一種敏捷舞臺(tái)照明燈光斑切割成像系統(tǒng)

唐露新，李媛媛，蔣偉楷

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

隨著現(xiàn)代科技和文化的發(fā)展，人們不斷追求舞臺(tái)燈具的節(jié)能、燈光動(dòng)感、顏色和圖案效果，逐步開(kāi)發(fā)出鹵鎢燈、金鹵燈、等離子體光源和LED光源等舞臺(tái)燈具產(chǎn)品，在節(jié)能、色彩和壽命等方面取得巨大成就。除此之外，燈光師越來(lái)越注重采用各種圖案以達(dá)到良好的視覺(jué)效果，上海世博會(huì)和倫敦奧運(yùn)會(huì)等大型會(huì)場(chǎng)的燈光圖案效果尤其引人入勝。以前舞臺(tái)照明中的電腦燈等實(shí)現(xiàn)光斑圖案的變化基本依靠各種圖案盤(pán)，圖案盤(pán)的數(shù)量決定了電腦燈光斑圖案的數(shù)量，電腦燈使用量的限制導(dǎo)致電腦燈光斑圖案擴(kuò)展有限，人們?cè)诓粩嗵剿靼l(fā)明一些光斑切割成像系統(tǒng)［1－3］，目前國(guó)內(nèi)外所有的高檔舞臺(tái)搖頭圖案燈等基本都采用了光斑切割成像方面的技術(shù)和裝置，豐富了舞臺(tái)燈光的功能。但是光斑切割成像系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和可靠性是業(yè)界追求的目標(biāo)，希望發(fā)明新的、高性能的切割成像裝置，開(kāi)發(fā)一種由10個(gè)軸驅(qū)動(dòng)的矢量運(yùn)動(dòng)方式切光成像系統(tǒng)，采用新的結(jié)構(gòu)和同步控制算法，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、定位準(zhǔn)確、圖案豐富、控制方便等特點(diǎn)。該系統(tǒng)已用于UHP光源電腦搖頭燈，大大豐富了其光斑圖案效果，解決了無(wú)法進(jìn)行多種圖形連續(xù)變化切割等問(wèn)題。

1 光斑切割成像裝置現(xiàn)狀和原理

目前有些光斑切割成像系統(tǒng)應(yīng)用較好、具有國(guó)際專利，結(jié)構(gòu)有兩類;一種以意大利某公司為代表的對(duì)稱四片式平行移動(dòng)光束成形裝置［2］，另一類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［3］。這些都是通過(guò)切光片配合動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)任意形狀的通光口，使投射出去的光束形成相應(yīng)光斑圖案，并可通過(guò)光柵的收縮來(lái)調(diào)節(jié)光斑的大小，能夠較好地控制光斑形狀，以用于多種類型的高檔舞臺(tái)燈中。

為了獲得良好運(yùn)動(dòng)性能，并研發(fā)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的敏捷光斑切割成像系統(tǒng)，其中每塊切割片是基于矢量運(yùn)動(dòng)的原理、通過(guò)前后運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)切割片動(dòng)作，大大擴(kuò)展了光斑形狀的多樣性和靈活性。系統(tǒng)由10個(gè)控制軸組成，8個(gè)電機(jī)控制相互不接觸的4塊切割片，1個(gè)控制調(diào)節(jié)光柵大小，另外1個(gè)控制整個(gè)成像系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)。圖1為光斑切割成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，該系統(tǒng)用于電腦搖頭效果燈等各種圖案切割。

圖1 光斑切割成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

這種舞臺(tái)燈上使用的光斑切割成像系統(tǒng)由圖中4塊切光片1組成，每塊切光片都有1個(gè)前后運(yùn)動(dòng)軸和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)軸，通過(guò)4塊切光片的配合動(dòng)作實(shí)現(xiàn)四邊形任意形狀。利用切光片在一定的前后和角度快速伸縮和擺動(dòng)的配合動(dòng)作和準(zhǔn)確定位，遮擋所需要光斑通光口，形成各種光斑圖形，使電腦燈光斑變換出無(wú)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。系統(tǒng)固定在金屬支架上，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤(pán)，使光斑切割成像系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)。

其中的切光片是具有較好的硬度和柔性的薄片，還要加熱不易變形，中心采用很薄的隔離板2防止4塊切光片發(fā)生沖突，切光片結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 切光片結(jié)構(gòu)示意圖

