基于無線控制的舞臺(tái)燈光斑切割系統(tǒng)*

蔣偉楷

基于無線控制的舞臺(tái)燈光斑切割系統(tǒng)*

蔣偉楷

（廣州市浩洋電子股份有限公司）

研發(fā)基于無線能量傳輸和控制的舞臺(tái)燈光斑切割系統(tǒng)。在傳統(tǒng)切割成像機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)上，采用150 kHz的諧振式平板磁芯環(huán)形線圈，通過雙端電流采樣改變H橋驅(qū)動(dòng)逆變電路占空比，實(shí)現(xiàn)無線大功率精準(zhǔn)控制輸出；采用2.4 GHz的環(huán)形近場(chǎng)天線傳輸控制通信信號(hào)，通過檢測(cè)和跳頻選擇相對(duì)占用少的頻道進(jìn)行傳輸。經(jīng)過計(jì)算、有限元仿真和實(shí)際測(cè)量等優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)切割光斑的無限角度快速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。該系統(tǒng)已應(yīng)用于多款電腦搖頭燈產(chǎn)品，使用輕巧靈活、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高，能量傳輸效率>78%，丟包率<0.05%。

舞臺(tái)燈具；光斑切割成像；諧振式；無線電能傳輸；近場(chǎng)環(huán)形天線

0　引言

舞臺(tái)燈光一般由換色系統(tǒng)、圖案變換系統(tǒng)和光斑切割系統(tǒng)等組成[1]。換色系統(tǒng)和圖案變換系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)比較成熟；光斑切割系統(tǒng)由于能實(shí)現(xiàn)豐富多彩的圖案變化，越來越受到關(guān)注。光斑切割系統(tǒng)一般由系統(tǒng)外部開關(guān)電源提供電能信號(hào)；系統(tǒng)外部主控板控制圖案變化；能量輸送和信號(hào)傳輸媒介分別是電導(dǎo)線和無線。光斑切割系統(tǒng)使用電導(dǎo)線連接時(shí)，由于電線纏繞限制系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)角度，以致無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)無限旋轉(zhuǎn)功能，大大削弱系統(tǒng)的表現(xiàn)能力。同時(shí)，大量連接導(dǎo)線和接頭，可能會(huì)引起漏電、線路發(fā)熱等故障。

采用電磁感應(yīng)原理的無線電能傳輸技術(shù)主要分為3種：電磁感應(yīng)耦合式、磁耦合諧振式和微波輻射式[2]。電磁感應(yīng)耦合式無線電能傳輸技術(shù)相對(duì)成熟，已在手機(jī)、電動(dòng)玩具等領(lǐng)域大量應(yīng)用，但其輸出功率較小（<15 W）。微波輻射式無線電能傳輸技術(shù)傳輸功率在毫瓦級(jí)[3]。而光斑切割系統(tǒng)的能量傳輸要求>50 W，顯然，以上2種傳輸技術(shù)無法滿足要求。磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)因具有傳輸距離適中、傳輸功率大、橫向偏移錯(cuò)位適應(yīng)性好等特點(diǎn)，目前已經(jīng)在汽車無線充電領(lǐng)域有相關(guān)的應(yīng)用案例[4]。相比于汽車無線充電應(yīng)用，舞臺(tái)燈光的光斑切割系統(tǒng)體積較小，需要傳輸?shù)哪芰棵芏容^大，還需考慮周圍各種金屬器件對(duì)電磁場(chǎng)的影響；另外舞臺(tái)燈光對(duì)無線通信的實(shí)時(shí)性和可靠性要求更高，數(shù)據(jù)傳輸速率也更快。基于舞臺(tái)燈光斑切割系統(tǒng)的特點(diǎn)，本文結(jié)合磁耦合諧振式無線傳輸技術(shù)，開發(fā)一種使用無線電能和無線信號(hào)傳輸?shù)墓獍咔懈钕到y(tǒng)。

1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于無線控制的舞臺(tái)燈光斑切割系統(tǒng)原理框圖如圖1所示，由電能發(fā)射、電能接收、信號(hào)發(fā)射、信號(hào)接收和光斑控制5部分組成。

圖1　基于無線控制的舞臺(tái)燈光斑切割系統(tǒng)原理框圖

電能發(fā)射端由控制器通過逆變驅(qū)動(dòng)電路將直流電轉(zhuǎn)換成交流電，并加載到諧振發(fā)射電路。電能接收端通過諧振接收電路接收電能，經(jīng)過整流、濾波和穩(wěn)壓后為造型裝置電機(jī)提供能量。同時(shí)，通訊電路及天線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向通信。

