舞台照明灯具光斑切割系统研发

蒋伟楷,韦丽花,彭颖茹,梁志广,唐露新

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

舞台照明灯具光斑切割系统研发

蒋伟楷1,韦丽花2,彭颖茹1,梁志广1,唐露新2

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

光斑切割成像系统是专业舞台照明灯具的高端图案动作的功能部件。为达到运动平滑和产生对称、连续变化等多种图案效果，研发矢量运动方式切光成像系统。该系统由4块切光片组成，每块切光片由两轴进行矢量控制，结构轻巧灵活，采用多种切割图案的同步控制算法和S加减速控制，以达到连续变化的多种光斑图案形状。文中对系统机械结构和同步运动控制算法、基于瞬态电流变化的驱动电压参数选取、噪声与平滑控制的S加减速运动等进行重点分析与优化设计，通过实验和多种电脑摇头灯产品应用证明效果良好。

舞台灯具；光斑切割成像；切光片；步进电机驱动；矢量控制

0 引 言

现代科技与经济高速发展，文化需求随之增加，卤钨灯、金卤灯、等离子体光源和LED光源等舞台灯具不断问世，人们对演出场面灯光的动感、颜色和图案效果印象深刻。舞台灯发展很快，开始形成光束、图案和染色的多功能灯具，其中用电脑控制和图案盘是表现各种变化图案的主要方法[1-2]，大多数中高端舞台灯具中采用各种图案盘，但是图案盘的数量限制了电脑灯光斑图案的数量，现在普遍使用图案变幻莫测的光斑切割成像系统，一般高档舞台摇头图案灯基本采用了光斑切割成像技术和装置[3-5]，大大丰富了舞台灯光的功能。但是光斑切割成像系统的稳定性、快速性和可靠性是图案质量的关键，本文针对自主研发的矢量运动方式切光成像系统的机械结构和同步控制算法等进行优化研究。

1 系统工作原理与运动设计

1.1 系统工作原理

光斑切割成像系统是通过切光片配合动作，实现任意形状的通光口，使投射光束形成各种光斑图案，并通过光栅收缩调节光斑大小，能够较好地控制光斑形状，用于多种高档舞台灯。现在舞台灯具中常用的有两类结构，一种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[4]，另外一种是国内和意大利某公司的对称四片式平行移动光束成形装置[5]，后者直观明了。

图1为自主研发的敏捷光斑切割成像系统结构示意图，其中每块切割片都是基于矢量运动的原理，通过切割片前后运动和旋转运动而实现光斑形状变形动作。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，一个电机控制调节光栅大小，另外一个电机控制整个中间系统的旋转。

其中每块切光片都有一个伸缩运动轴和旋转运动轴，通过4块切光片的相互配合形成任意形状的通光孔，当光束通过通光孔时就可以形成任意形状的光斑。通过4块切光片的配合实现多种任意形状运动，遮挡所需要光斑通过光孔，使电脑灯的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；还可以通过电机转动固定在金属支架上的圆盘，使整个光斑切割成像系统旋转，具有丰富的图案效果。其中的切光片为具有较好硬度和柔韧性的薄片，还需加热不易变形，中心采用薄的隔离板防止4块切光片发生冲突。

1.2 运动参数优化

装置的结构与控制方案不仅涉及系统运动速度和精度，还与成像有关，如图2所示。切光片设计成矢量运动的结构，由两电机分别进行直线运动和旋转运动，直线运动为单边齿轮传动，齿轮传动片3在切光片中心位置有加强筋，保证运动平衡。电机1驱动切光片直线动作位移46mm，电机2通过传送轮带动切光片转动角度28°，切光片直线位移达到56mm，整体位移范围较大，在控制图形变换时，能够更快速定位。

另外，图1中整个机构转动圆盘通过圆盘传动轮与导轨导向，其背面通过齿轮传动，步进电机齿轮与圆盘齿轮传动比为7∶1。原导轨采用凹凸形状结构方式，配合太紧运动不畅；配合过松或者运动磨损后，产生虚位使切光图像边缘不清晰，对零件加工和工艺安装要求过高。现采用三角形结构，在同样的加工与安装精度时，在紧配合的时候，完全可以保持运动的转动圆盘灵巧和运动精度要求。

1.3 图案切割控制

一般光斑切割成像系统运动切光时，都是采用随意运动的方式，图案的连续性和形状表达能力较差，难以满足丰富的图案变换效果要求。这里采用优化算法，对切光片进行同步控制，可以实现多种规则图案的连续变化。连续规则图案变化是由软件算法控制步进电机的运动，只要进行相关运算，可以得到丰富动感图案，组成平行四边形、梯形、等边三角形等多种图形，这里介绍两种变换计算方法。

（1）四边形与三角形图案的对称连续放大或缩小。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，通过控制切光片前后的同步运动实现。以三角形各边平行运动变化为例，建立如图3所示运动模型，如需实现三角形abc边到a′b′c′边变化，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。对于任意四边形按比例放大与缩小时，其模型与三角形变化模型相似。因此，实现该类图案变化运动，只需控制4个切光片步进电机前后运动。