2 運(yùn)動(dòng)性特性分析與參數(shù)設(shè)置

2.1 運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)分析

矢量運(yùn)動(dòng)的切光片由兩電機(jī)帶動(dòng)分別進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，如圖2所示，直線運(yùn)動(dòng)為單邊齒輪傳動(dòng)，齒輪傳動(dòng)在切光片的中心位置有加強(qiáng)筋，以保證運(yùn)動(dòng)的平衡。電機(jī)1驅(qū)動(dòng)切光片直線位移46 mm，電機(jī)2通過(guò)傳送輪帶動(dòng)切光片轉(zhuǎn)動(dòng)28°，使切光片最大直線位移可達(dá)到56 mm，擺動(dòng)位移范圍相對(duì)較大。這種由4個(gè)切光片組成的光斑切割系統(tǒng)，在控制圖形變換時(shí)，定位更快速，運(yùn)動(dòng)范圍更寬。

2.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓

舞臺(tái)燈具的機(jī)構(gòu)一般采用步進(jìn)電機(jī)控制，其控制性能是研究的關(guān)鍵［4］，這里先研究電壓、電流和力矩影響與選取。系統(tǒng)采用17HD5002-11兩相混合電機(jī)，步距角 1.8°，額定電流 0.3 A，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 20 g·cm2，線圈相電阻32 Ω (20℃)，保持力矩 170 mN·m。若不考慮繞組間互感，相電壓平衡方程［5］可表示為:

式中:R為相電阻，i(t)為相電流，自感L與轉(zhuǎn)子位置角θ有關(guān)。忽略高次諧波時(shí)，L可表示為

式中:L0為平均自感;L1為自感基波分量，θz為齒距角，從中可見(jiàn)自感L(θ)是隨運(yùn)動(dòng)角度變化的。生產(chǎn)電機(jī)廠家給出當(dāng)運(yùn)動(dòng)頻率1 kHz時(shí)線圈電感/相為45 mH;高速運(yùn)行時(shí)，為了克服電感線圈對(duì)電流上升的影響應(yīng)適當(dāng)提高U(t)電壓值。從式 (1)可得:

在運(yùn)動(dòng)頻率1 kHz的一個(gè)周期的平均電流為

如果考慮周期內(nèi)平均電流為0.3 A、相電阻32 Ω，則式 (4)中U(t)電壓最大可以取為33.7 V，最高瞬態(tài)電流為0.53 A。工程實(shí)際考慮電流諧波的對(duì)線圈發(fā)熱影響，取70%峰值電壓，則U(t)取為24 V。

2.3 低噪聲運(yùn)行模式

舞臺(tái)燈具在室內(nèi)安靜的環(huán)境，要求嚴(yán)格控制運(yùn)行噪聲，整體噪聲應(yīng)小于50 dB，其噪聲主要由步進(jìn)電機(jī)和風(fēng)扇產(chǎn)生。這個(gè)光斑切割成像系統(tǒng)就有10個(gè)電機(jī)，對(duì)步進(jìn)電機(jī)噪聲控制非常重要。電機(jī)的運(yùn)行噪聲主要與力矩和電流有關(guān)，由能量轉(zhuǎn)換原理和式 (2)，可得轉(zhuǎn)矩表達(dá)式:

式中:Wf為磁場(chǎng)儲(chǔ)能，從式中可見(jiàn)，Te與i(t)的平方成正比，與步距角成反比。令Z=2π/θz，即轉(zhuǎn)子齒數(shù);K=ZL1/2，稱為轉(zhuǎn)矩常數(shù)。則式 (5)可以寫(xiě)成步進(jìn)電機(jī)單相的距角特性:

從式 (6)可見(jiàn):力矩與相電流的平方成正比，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)的某一相電流突加時(shí)，就突然產(chǎn)生突加力矩，這樣產(chǎn)生噪聲，特別在插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)時(shí)或在某些低頻區(qū)域會(huì)產(chǎn)生共振，10個(gè)步進(jìn)電機(jī)一起變速運(yùn)行，產(chǎn)生明顯噪聲和共振，可達(dá)到62 dB，嚴(yán)重影響舞臺(tái)燈性能。