為實(shí)現(xiàn)舞臺(tái)燈光斑切割系統(tǒng)的無線電能及無線信號(hào)傳輸，設(shè)計(jì)的無線切割裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1-固定架 2-發(fā)射托架 3-無線功率/信號(hào)發(fā)射控制板 4-功率發(fā)射線圈/無線發(fā)射天線 5-功率接收線圈/無線接收天線 6-無線功率/信號(hào)接收控制板 7-電機(jī)控制板 8-步進(jìn)電機(jī)陣列 9-公轉(zhuǎn)電機(jī)控制板 10-公轉(zhuǎn)電機(jī)

固定架支撐整個(gè)切割裝置；發(fā)射托架承載發(fā)射部件，包括無線功率/信號(hào)發(fā)射控制板和功率發(fā)射線圈/無線發(fā)射天線；功率接收線圈/無線接收天線與發(fā)射線圈處于同軸圓下方；無線功率/信號(hào)接收控制板、電機(jī)控制板和步進(jìn)電機(jī)陣列位于無線切割裝置上。電機(jī)控制板上的8路電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路帶動(dòng)1個(gè)步進(jìn)電機(jī)MS11HS3P4045-02，2個(gè)步進(jìn)電機(jī)相互配合帶動(dòng)一片切割片進(jìn)行平行運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)光斑形狀變形動(dòng)作。同時(shí)，通過公轉(zhuǎn)電機(jī)控制板控制公轉(zhuǎn)電機(jī)MS17HD0P404A-03帶動(dòng)萬向旋轉(zhuǎn)盤上的從動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)，使切割系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無限旋轉(zhuǎn)功能。

2　基于諧振式無線電能傳輸設(shè)計(jì)

電能傳輸設(shè)計(jì)是基于無線控制的舞臺(tái)燈光斑切割系統(tǒng)的關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)，其性能優(yōu)劣直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠。

2.1　諧振式無線電能傳輸基本原理

以串串型諧振式無線能量傳輸為研究對(duì)象，建立如圖3所示的互感模型。其中R和R分別為發(fā)射和接收線圈的內(nèi)阻；是兩個(gè)線圈之間的互感；U是加在發(fā)射線圈上的等效交流電壓源；R是等效負(fù)載阻抗。

圖3　串串型諧振式無線能量傳輸系統(tǒng)的互感模型

考慮兩線圈的互感影響，可得出初級(jí)和次級(jí)回路方程為

其中，U為理想的正弦交流電壓源，其角頻率為。

由式(5)可以看出，系統(tǒng)的能量傳輸效率與系統(tǒng)參數(shù)?0，R，R，R以及發(fā)射線圈和接收線圈之間的互感有關(guān)。

2.2　電能傳輸耦合線圈設(shè)計(jì)

其中，為平板螺旋線圈電感量；為線圈匝數(shù)；為有效磁導(dǎo)率；為圓環(huán)中心線圈半徑；為圓環(huán)截面半徑。若線圈處于真空中，則=0=4π×10-7。

無線電能傳輸線圈不同于變壓器，兩線圈間有比較大的空氣間隙，屬于松耦合。由于線圈的漏電感遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于兩者的互感，導(dǎo)致耦合系數(shù)很小。要提高無線電能傳輸設(shè)備的輸出功率和效率，關(guān)鍵在于提高松耦合線圈的耦合系數(shù)。目前，通常采用底板添加鐵氧體平板磁芯的方法來提高兩線圈的耦合度[6]。由于鐵氧體屏蔽材料起到磁通短路的作用，可以保證磁場(chǎng)線大部分集中在2個(gè)線圈之間，最大限度地減少漏磁。針對(duì)基于無線控制的舞臺(tái)燈光斑切割系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)要求，本文設(shè)計(jì)一個(gè)帶凹槽的環(huán)形鐵氧體磁芯。磁芯內(nèi)徑為95 mm，外徑為128 mm，厚度為2.0 mm，同時(shí)環(huán)形內(nèi)外邊都有凸起的環(huán)形鐵氧體邊，環(huán)形鐵氧體邊厚度和高度都是1.5 mm，其截面如圖4所示。

