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(tái)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(zhuān)業(yè)舞臺(tái)照明燈具的高端圖案動(dòng)作的功能部件。為達(dá)到運(yùn)動(dòng)平滑和產(chǎn)生對(duì)稱(chēng)、連續(xù)變化等多種圖案效果，研發(fā)矢量運(yùn)動(dòng)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(jìn)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(dá)到連續(xù)變化的多種光斑圖案形狀。文中對(duì)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)和同步運(yùn)動(dòng)控制算法、基于瞬態(tài)電流變化的驅(qū)動(dòng)電壓參數(shù)選取、噪聲與平滑控制的S加減速運(yùn)動(dòng)等進(jìn)行重點(diǎn)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和多種電腦搖頭燈產(chǎn)品應(yīng)用證明效果良好。

舞臺(tái)燈具；光斑切割成像；切光片；步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)；矢量控制

0 引 言

現(xiàn)代科技與經(jīng)濟(jì)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(tái)燈具不斷問(wèn)世，人們對(duì)演出場(chǎng)面燈光的動(dòng)感、顏色和圖案效果印象深刻。舞臺(tái)燈發(fā)展很快，開(kāi)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(pán)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(tái)燈具中采用各種圖案盤(pán)，但是圖案盤(pán)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(cè)的光斑切割成像系統(tǒng)，一般高檔舞臺(tái)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(tái)燈光的功能。但是光斑切割成像系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和可靠性是圖案質(zhì)量的關(guān)鍵，本文針對(duì)自主研發(fā)的矢量運(yùn)動(dòng)方式切光成像系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和同步控制算法等進(jìn)行優(yōu)化研究。

1 系統(tǒng)工作原理與運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)工作原理

光斑切割成像系統(tǒng)是通過(guò)切光片配合動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)任意形狀的通光口，使投射光束形成各種光斑圖案，并通過(guò)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(tái)燈?，F(xiàn)在舞臺(tái)燈具中常用的有兩類(lèi)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(guó)內(nèi)和意大利某公司的對(duì)稱(chēng)四片式平行移動(dòng)光束成形裝置[5]，后者直觀(guān)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(yùn)動(dòng)的原理，通過(guò)切割片前后運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)光斑形狀變形動(dòng)作。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，一個(gè)電機(jī)控制調(diào)節(jié)光柵大小，另外一個(gè)電機(jī)控制整個(gè)中間系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)。

其中每塊切光片都有一個(gè)伸縮運(yùn)動(dòng)軸和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)軸，通過(guò)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(guò)通光孔時(shí)就可以形成任意形狀的光斑。通過(guò)4塊切光片的配合實(shí)現(xiàn)多種任意形狀運(yùn)動(dòng)，遮擋所需要光斑通過(guò)光孔，使電腦燈的光斑變換出無(wú)限多種圖案種類(lèi)。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(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)固定在金屬支架上的圓盤(pán)，使整個(gè)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)速度和精度，還與成像有關(guān)，如圖2所示。切光片設(shè)計(jì)成矢量運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)，由兩電機(jī)分別進(jìn)行直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)為單邊齒輪傳動(dòng)，齒輪傳動(dòng)片3在切光片中心位置有加強(qiáng)筋，保證運(yùn)動(dòng)平衡。電機(jī)1驅(qū)動(dòng)切光片直線(xiàn)動(dòng)作位移46mm，電機(jī)2通過(guò)傳送輪帶動(dòng)切光片轉(zhuǎn)動(dòng)角度28°，切光片直線(xiàn)位移達(dá)到56mm，整體位移范圍較大，在控制圖形變換時(shí)，能夠更快速定位。

另外，圖1中整個(gè)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤(pán)通過(guò)圓盤(pán)傳動(dòng)輪與導(dǎo)軌導(dǎo)向，其背面通過(guò)齒輪傳動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)齒輪與圓盤(pán)齒輪傳動(dòng)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(yùn)動(dòng)不暢；配合過(guò)松或者運(yùn)動(dòng)磨損后，產(chǎn)生虛位使切光圖像邊緣不清晰，對(duì)零件加工和工藝安裝要求過(guò)高。現(xiàn)采用三角形結(jié)構(gòu)，在同樣的加工與安裝精度時(shí)，在緊配合的時(shí)候，完全可以保持運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤(pán)靈巧和運(yùn)動(dòng)精度要求。

