一種敏捷舞臺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)大學信息工程學院，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，人們不斷追求舞臺燈具的節(jié)能、燈光動感、顏色和圖案效果，逐步開發(fā)出鹵鎢燈、金鹵燈、等離子體光源和LED光源等舞臺燈具產(chǎn)品，在節(jié)能、色彩和壽命等方面取得巨大成就。除此之外，燈光師越來越注重采用各種圖案以達到良好的視覺效果，上海世博會和倫敦奧運會等大型會場的燈光圖案效果尤其引人入勝。以前舞臺照明中的電腦燈等實現(xiàn)光斑圖案的變化基本依靠各種圖案盤，圖案盤的數(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致電腦燈光斑圖案擴展有限，人們在不斷探索發(fā)明一些光斑切割成像系統(tǒng)［1－3］，目前國內(nèi)外所有的高檔舞臺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，希望發(fā)明新的、高性能的切割成像裝置，開發(fā)一種由10個軸驅(qū)動的矢量運動方式切光成像系統(tǒng)，采用新的結(jié)構(gòu)和同步控制算法，具有結(jié)構(gòu)簡單、定位準確、圖案豐富、控制方便等特點。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，解決了無法進行多種圖形連續(xù)變化切割等問題。

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、具有國際專利，結(jié)構(gòu)有兩類;一種以意大利某公司為代表的對稱四片式平行移動光束成形裝置［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］。這些都是通過切光片配合動作，實現(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，并可通過光柵的收縮來調(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燈中。

為了獲得良好運動性能，并研發(fā)自主知識產(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動的原理、通過前后運動和旋轉(zhuǎn)運動而實現(xiàn)切割片動作，大大擴展了光斑形狀的多樣性和靈活性。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，1個控制調(diào)節(jié)光柵大小，另外1個控制整個成像系統(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個前后運動軸和旋轉(zhuǎn)運動軸，通過4塊切光片的配合動作實現(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的配合動作和準確定位，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，通過步進電機驅(qū)動轉(zhuǎn)動圓盤，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)示意圖見圖2。

圖2 切光片結(jié)構(gòu)示意圖

2 運動性特性分析與參數(shù)設(shè)置

2.1 運動結(jié)構(gòu)分析

矢量運動的切光片由兩電機帶動分別進行直線運動和旋轉(zhuǎn)運動，如圖2所示，直線運動為單邊齒輪傳動，齒輪傳動在切光片的中心位置有加強筋，以保證運動的平衡。電機1驅(qū)動切光片直線位移46 mm，電機2通過傳送輪帶動切光片轉(zhuǎn)動28°，使切光片最大直線位移可達到56 mm，擺動位移范圍相對較大。這種由4個切光片組成的光斑切割系統(tǒng)，在控制圖形變換時，定位更快速，運動范圍更寬。

2.2 步進電機驅(qū)動電壓

舞臺燈具的機構(gòu)一般采用步進電機控制，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，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，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，從中可見自感L(θ)是隨運動角度變化的。生產(chǎn)電機廠家給出當運動頻率1 kHz時線圈電感/相為45 mH;高速運行時，為了克服電感線圈對電流上升的影響應(yīng)適當提高U(t)電壓值。從式 (1)可得:

在運動頻率1 kHz的一個周期的平均電流為

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)取為24 V。

2.3 低噪聲運行模式

舞臺燈具在室內(nèi)安靜的環(huán)境，要求嚴格控制運行噪聲，整體噪聲應(yīng)小于50 dB，其噪聲主要由步進電機和風扇產(chǎn)生。這個光斑切割成像系統(tǒng)就有10個電機，對步進電機噪聲控制非常重要。電機的運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)矩表達式:

式中:Wf為磁場儲能，從式中可見，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)可以寫成步進電機單相的距角特性:

從式 (6)可見:力矩與相電流的平方成正比，當步進電機的某一相電流突加時，就突然產(chǎn)生突加力矩，這樣產(chǎn)生噪聲，特別在插補運動時或在某些低頻區(qū)域會產(chǎn)生共振，10個步進電機一起變速運行，產(chǎn)生明顯噪聲和共振，可達到62 dB，嚴重影響舞臺燈性能。

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)?.3 A或從0.3 A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聲［6］。

3 切割圖案與控制方式

舞臺燈光的控制主要針對圖案、顏色以及效果3個方面，電腦燈圖案變換速度與多樣性在很大程度上決定了舞臺效果。傳統(tǒng)舞臺燈具的圖案變化由燈具自帶圖案盤決定，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)的切光片運動可以實現(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，控制計算就比較復雜，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電機運動過程［5］，設(shè)控制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。這里介紹兩種規(guī)則圖案的變換計算。