圖4　發(fā)射線圈和接收線圈截面圖

采用ANSYS Maxwell低頻磁場(chǎng)有限元仿真軟件進(jìn)行仿真，結(jié)果顯示采用這種磁芯線圈，磁場(chǎng)分布更集中，漏磁通受到周圍導(dǎo)磁器件的影響變小。圖5(a)和圖5(b)分別為沒有屏蔽材料和有屏蔽材料的磁場(chǎng)分布圖。

圖5　線圈磁場(chǎng)仿真分布圖

由參考文獻(xiàn)[7]可得到有效磁導(dǎo)率為

其中，為磁芯材料磁導(dǎo)率；l為空氣間隙；為磁路長(zhǎng)度。

2.3　驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

無線電能傳輸關(guān)鍵電路是發(fā)射端逆變電路。逆變電路使用H橋電路，如圖6所示為其中的半橋電路。

圖6　無線電能傳輸發(fā)射端逆變電路

通過半橋驅(qū)動(dòng)芯片L6384E驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)MOS管TDM31066，在半橋驅(qū)動(dòng)芯片DTSD端和地之間設(shè)置不同電阻值來設(shè)定不同死區(qū)時(shí)間，防止橋臂上下管同時(shí)導(dǎo)通造成電路損壞。同時(shí)增加過流檢測(cè)電路防止過流燒毀MOS管。

舞臺(tái)燈光斑切割系統(tǒng)在圖案變化過程中，電機(jī)處于高速與低速運(yùn)動(dòng)或力矩保持等狀態(tài)，功率消耗不同，需通過控制發(fā)射線圈電流來調(diào)節(jié)傳輸功率。半橋電路下臂的16檢測(cè)電流用于判斷實(shí)際需要的功率輸出，高精度運(yùn)放LMV331實(shí)現(xiàn)雙端電流采樣，以改變上下橋臂的開關(guān)占空比，實(shí)現(xiàn)輸出功率精準(zhǔn)控制。

3　無線通信設(shè)計(jì)

基于無線控制的舞臺(tái)燈光斑切割系統(tǒng)中無線通信需要穩(wěn)定的高頻率傳輸信號(hào)，這決定了整個(gè)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

3.1　天線設(shè)計(jì)

圖7　近場(chǎng)環(huán)形天線與遠(yuǎn)場(chǎng)PCB天線接收功率對(duì)比圖

由圖7可以看出，使用天線相對(duì)位置隨轉(zhuǎn)動(dòng)角度變化的PCB天線時(shí)，接收功率也會(huì)發(fā)生變化，當(dāng)相對(duì)位置為180°時(shí)接收功率最小。使用環(huán)形近場(chǎng)天線，接收功率不會(huì)隨著角度變化而變化，該方案比較穩(wěn)定可靠。

3.2　通信程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)首選2.4 GHz為通信頻段，頻率范圍是2401 MHz~2480 MHz，分成15個(gè)信道，每個(gè)信道帶寬為5 MHz。為解決多個(gè)設(shè)備應(yīng)用帶來的信號(hào)干擾、信道占用等問題，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖8所示的無線通信程序。

當(dāng)燈具啟動(dòng)時(shí)，無線通信發(fā)射板通過功率線圈的耦合發(fā)送本機(jī)的RF-ID碼給無線通信接收板、并將RF-ID碼保存在接收芯片中。RF-ID碼作為所有通信的校對(duì)碼之一，解決了由于燈具間距較近、信號(hào)相互串?dāng)_而無法辨別本機(jī)信號(hào)的問題。為避免某些強(qiáng)信號(hào)通信設(shè)備在某些信道上長(zhǎng)時(shí)間占用，如WiFi設(shè)備，本系統(tǒng)采用參考文獻(xiàn)[10]的方法。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)首先檢測(cè)所有可使用信道的占用情況，然后跳轉(zhuǎn)到占用度相對(duì)少的信道進(jìn)行通信。由于舞臺(tái)燈光無線通信對(duì)信號(hào)的實(shí)時(shí)性要求嚴(yán)格，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了重發(fā)機(jī)制。當(dāng)發(fā)射板接收到控制板的1幀數(shù)據(jù)后立刻發(fā)送信號(hào)給接收板，同時(shí)等待接收板信號(hào)確認(rèn)反饋；在規(guī)定時(shí)間內(nèi)沒有收到確認(rèn)信號(hào)，發(fā)射板會(huì)不斷地發(fā)送同一幀信號(hào)，直到下一幀控制信號(hào)到來。本系統(tǒng)每幀信號(hào)的間隔時(shí)間是20 ms。為防止插入信號(hào)干擾正常通信，設(shè)計(jì)了連續(xù)250幀數(shù)據(jù)無法下傳發(fā)射板時(shí)，會(huì)主動(dòng)實(shí)施信道占用度檢測(cè)和跳頻機(jī)制，保證通信不失效。