1.3 圖案切割控制

一般光斑切割成像系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)切光時(shí)，都是采用隨意運(yùn)動(dòng)的方式，圖案的連續(xù)性和形狀表達(dá)能力較差，難以滿(mǎn)足豐富的圖案變換效果要求。這里采用優(yōu)化算法，對(duì)切光片進(jìn)行同步控制，可以實(shí)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(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，只要進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，可以得到豐富動(dòng)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(jì)算方法。

（1）四邊形與三角形圖案的對(duì)稱(chēng)連續(xù)放大或縮小。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，通過(guò)控制切光片前后的同步運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。以三角形各邊平行運(yùn)動(dòng)變化為例，建立如圖3所示運(yùn)動(dòng)模型，如需實(shí)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(duì)應(yīng)邊長(zhǎng)的比值相

等，即Δl1∶Δl2∶Δl3=a∶b∶c。對(duì)于任意四邊形按比例放大與縮小時(shí)，其模型與三角形變化模型相似。因此，實(shí)現(xiàn)該類(lèi)圖案變化運(yùn)動(dòng)，只需控制4個(gè)切光片步進(jìn)電機(jī)前后運(yùn)動(dòng)。

（2）四邊形規(guī)則變形運(yùn)動(dòng)有多種形式變化圖案，現(xiàn)對(duì)一種四邊形兩對(duì)稱(chēng)頂點(diǎn)不變、另外兩頂點(diǎn)對(duì)稱(chēng)運(yùn)動(dòng)舉例。為方便計(jì)算切光片步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡，建立如圖4所示的一片切光片運(yùn)動(dòng)模型，AB為四邊形的一邊，若保持A點(diǎn)不變，當(dāng)B點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到C點(diǎn)時(shí)，切光片移動(dòng)EF距離，且繞O點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)α角度。OD與OE分別為移動(dòng)前后O點(diǎn)到底邊的垂線(xiàn)，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，則∠α=∠β，OF長(zhǎng)度為

由式（1）可知，OE=OD=l，則|EF|=|OF|-l，為切光片步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)距離。步進(jìn)電機(jī)變化角度θ表示為

還可以通過(guò)其他運(yùn)動(dòng)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(jì)與運(yùn)動(dòng)控制程序

2.1 電源設(shè)計(jì)

由于舞臺(tái)燈機(jī)構(gòu)復(fù)雜，電路細(xì)長(zhǎng)，容易產(chǎn)生干擾，所以采用三級(jí)電源穩(wěn)壓的方式。第一級(jí)為24 V穩(wěn)壓，可以作為繼電器和大電壓的供電，通過(guò)長(zhǎng)線(xiàn)，進(jìn)入二級(jí)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓到5 V，要盡量靠近控制對(duì)象，簡(jiǎn)化開(kāi)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(chǔ)能電容，能夠有效提供瞬時(shí)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(xiàn)等更多的措施[6]。

2.2 微處理控制器與步進(jìn)電機(jī)控制

由于步進(jìn)電機(jī)多造成相關(guān)電路過(guò)多，須簡(jiǎn)化控制電路，原來(lái)采用ATmega168的8位AVR微處理器，一塊芯片可控制3個(gè)步進(jìn)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)采用一片L6225芯片，但切光系統(tǒng)還是4片控制芯片，信號(hào)還需分別與上位機(jī)通信?，F(xiàn)采用STM32F205的32位ARM的MCU，時(shí)鐘可達(dá)120MHz，具有14路定時(shí)器，只用一塊芯片足以控制10個(gè)步進(jìn)電機(jī)，上位機(jī)發(fā)出運(yùn)行各種圖案的指令，各步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制則由該ARM芯片直接計(jì)算輸出，大大簡(jiǎn)化了整體控制電路和軟件通信，提高了可靠性。

2.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓設(shè)計(jì)