(1)任意三角形或四邊形的對稱放大或縮小。該變換可通過控制切光片的前后運動實現(xiàn)。以三角形比例變化為例，先建立如圖3所示三角形運動模型，若要實現(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應(yīng)邊長的比值相等，即Δl1∶Δl2∶Δl3=a∶b∶c。對于任意四邊形的按比例擴大與縮小，其模型與三角形的變化模型是相似。因此，實現(xiàn)該圖案的運動，只需要控制4個切光片的步進電機前后運動。

圖3 三角形運動模型

(2)四邊形變形控制有多種形式，其中一種是四邊形兩對稱點不變，另外兩點對稱運動。為方便計算切光片的步進電機運動軌跡，建立其中一片的運動模型如圖4所示，AB相當于四邊形的一個邊，若需保持點A不變，而點B要運動到點C時，切光片需要繞點O轉(zhuǎn)動一個角度α，且直線向前運動EF。OD和OE分別是移動前和移動后點O到底邊的垂線，設(shè)相應(yīng)點坐標分別為O(x0，y0)、A(x1，0)、B(0，y1)、C(0，y2)、E(x，y)。由△AGF∽△OGD，因此∠α=∠β，則OF的長度為:

圖4 四邊形運動模型

由上可知，OE=OD=l，那么|EF|=|OF|－l。EF即為切光片步進電機直線運動的距離。步進電機變化的角度γ可以表示為:

同理還可以組成平行四邊形變形、梯形變形、等邊三角形等標準圖形控制，還可以通過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

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

圖5 UART同步數(shù)據(jù)通信流程圖

圖6所示為運動控制主程序軟件流程圖，每次計算當前位置差與目標位置的差值，由此確定進行何種運動的運算，并且采用PWM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。

圖6 主程序流程圖

5 實驗效果

實驗中通過編程實現(xiàn)多種變化圖案，檢測系統(tǒng)的定位、噪聲和可靠性等。

通過多種同步控制方式，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)試驗中常見部分圖案實際效果圖。其中圖 (a)為扇形，運動角度在35°～150°之間，只需要兩塊切光片運動。圖(b)為任意的四邊形，四邊形的各內(nèi)角也在35°～150°之間，運動軌跡計算簡單。圖 (c)為任意三角形變化，通過切光片的運動，可以實現(xiàn)內(nèi)角為35°～150°內(nèi)的任意三角形或四邊形的等比例擴大或縮小，只需要四塊切光片成比例運動。圖 (d)表示規(guī)則平行四邊形變化，采用公式 (7)和 (8)對相應(yīng)步進電機的運動距離進行計算，其中兩個點不變，另外兩個點對稱變化。即使同樣的運動圖案，如果采用不同的速度運行，其視覺效果也會呈現(xiàn)多彩多樣。

圖7 常見的組合圖案及效果

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［7－8］和矢量傳動方式，其噪聲可控制在48 dB內(nèi)，小于產(chǎn)品規(guī)定的55 dB。切光片的運動精度由傳動系統(tǒng)和步進電機的運動保證，通過齒輪傳動比和步進電機細分保證力矩、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序的切光圖案，表現(xiàn)自由奔放光線，而此項目可以通過算法和同步控制組成各種豐富連續(xù)運動組合圖案，如果要組成一些復雜的變化圖案，并且要求同步控制時，運動步距計算比較復雜，由于步進電機是由不同的單片機控制，通信數(shù)據(jù)的可靠性顯得十分重要;多個燈采用同樣的變形同步控制，可以通過通信接口接收同步信號，這樣多個燈的同步動作效果更加明顯;該系統(tǒng)的切光片采用白色，以反射燈光熱量，不然會引起切光片變形，造成運動不暢和磨損、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燈具中。通過長時間運行考驗，證明該系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，產(chǎn)品暢銷歐美等地。

【1】蔣偉楷，彭穎茹，林學貴，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.

【2】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，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燈具:中國，CN 102252277 A［P］.2011－11－23.

【4】黃詩涌，王曉初，廖永進，等.一種高性能的步進電機運動控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.微計算機信息，2006，22(16):38－39.

【5】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］.電機與控制學報，2011，15(1):20－25.

【6】楊曉沸.步進電機細分控制的PWM實現(xiàn)［J］.機電一體化，2008，14(10):51 －52，55.

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