圖8　無線通信程序流程圖

4　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證基于無線控制的舞臺(tái)燈光斑切割系統(tǒng)的可靠性，針對(duì)電能傳輸設(shè)計(jì)線圈分別在有、無鐵氧體屏蔽材料的情況下做了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，并且把實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算公式和仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。同時(shí)，針對(duì)無線通信的可靠性做了多機(jī)運(yùn)行監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)。

根據(jù)式(1)~(7)設(shè)計(jì)可驗(yàn)證的功率線圈匝數(shù)為6圈，分為有鐵氧體磁屏蔽材料和無鐵氧體磁屏蔽材料2種情況。考慮到諧振頻率較低、趨膚效應(yīng)不明顯，線圈阻抗約等于直流電阻。使用萬用表測(cè)量電阻為0.65Ω；使用電橋分別測(cè)量無屏蔽和有屏蔽材料線圈的自感量分別為7.05 μH，13.0 μH。采用150 kHz，±3 V的正弦波信號(hào)，通過功率放大器ATA4012把電壓幅度調(diào)整到±30 V。采用夾具裝置保持發(fā)射線圈和接收線圈距離為3 mm，使用示波器MDO3014分別測(cè)量次級(jí)線圈短路下的初級(jí)線圈電流in和次級(jí)線圈開路下的輸出電壓out，計(jì)算互感系數(shù)=out/in。最后使用直流電源供電給圖6所述驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)功率發(fā)射線圈，并且在功率接收線圈輸出端接電阻負(fù)載，測(cè)量輸入功率和輸出功率，計(jì)算出無線電能傳輸效率。實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)與計(jì)算、仿真數(shù)據(jù)的對(duì)比結(jié)果如表1所示。由表1數(shù)據(jù)可知，計(jì)算結(jié)果、仿真結(jié)果基本與實(shí)測(cè)一致，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理可行。

表1　無線電能傳輸效率測(cè)試表

第二個(gè)實(shí)驗(yàn)主要用于驗(yàn)證舞臺(tái)燈光系統(tǒng)內(nèi)部存在的各種導(dǎo)磁材料對(duì)無線電能傳輸?shù)挠绊懀?30不銹鋼和步進(jìn)電機(jī)等。電能傳輸系統(tǒng)周圍的導(dǎo)磁材料會(huì)影響到電能耦合線圈的耦合系數(shù)，影響電能傳輸效率。采用帶磁環(huán)屏蔽材料的線圈耦合方式磁力線更集中于線圈周圍。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了高度為15 mm的4種不同直徑的圓柱形不銹鋼圈，分別包圍無線電力傳輸線圈，模擬現(xiàn)實(shí)燈具的使用環(huán)境，測(cè)試是否有磁環(huán)時(shí)電能傳輸?shù)男首兓闆r，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

由表2可以看出，線圈周圍是否有導(dǎo)磁體對(duì)無屏蔽磁環(huán)線圈的影響比較大，而對(duì)于有屏蔽磁環(huán)的線圈影響比較小。

表2　導(dǎo)磁體對(duì)電能傳輸效率

無線通信在舞臺(tái)燈光的應(yīng)用有2個(gè)重要電磁兼容考核指標(biāo)，分別是自身通信的抗擾度和對(duì)周圍燈具通信的影響。本文進(jìn)行以下實(shí)驗(yàn)：在半徑為1 m的圓心和圓周上分別放置帶無線切割的燈具，圓周上每隔45°放置一臺(tái)燈具；在離圓心3 m的位置每隔90°放置一套2.4 G WiFi收發(fā)系統(tǒng)，WiFi系統(tǒng)設(shè)置為不同信道。燈具的切割系統(tǒng)分別以最高速和最低速公轉(zhuǎn)，統(tǒng)計(jì)無線發(fā)射板接收到控制信號(hào)的數(shù)據(jù)包數(shù)量與發(fā)射板接收到接收板確認(rèn)信號(hào)的數(shù)據(jù)包數(shù)量之差，以確定丟包情況。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示丟包率最高的燈具放置在圓心位置。在公轉(zhuǎn)最高速度時(shí)，統(tǒng)計(jì)了十萬個(gè)數(shù)據(jù)包，丟包率最高為0.05%，其他燈具的丟包率小于0.03%，滿足0.1%的設(shè)計(jì)要求。

