一种敏捷舞台照明灯光斑切割成像系统

唐露新，李媛媛，蒋伟楷

(1.广东工业大学信息工程学院，广东广州 510006;2.广州市浩洋电子有限公司，广东广州 511450)

随着现代科技和文化的发展，人们不断追求舞台灯具的节能、灯光动感、颜色和图案效果，逐步开发出卤钨灯、金卤灯、等离子体光源和LED光源等舞台灯具产品，在节能、色彩和寿命等方面取得巨大成就。除此之外，灯光师越来越注重采用各种图案以达到良好的视觉效果，上海世博会和伦敦奥运会等大型会场的灯光图案效果尤其引人入胜。以前舞台照明中的电脑灯等实现光斑图案的变化基本依靠各种图案盘，图案盘的数量决定了电脑灯光斑图案的数量，电脑灯使用量的限制导致电脑灯光斑图案扩展有限，人们在不断探索发明一些光斑切割成像系统［1－3］，目前国内外所有的高档舞台摇头图案灯等基本都采用了光斑切割成像方面的技术和装置，丰富了舞台灯光的功能。但是光斑切割成像系统的稳定性、快速性和可靠性是业界追求的目标，希望发明新的、高性能的切割成像装置，开发一种由10个轴驱动的矢量运动方式切光成像系统，采用新的结构和同步控制算法，具有结构简单、定位准确、图案丰富、控制方便等特点。该系统已用于UHP光源电脑摇头灯，大大丰富了其光斑图案效果，解决了无法进行多种图形连续变化切割等问题。

1 光斑切割成像装置现状和原理

目前有些光斑切割成像系统应用较好、具有国际专利，结构有两类;一种以意大利某公司为代表的对称四片式平行移动光束成形装置［2］，另一类是欧洲两公司连杆曲柄型光束成形装置和可旋转光形成器件［3］。这些都是通过切光片配合动作，实现任意形状的通光口，使投射出去的光束形成相应光斑图案，并可通过光栅的收缩来调节光斑的大小，能够较好地控制光斑形状，以用于多种类型的高档舞台灯中。

为了获得良好运动性能，并研发自主知识产权的敏捷光斑切割成像系统，其中每块切割片是基于矢量运动的原理、通过前后运动和旋转运动而实现切割片动作，大大扩展了光斑形状的多样性和灵活性。系统由10个控制轴组成，8个电机控制相互不接触的4块切割片，1个控制调节光栅大小，另外1个控制整个成像系统的旋转。图1为光斑切割成像系统结构示意图，该系统用于电脑摇头效果灯等各种图案切割。

图1 光斑切割成像系统结构示意图

这种舞台灯上使用的光斑切割成像系统由图中4块切光片1组成，每块切光片都有1个前后运动轴和旋转运动轴，通过4块切光片的配合动作实现四边形任意形状。利用切光片在一定的前后和角度快速伸缩和摆动的配合动作和准确定位，遮挡所需要光斑通光口，形成各种光斑图形，使电脑灯光斑变换出无限多种图案种类。结合光栅，使得光斑调节可以更加灵活多样。系统固定在金属支架上，通过步进电机驱动转动圆盘，使光斑切割成像系统旋转。

其中的切光片是具有较好的硬度和柔性的薄片，还要加热不易变形，中心采用很薄的隔离板2防止4块切光片发生冲突，切光片结构示意图见图2。

图2 切光片结构示意图

2 运动性特性分析与参数设置

2.1 运动结构分析

矢量运动的切光片由两电机带动分别进行直线运动和旋转运动，如图2所示，直线运动为单边齿轮传动，齿轮传动在切光片的中心位置有加强筋，以保证运动的平衡。电机1驱动切光片直线位移46 mm，电机2通过传送轮带动切光片转动28°，使切光片最大直线位移可达到56 mm，摆动位移范围相对较大。这种由4个切光片组成的光斑切割系统，在控制图形变换时，定位更快速，运动范围更宽。

2.2 步进电机驱动电压

舞台灯具的机构一般采用步进电机控制，其控制性能是研究的关键［4］，这里先研究电压、电流和力矩影响与选取。系统采用17HD5002-11两相混合电机，步距角 1.8°，额定电流 0.3 A，转动惯量为 20 g·cm2，线圈相电阻32 Ω (20℃)，保持力矩 170 mN·m。若不考虑绕组间互感，相电压平衡方程［5］可表示为:

式中:R为相电阻，i(t)为相电流，自感L与转子位置角θ有关。忽略高次谐波时，L可表示为

式中:L0为平均自感;L1为自感基波分量，θz为齿距角，从中可见自感L(θ)是随运动角度变化的。生产电机厂家给出当运动频率1 kHz时线圈电感/相为45 mH;高速运行时，为了克服电感线圈对电流上升的影响应适当提高U(t)电压值。从式 (1)可得:

在运动频率1 kHz的一个周期的平均电流为

如果考虑周期内平均电流为0.3 A、相电阻32 Ω，则式 (4)中U(t)电压最大可以取为33.7 V，最高瞬态电流为0.53 A。工程实际考虑电流谐波的对线圈发热影响，取70%峰值电压，则U(t)取为24 V。

2.3 低噪声运行模式

舞台灯具在室内安静的环境，要求严格控制运行噪声，整体噪声应小于50 dB，其噪声主要由步进电机和风扇产生。这个光斑切割成像系统就有10个电机，对步进电机噪声控制非常重要。电机的运行噪声主要与力矩和电流有关，由能量转换原理和式 (2)，可得转矩表达式:

式中:Wf为磁场储能，从式中可见，Te与i(t)的平方成正比，与步距角成反比。令Z=2π/θz，即转子齿数;K=ZL1/2，称为转矩常数。则式 (5)可以写成步进电机单相的距角特性:

从式 (6)可见:力矩与相电流的平方成正比，当步进电机的某一相电流突加时，就突然产生突加力矩，这样产生噪声，特别在插补运动时或在某些低频区域会产生共振，10个步进电机一起变速运行，产生明显噪声和共振，可达到62 dB，严重影响舞台灯性能。

细分控制是由驱动器精确控制步进电机的相电流实现，这里采用64细分，通过PWM方式控制电流，假如电机的额定相电流为3 A，其绕组内的电流将从0突变为0.3 A或从0.3 A突变到0，需要通过64步。这样就大大改善电机的低频振动和噪声［6］。

3 切割图案与控制方式

舞台灯光的控制主要针对图案、颜色以及效果3个方面，电脑灯图案变换速度与多样性在很大程度上决定了舞台效果。传统舞台灯具的图案变化由灯具自带图案盘决定，图案变换种类有限，图案的连续性较差。

利用光斑切割成像系统的切光片运动可以实现多种多样的图案的连续变化，但如果采用固定某一类图案变化的方式，控制计算就比较复杂，这也是目前一般光斑切割成像装置难以做到的。规则图案变化是由算法控制步进电机运动过程［5］，设控制4个切光片前后运动的轴按照相邻的位置分别为li(i=1，2，3，4)，其变化量为Δli;对应地，控制4个切光片角度变化的轴分别为θi(i=1，2，3，4)，角度变化量为Δθi。这里介绍两种规则图案的变换计算。

(1)任意三角形或四边形的对称放大或缩小。该变换可通过控制切光片的前后运动实现。以三角形比例变化为例，先建立如图3所示三角形运动模型，若要实现三角形边a、b、c到边 a'、b'、c'的变化，只需保证各边前后方向的变化量与对应边长的比值相等，即Δl1∶Δl2∶Δl3=a∶b∶c。对于任意四边形的按比例扩大与缩小，其模型与三角形的变化模型是相似。因此，实现该图案的运动，只需要控制4个切光片的步进电机前后运动。

图3 三角形运动模型

(2)四边形变形控制有多种形式，其中一种是四边形两对称点不变，另外两点对称运动。为方便计算切光片的步进电机运动轨迹，建立其中一片的运动模型如图4所示，AB相当于四边形的一个边，若需保持点A不变，而点B要运动到点C时，切光片需要绕点O转动一个角度α，且直线向前运动EF。OD和OE分别是移动前和移动后点O到底边的垂线，设相应点坐标分别为O(x0，y0)、A(x1，0)、B(0，y1)、C(0，y2)、E(x，y)。由△AGF∽△OGD，因此∠α=∠β，则OF的长度为:

图4 四边形运动模型

由上可知，OE=OD=l，那么|EF|=|OF|－l。EF即为切光片步进电机直线运动的距离。步进电机变化的角度γ可以表示为:

同理还可以组成平行四边形变形、梯形变形、等边三角形等标准图形控制，还可以通过建模使摇头灯完成更多的切割图案以及切割效果。

4 程序设计

步进电机采用单片机控制，一个控制器控制4个电机，步进电机的运行位移和同步控制是由主控制板分配给出，采用中断方式进行通信。图5所示是步进电机UART同步数据通信程序入口框图，若同步头为0且与该板通道标志一致，则接收数据，如果是四边形变形控制，这个数据就是由主控制板计算得出的4个切光片的直线运动距离EF和γ角位移数据，再分配给步进电机控制器。

图5 UART同步数据通信流程图

图6所示为运动控制主程序软件流程图，每次计算当前位置差与目标位置的差值，由此确定进行何种运动的运算，并且采用PWM中断程序，通过查找步距角细分表和电流－PWM对应表，得到每一时刻步进电机细分步距的输出电流。

图6 主程序流程图

5 实验效果

实验中通过编程实现多种变化图案，检测系统的定位、噪声和可靠性等。

通过多种同步控制方式，可以产生弓形、扇形、任意三角形、任意四边形等多种图案以及等比例变化、平行四边形的变化等。图7为切光系统试验中常见部分图案实际效果图。其中图 (a)为扇形，运动角度在35°～150°之间，只需要两块切光片运动。图(b)为任意的四边形，四边形的各内角也在35°～150°之间，运动轨迹计算简单。图 (c)为任意三角形变化，通过切光片的运动，可以实现内角为35°～150°内的任意三角形或四边形的等比例扩大或缩小，只需要四块切光片成比例运动。图 (d)表示规则平行四边形变化，采用公式 (7)和 (8)对相应步进电机的运动距离进行计算，其中两个点不变，另外两个点对称变化。即使同样的运动图案，如果采用不同的速度运行，其视觉效果也会呈现多彩多样。

图7 常见的组合图案及效果

通过图案切割系统的大范围运动试验，发现在多轴联动、而且变速运动时噪声最大，由于采用细分电路驱动［6］、平滑的控制曲线［7－8］和矢量传动方式，其噪声可控制在48 dB内，小于产品规定的55 dB。切光片的运动精度由传动系统和步进电机的运动保证，通过齿轮传动比和步进电机细分保证力矩、切光片相互隔离等减少摩擦。

6 结论

目前电脑摇头灯切割成像一般用于任意无序的切光图案，表现自由奔放光线，而此项目可以通过算法和同步控制组成各种丰富连续运动组合图案，如果要组成一些复杂的变化图案，并且要求同步控制时，运动步距计算比较复杂，由于步进电机是由不同的单片机控制，通信数据的可靠性显得十分重要;多个灯采用同样的变形同步控制，可以通过通信接口接收同步信号，这样多个灯的同步动作效果更加明显;该系统的切光片采用白色，以反射灯光热量，不然会引起切光片变形，造成运动不畅和磨损、影响使用寿命。

该光斑切割成像系统已应用于浩洋公司的UHP光源电脑摇头灯V2000P、V3000P等多款产品中，由于该成像系统体积较大，一般常用于较大功率且功能较全的舞台灯具中。通过长时间运行考验，证明该系统运行稳定可靠，产品畅销欧美等地。

【1】蒋伟楷，彭颖茹，林学贵，等.高效UHP光源舞台照明灯具研发的关键技术［J］.机电工程技术，2012，41(6):50－53，121.

【2】广州彩熠灯光有限公司.一种用于舞台灯具的成像切割系统:中国，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组件和包括该成形组件的舞台灯具:中国，CN 102252277 A［P］.2011－11－23.

【4】黄诗涌，王晓初，廖永进，等.一种高性能的步进电机运动控制系统设计［J］.微计算机信息，2006，22(16):38－39.

【5】周黎，杨世洪，高晓东，等.步进电机控制系统建模及运行曲线仿真［J］.电机与控制学报，2011，15(1):20－25.

【6】杨晓沸.步进电机细分控制的PWM实现［J］.机电一体化，2008，14(10):51 －52，55.

【7】GUO Jingjie，TANG Wei，WANG Xueling.Design and Implementation of Real-time CNC Interpolation ASIC for Pythagorean Hodograph Curve Based on FPGA［J］.Applied Mechanics and Materials，2012，130 －134:3998 －4001.

【8】陈晔，曹剑中，杨洪涛，等.步进电机往复运动驱动曲线快速性研究［J］.微电机，2011，44(10):25 －28.