切光片步進(jìn)電機(jī)控制的關(guān)鍵是運(yùn)動(dòng)速度與加速度的控制，驅(qū)動(dòng)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(jī)，步距角1.8°，額定電流0.3 A，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為20 g·cm2，線(xiàn)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(chǎng)電機(jī)給出當(dāng)運(yùn)動(dòng)頻率1kHz時(shí)線(xiàn)圈電感/相為45mH；高速運(yùn)行時(shí)，為了克服電感線(xiàn)圈對(duì)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(yùn)動(dòng)頻率1kHz的一個(gè)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(shí)際考慮電流諧波的對(duì)線(xiàn)圈發(fā)熱影響，取70%峰值電壓，則U（t）為24V。

2.4 低噪聲運(yùn)行模式

舞臺(tái)燈具用于室內(nèi)安靜環(huán)境，要求整體運(yùn)行噪聲＜50dB，其噪聲主要由電機(jī)和風(fēng)扇葉片產(chǎn)生，其中光斑切割成像系統(tǒng)就有10個(gè)電機(jī)，噪聲控制非常重要。步進(jìn)電機(jī)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(chǎng)儲(chǔ)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(jiàn)，當(dāng)繞組突加電流時(shí)，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(bǔ)運(yùn)動(dòng)時(shí)某些低頻區(qū)域常常產(chǎn)生共振，10個(gè)步進(jìn)電機(jī)一起運(yùn)行的噪聲達(dá)到62dB，不符合要求。

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)?.3A或從0.3A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)和噪音[8]。

2.5 步進(jìn)電機(jī)加減速控制

步進(jìn)電機(jī)采用加減速控制保證良好運(yùn)行，加減速控制分為直線(xiàn)型、指數(shù)型和S型，S型具有快速和噪聲小等優(yōu)點(diǎn)，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(gè)切光片較輕巧、動(dòng)作頻繁、需要同步，采用簡(jiǎn)單直線(xiàn)型控制方式就可完全滿(mǎn)足平滑控制要求。而整個(gè)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤(pán)質(zhì)量重、體積大，宜采用S型曲線(xiàn)。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(xiàn)計(jì)算復(fù)雜，在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中采用7段階梯型曲線(xiàn)來(lái)逼近。并且采用PWM電流控制中斷程序，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。勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)就不需要采用細(xì)分，也不會(huì)產(chǎn)生失步和大的噪音。

3 實(shí)驗(yàn)效果

優(yōu)化方法通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn)和修正，主要是檢驗(yàn)多種變化圖案，觀(guān)察系統(tǒng)的定位和噪聲大小等，其中圖案變化還可以進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。

圖6為切光系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的一些常用切光圖案，通過(guò)同步控制算法，實(shí)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(duì)相應(yīng)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)距離和角度進(jìn)行計(jì)算，其中兩個(gè)頂點(diǎn)不變，另外兩點(diǎn)對(duì)稱(chēng)變化。對(duì)于同樣運(yùn)動(dòng)規(guī)律的圖案，采用不同速度方式運(yùn)行，也會(huì)產(chǎn)生異樣的視覺(jué)效果。

運(yùn)動(dòng)噪聲控制試驗(yàn)，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(xiàn)[6-8]和矢量傳動(dòng)方式，表1為步進(jìn)電機(jī)直線(xiàn)加速度與S曲線(xiàn)加速比較，測(cè)試條件為64細(xì)分，每圈128 000脈沖，S曲線(xiàn)的最高加速度a和最高速度都比直線(xiàn)大，其加速度的變化率a2遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于直線(xiàn)加速，在加減速階段犧牲一些運(yùn)行時(shí)間，但是在兩圈以上的距離就明顯加快，系統(tǒng)運(yùn)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(yǔ)

通過(guò)對(duì)光斑切割成像系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，涉及機(jī)械、電壓、細(xì)分驅(qū)動(dòng)和運(yùn)動(dòng)控制等方面，不僅可以在電腦搖頭燈切光形成任意無(wú)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(gè)方面：（1）大范圍機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用S驅(qū)動(dòng)和三角形結(jié)構(gòu)導(dǎo)軌，保證了系統(tǒng)的快速運(yùn)動(dòng)、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(jī)控制多組電機(jī)、多單片機(jī)的通信模式、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用64細(xì)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(yùn)動(dòng)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(hào)時(shí)，可以多個(gè)燈同步采用同樣變形控制，這樣多個(gè)燈的圖案視覺(jué)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(guò)較長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間考驗(yàn)，證明系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

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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(zhuān)項(xiàng)（2012B091100056）

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