5　結(jié)論

舞臺(tái)燈光光斑切割系統(tǒng)的關(guān)鍵問題是能量供給，高效率能量傳輸需要優(yōu)化發(fā)射線圈和接收線圈以及相關(guān)的技術(shù)參數(shù)。通過理論分析、仿真和實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)鐵氧體屏蔽結(jié)構(gòu)平板螺旋線圈，解決了傳輸效率問題，同時(shí)也避免了周圍環(huán)境變化對(duì)磁路影響。今后隨著光斑半徑的增大，要求功率線圈空間更小，需要研究更高功率密度和效率的電能線圈。

舞臺(tái)燈光設(shè)備對(duì)于通信的實(shí)時(shí)性要求很高，本文提出的環(huán)形近場(chǎng)天線及檢頻跳頻軟件算法在一定程度上可以提高數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。但2.4 GHz的通信頻段存在可用設(shè)備普遍，信道占用度高；信號(hào)衰減慢，容易同頻干擾；可用帶寬小，傳輸速度慢等弊端，應(yīng)研究采用更高的頻率進(jìn)行通信。

該系統(tǒng)已應(yīng)用于本公司的電腦搖頭燈EL10P、EL10FX等多款產(chǎn)品，通過較長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行考驗(yàn)，證明系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

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

[2] Fan Xingming, Gao Linlin, Mo Xiaoyong, et al. Overview of Research Status and Application of Wireless Power Transmission Technology[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2019,34(7):1353-1380.

[3] 程時(shí)杰,陳小良,王軍華,等.無線輸電關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2015,30(19):68-84.

[4] 熊煒,黎安銘,任喬林,等.無線充電裝置在電動(dòng)汽車上的應(yīng)用研究綜述[J].通信電源技術(shù),2016,33(3):26-28,32.

[5] 李素環(huán),廖承林,王麗芳,等.無線電能傳輸中線圈設(shè)計(jì)對(duì)效率的影響綜述[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2015,30(S1):270-275.

[6] 吳新剛,田陽(yáng),劉羽,等.一種新型電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)磁耦合機(jī)構(gòu)[J].廣東電力,2018,31(11):72-78.

[7] Colonel WM.T.Mclyman.變壓器與電感器設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].龔紹文,譯.3版.北京:中國(guó)電力出版社,2009.

[8] 高學(xué)軍,劉明海,楊德明,等.天線系統(tǒng)輻射近遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)的分析與探討[J].中國(guó)輻射衛(wèi)生,2016,25(3):334-337.

[9] 曹磊,王魯豫,李鳳.矩形片式環(huán)形磁感應(yīng)天線近場(chǎng)互感特性研究[J].電子科技,2006(10):31-33.

[10] 劉軼萍,林加濤,魏武.自適應(yīng)跳頻原理及其關(guān)鍵技術(shù)[J].制導(dǎo)與引信,2010,31(2):31-36.

Stage Light Spot Cutting System Based on Wireless Control

Jiang Weikai

(Guangzhou Haoyang Electronic Co., Ltd.)

The spot cutting imaging system is a high-end pattern function moving part of professional stage lighting. In this paper, a new type of cutting light imaging device based on wireless energy transmission and control is developed. Based on the traditional cutting imaging mechanism, a 150 kHz resonant flat core toroidal coil is used. The double-ended current sampling is used to change the duty ratio of the H-bridge driving inverter circuit to realize the wireless high-power precision control output; the 2.4 GHz circular near field antenna is used to transmit and control the communication signal, and the channel with relatively small occupancy is selected through detection and frequency hopping. Through calculation, finite element simulation and actual measurement optimization, the infinite angle fast rotation motion of the cutting spot is realized, which has been applied to various computer moving head light products, which is light and flexible, strong in anti-interference ability, high in reliability, and energy transmission efficiency>78 %, packet loss rate <0.5%, the effect is good.

Stage Lighting; Spot Cut Imaging; Resonant Mode; Radio Energy Transmission; Near Field Loop Antenna

廣東省省部產(chǎn)學(xué)研合作專項(xiàng)資金項(xiàng)目（2013B090600018）；番禺區(qū)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)領(lǐng)軍團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（2018-R01-1）。

蔣偉楷，男，1971年生，本科，工程師，主要研究方向：專業(yè)舞臺(tái)燈光設(shè)備技術(shù)。E-mail:jiang@terbly.com