細(xì)分控制是由驅(qū)動(dòng)器精確控制步進(jìn)電機(jī)的相電流實(shí)現(xiàn)，這里采用64細(xì)分，通過(guò)PWM方式控制電流，假如電機(jī)的額定相電流為3 A，其繞組內(nèi)的電流將從0突變?yōu)?.3 A或從0.3 A突變到0，需要通過(guò)64步。這樣就大大改善電機(jī)的低頻振動(dòng)和噪聲［6］。

3 切割圖案與控制方式

舞臺(tái)燈光的控制主要針對(duì)圖案、顏色以及效果3個(gè)方面，電腦燈圖案變換速度與多樣性在很大程度上決定了舞臺(tái)效果。傳統(tǒng)舞臺(tái)燈具的圖案變化由燈具自帶圖案盤(pán)決定，圖案變換種類有限，圖案的連續(xù)性較差。

利用光斑切割成像系統(tǒng)的切光片運(yùn)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)多種多樣的圖案的連續(xù)變化，但如果采用固定某一類圖案變化的方式，控制計(jì)算就比較復(fù)雜，這也是目前一般光斑切割成像裝置難以做到的。規(guī)則圖案變化是由算法控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)程［5］，設(shè)控制4個(gè)切光片前后運(yùn)動(dòng)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(duì)應(yīng)地，控制4個(gè)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。這里介紹兩種規(guī)則圖案的變換計(jì)算。

(1)任意三角形或四邊形的對(duì)稱放大或縮小。該變換可通過(guò)控制切光片的前后運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。以三角形比例變化為例，先建立如圖3所示三角形運(yùn)動(dòng)模型，若要實(shí)現(xiàn)三角形邊a、b、c到邊 a'、b'、c'的變化，只需保證各邊前后方向的變化量與對(duì)應(yīng)邊長(zhǎng)的比值相等，即Δl1∶Δl2∶Δl3=a∶b∶c。對(duì)于任意四邊形的按比例擴(kuò)大與縮小，其模型與三角形的變化模型是相似。因此，實(shí)現(xiàn)該圖案的運(yùn)動(dòng)，只需要控制4個(gè)切光片的步進(jìn)電機(jī)前后運(yùn)動(dòng)。

圖3 三角形運(yùn)動(dòng)模型

(2)四邊形變形控制有多種形式，其中一種是四邊形兩對(duì)稱點(diǎn)不變，另外兩點(diǎn)對(duì)稱運(yùn)動(dòng)。為方便計(jì)算切光片的步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡，建立其中一片的運(yùn)動(dòng)模型如圖4所示，AB相當(dāng)于四邊形的一個(gè)邊，若需保持點(diǎn)A不變，而點(diǎn)B要運(yùn)動(dòng)到點(diǎn)C時(shí)，切光片需要繞點(diǎn)O轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度α，且直線向前運(yùn)動(dòng)EF。OD和OE分別是移動(dòng)前和移動(dòng)后點(diǎn)O到底邊的垂線，設(shè)相應(yīng)點(diǎn)坐標(biāo)分別為O(x0，y0)、A(x1，0)、B(0，y1)、C(0，y2)、E(x，y)。由△AGF∽△OGD，因此∠α=∠β，則OF的長(zhǎng)度為:

圖4 四邊形運(yùn)動(dòng)模型

由上可知，OE=OD=l，那么|EF|=|OF|－l。EF即為切光片步進(jìn)電機(jī)直線運(yùn)動(dòng)的距離。步進(jìn)電機(jī)變化的角度γ可以表示為:

同理還可以組成平行四邊形變形、梯形變形、等邊三角形等標(biāo)準(zhǔn)圖形控制，還可以通過(guò)建模使搖頭燈完成更多的切割圖案以及切割效果。

4 程序設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)采用單片機(jī)控制，一個(gè)控制器控制4個(gè)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行位移和同步控制是由主控制板分配給出，采用中斷方式進(jìn)行通信。圖5所示是步進(jìn)電機(jī)UART同步數(shù)據(jù)通信程序入口框圖，若同步頭為0且與該板通道標(biāo)志一致，則接收數(shù)據(jù)，如果是四邊形變形控制，這個(gè)數(shù)據(jù)就是由主控制板計(jì)算得出的4個(gè)切光片的直線運(yùn)動(dòng)距離EF和γ角位移數(shù)據(jù)，再分配給步進(jìn)電機(jī)控制器。

