪聲小等優(yōu)點，效果最好[9]，但控制較復(fù)雜。這里根據(jù)圖案切割系統(tǒng)需要，4個切光片較輕巧、動作頻繁、需要同步，采用簡單直線型控制方式就可完全滿足平滑控制要求。而整個機構(gòu)轉(zhuǎn)動圓盤質(zhì)量重、體積大，宜采用S型曲線。圖5為S加減速程序流程圖，加減速程序分為兩種，S型曲線計算復(fù)雜，在實現(xiàn)過程中采用7段階梯型曲線來逼近。并且采用PWM電流控制中斷程序，通過查找步距角細分表和電流-PWM對應(yīng)表，得到每一時刻步進電機細分步距的輸出電流。勻速運動時就不需要采用細分，也不會產(chǎn)生失步和大的噪音。

3 實驗效果

優(yōu)化方法通過大量實驗進行檢驗和修正，主要是檢驗多種變化圖案，觀察系統(tǒng)的定位和噪聲大小等，其中圖案變化還可以進一步開發(fā)。

圖6為切光系統(tǒng)實現(xiàn)的一些常用切光圖案，通過同步控制算法，實現(xiàn)了任意弧形與四邊形，圖6（d）表示規(guī)則四邊形變化，采用式（1）和式（2）對相應(yīng)步進電機的運動距離和角度進行計算，其中兩個頂點不變，另外兩點對稱變化。對于同樣運動規(guī)律的圖案，采用不同速度方式運行，也會產(chǎn)生異樣的視覺效果。

運動噪聲控制試驗，通過圖案切割系統(tǒng)的大范圍運動試驗，發(fā)現(xiàn)在多軸聯(lián)動而且變速運動時噪聲最大，由于采用細分電路驅(qū)動[6]、平滑的控制曲線[6-8]和矢量傳動方式，表1為步進電機直線加速度與S曲線加速比較，測試條件為64細分，每圈128 000脈沖，S曲線的最高加速度a和最高速度都比直線大，其加速度的變化率a2遠遠小于直線加速，在加減速階段犧牲一些運行時間，但是在兩圈以上的距離就明顯加快，系統(tǒng)運行平穩(wěn)和噪聲降低明顯，其噪聲可控制在38分貝內(nèi)，大大小于產(chǎn)品規(guī)定的噪聲。

4 結(jié)束語

通過對光斑切割成像系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計，涉及機械、電壓、細分驅(qū)動和運動控制等方面，不僅可以在電腦搖頭燈切光形成任意無序圖案，而且使系統(tǒng)的功能更加優(yōu)越，主要表現(xiàn)在3個方面：（1）大范圍機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用S驅(qū)動和三角形結(jié)構(gòu)導(dǎo)軌，保證了系統(tǒng)的快速運動、配合精密、磨損少，速度提高20%，圖案變化明顯更加平滑。（2）一片32位單片機控制多組電機、多單片機的通信模式、步進電機驅(qū)動采用64細分等方式，提高了可靠性、降低成本和噪聲。（3）模塊化的同步切光程序，已經(jīng)編輯多種連續(xù)運動組合圖案標(biāo)準(zhǔn)程序模塊，可以統(tǒng)一調(diào)用。在增加網(wǎng)絡(luò)同步通信信號時，可以多個燈同步采用同樣變形控制，這樣多個燈的圖案視覺效果更加明顯。

該光斑切割成像系統(tǒng)已用于電腦搖頭燈V801P、PT800P等多款產(chǎn)品中，通過較長運行時間考驗，證明系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，經(jīng)濟效益顯著。

[1]袁廣福.淺談成像電腦燈的技術(shù)特點和應(yīng)用[J].演藝科技，2011，58（5）：18-19.

[2]Cheng W B，Zissis G.Flicking light design for stage lighting with HPS lamp[C]∥Industry Applications Society Annual Meeting，2012：1-4.

[3]蔣偉楷，彭穎茹，林學(xué)貴，等.高效UHP光源舞臺照明燈具研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)[J].機電工程技術(shù)，2012，41（6）：50-53，121.

[4]百奇股份有限公司.用于使光束成形的成形組件和包括該成形組件的舞臺燈具：中國，102252277 A[P].2011-11-23.

[5]廣州彩熠燈光有限公司.一種用于舞臺燈具的成像切割系統(tǒng)：中國，201715452 U[P].2011-01-19.

[6]彭穎茹，蔣偉楷，林學(xué)貴，等.UHP光源舞臺燈具控制系統(tǒng)抗干擾技術(shù)[J].自動化與信息工程，2012（3）：42-44.

[7]周黎，楊世洪，高曉東，等.步進電機控制系統(tǒng)建模及運行曲線仿真[J].電機與控制學(xué)報，2011，15（1）：20-25.

[8]董亮輝，劉景林，李昱楊.步進電機寬調(diào)速多細分控制系統(tǒng)研究[J].測控技術(shù)，2012，31（1）：66-69.

[9]張碧陶，高偉強，沈列，等.S曲線加減速控制新算法的研究[J].機床與液壓，2009，37（10）：27-29.

Design of spot cut system in stage lighting lamps

JIANG Wei-kai1，WEI Li-hua2，PENG Ying-ru1，LIANG Zhi-guang1，TANG Lu-xin2
（1.Guangzhou Haoyang Electronic Co.，Ltd，Guangzhou 511450，China；2.Faculty of Information Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China）

The spotcutimaging system isa high performance feature ofimage action in professional stage lighting lamps.In order to generate the movement smooth and symmetrical patterns and other effects of continuous change，a way to cut vector sport light imaging system was developed.The system consists of four spot cutter compositions，and each block consists of two vector control shafts.It has a lightweight and flexible structure.Synchronization control algorithm and S deceleration control used by a variety of cutting patterns，a continuous variation of the spot pattern of various shapes were achieved.In this paper，the mechanical structure of the system and synchronized motion control algorithm，drive voltage parameter selection of transient current，S-ramp movement on noise control and smooth were analyzed and design optimally.The effectiveness was proven through experiments and a variety of product applications.

stage lamp；spot cut imaging；spot cutter；stepper motor driver；multi-axle control

G115.5+7；TG113.25；TG111.91；TM930.114

：A

：1674-5124（2014）04-0124-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.04.031

2014-02-17；

：2014-04-09

廣東省教育部產(chǎn)學(xué)研合作專項（2012B091100056）

蔣偉楷（1971-），男，廣東廣州市人，工程師，主要從事舞臺燈光設(shè)備技術(shù)的研發(fā)。