圖5 UART同步數(shù)據(jù)通信流程圖

圖6所示為運(yùn)動(dòng)控制主程序軟件流程圖，每次計(jì)算當(dāng)前位置差與目標(biāo)位置的差值，由此確定進(jìn)行何種運(yùn)動(dòng)的運(yùn)算，并且采用PWM中斷程序，通過(guò)查找步距角細(xì)分表和電流－PWM對(duì)應(yīng)表，得到每一時(shí)刻步進(jìn)電機(jī)細(xì)分步距的輸出電流。

圖6 主程序流程圖

5 實(shí)驗(yàn)效果

實(shí)驗(yàn)中通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)多種變化圖案，檢測(cè)系統(tǒng)的定位、噪聲和可靠性等。

通過(guò)多種同步控制方式，可以產(chǎn)生弓形、扇形、任意三角形、任意四邊形等多種圖案以及等比例變化、平行四邊形的變化等。圖7為切光系統(tǒng)試驗(yàn)中常見(jiàn)部分圖案實(shí)際效果圖。其中圖 (a)為扇形，運(yùn)動(dòng)角度在35°～150°之間，只需要兩塊切光片運(yùn)動(dòng)。圖(b)為任意的四邊形，四邊形的各內(nèi)角也在35°～150°之間，運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算簡(jiǎn)單。圖 (c)為任意三角形變化，通過(guò)切光片的運(yùn)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)角為35°～150°內(nèi)的任意三角形或四邊形的等比例擴(kuò)大或縮小，只需要四塊切光片成比例運(yùn)動(dòng)。圖 (d)表示規(guī)則平行四邊形變化，采用公式 (7)和 (8)對(duì)相應(yīng)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)距離進(jìn)行計(jì)算，其中兩個(gè)點(diǎn)不變，另外兩個(gè)點(diǎn)對(duì)稱變化。即使同樣的運(yùn)動(dòng)圖案，如果采用不同的速度運(yùn)行，其視覺(jué)效果也會(huì)呈現(xiàn)多彩多樣。

圖7 常見(jiàn)的組合圖案及效果

通過(guò)圖案切割系統(tǒng)的大范圍運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在多軸聯(lián)動(dòng)、而且變速運(yùn)動(dòng)時(shí)噪聲最大，由于采用細(xì)分電路驅(qū)動(dòng)［6］、平滑的控制曲線［7－8］和矢量傳動(dòng)方式，其噪聲可控制在48 dB內(nèi)，小于產(chǎn)品規(guī)定的55 dB。切光片的運(yùn)動(dòng)精度由傳動(dòng)系統(tǒng)和步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)保證，通過(guò)齒輪傳動(dòng)比和步進(jìn)電機(jī)細(xì)分保證力矩、切光片相互隔離等減少摩擦。

6 結(jié)論

目前電腦搖頭燈切割成像一般用于任意無(wú)序的切光圖案，表現(xiàn)自由奔放光線，而此項(xiàng)目可以通過(guò)算法和同步控制組成各種豐富連續(xù)運(yùn)動(dòng)組合圖案，如果要組成一些復(fù)雜的變化圖案，并且要求同步控制時(shí)，運(yùn)動(dòng)步距計(jì)算比較復(fù)雜，由于步進(jìn)電機(jī)是由不同的單片機(jī)控制，通信數(shù)據(jù)的可靠性顯得十分重要;多個(gè)燈采用同樣的變形同步控制，可以通過(guò)通信接口接收同步信號(hào)，這樣多個(gè)燈的同步動(dòng)作效果更加明顯;該系統(tǒng)的切光片采用白色，以反射燈光熱量，不然會(huì)引起切光片變形，造成運(yùn)動(dòng)不暢和磨損、影響使用壽命。

該光斑切割成像系統(tǒng)已應(yīng)用于浩洋公司的UHP光源電腦搖頭燈V2000P、V3000P等多款產(chǎn)品中，由于該成像系統(tǒng)體積較大，一般常用于較大功率且功能較全的舞臺(tái)燈具中。通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行考驗(yàn)，證明該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，產(chǎn)品暢銷歐美等地。

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

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

【3】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(tái)燈具:中國(guó)，CN 102252277 A［P］.2011－11－23.

【4】黃詩(shī)涌，王曉初，廖永進(jìn)，等.一種高性能的步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2006，22(16):38－39.

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