（2）四边形规则变形运动有多种形式变化图案，现对一种四边形两对称顶点不变、另外两顶点对称运动举例。为方便计算切光片步进电机运动轨迹，建立如图4所示的一片切光片运动模型，AB为四边形的一边，若保持A点不变，当B点运动到C点时，切光片移动EF距离，且绕O点转动α角度。OD与OE分别为移动前后O点到底边的垂线，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，则∠α=∠β，OF长度为

由式（1）可知，OE=OD=l，则|EF|=|OF|-l，为切光片步进电机的运动距离。步进电机变化角度θ表示为

还可以通过其他运动方式的建模，使摇头灯完成更多的切割图案以及切割效果。

2 电路优化设计与运动控制程序

2.1 电源设计

由于舞台灯机构复杂，电路细长，容易产生干扰，所以采用三级电源稳压的方式。第一级为24 V稳压，可以作为继电器和大电压的供电，通过长线，进入二级开关稳压到5 V，要尽量靠近控制对象，简化开关电源，不仅容易稳压，还具有较高电源效率。第三极是芯片电源端的并联储能电容，能够有效提供瞬时能量和克服干扰。光斑切割成像装置的抗干扰还可采用电路、布线等更多的措施[6]。

2.2 微处理控制器与步进电机控制

由于步进电机多造成相关电路过多，须简化控制电路，原来采用ATmega168的8位AVR微处理器，一块芯片可控制3个步进电机，驱动采用一片L6225芯片，但切光系统还是4片控制芯片，信号还需分别与上位机通信。现采用STM32F205的32位ARM的MCU，时钟可达120MHz，具有14路定时器，只用一块芯片足以控制10个步进电机，上位机发出运行各种图案的指令，各步进电机的运动控制则由该ARM芯片直接计算输出，大大简化了整体控制电路和软件通信，提高了可靠性。

2.3 步进电机驱动电压设计

切光片步进电机控制的关键是运动速度与加速度的控制，驱动电压、电流和力矩与速度控制密切相关。本系统采用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32Ω（20℃），保持力矩170m·Nm。若不考虑绕组间互感，相电压平衡方程[7]可表示为

式中：R——相电阻；

i（t）——相电流；

L——自感，与转子位置角θ有关。

生产厂电机给出当运动频率1kHz时线圈电感/相为45mH；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（3）可得：

在运动频率1kHz的一个周期的平均电流I为

如果考虑周期内平均电流为0.3A、相电阻32Ω，则式（5）中U（t）电压最大可取33.7V，最高瞬态电流为0.53A，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）为24V。

2.4 低噪声运行模式

舞台灯具用于室内安静环境，要求整体运行噪声＜50dB，其噪声主要由电机和风扇叶片产生，其中光斑切割成像系统就有10个电机，噪声控制非常重要。步进电机噪声主要与力矩和电流有关，由能量转换原理和式（3）可得转矩为

式中Wf为磁场储能，力矩Te与绕组电流i（t）的平方成正比，与步距角成反比。令Z=2π/θz为转子齿数、K=ZL1/2为转矩常数，式（6）变为单相距角特性公式：

由式（7）可见，当绕组突加电流时，就产生电流平方效应的突加力矩，这样容易产生噪声，在插补运动时某些低频区域常常产生共振，10个步进电机一起运行的噪声达到62dB，不符合要求。

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0.3A或从0.3A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音[8]。

2.5 步进电机加减速控制

步进电机采用加减速控制保证良好运行，加减速控制分为直线型、指数型和S型，S型具有快速和噪声小等优点，效果最好[9]，但控制较复杂。这里根据图案切割系统需要，4个切光片较轻巧、动作频繁、需要同步，采用简单直线型控制方式就可完全满足平滑控制要求。而整个机构转动圆盘质量重、体积大，宜采用S型曲线。图5为S加减速程序流程图，加减速程序分为两种，S型曲线计算复杂，在实现过程中采用7段阶梯型曲线来逼近。并且采用PWM电流控制中断程序，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。匀速运动时就不需要采用细分，也不会产生失步和大的噪音。

3 实验效果

优化方法通过大量实验进行检验和修正，主要是检验多种变化图案，观察系统的定位和噪声大小等，其中图案变化还可以进一步开发。

图6为切光系统实现的一些常用切光图案，通过同步控制算法，实现了任意弧形与四边形，图6（d）表示规则四边形变化，采用式（1）和式（2）对相应步进电机的运动距离和角度进行计算，其中两个顶点不变，另外两点对称变化。对于同样运动规律的图案，采用不同速度方式运行，也会产生异样的视觉效果。

运动噪声控制试验，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[6-8]和矢量传动方式，表1为步进电机直线加速度与S曲线加速比较，测试条件为64细分，每圈128 000脉冲，S曲线的最高加速度a和最高速度都比直线大，其加速度的变化率a2远远小于直线加速，在加减速阶段牺牲一些运行时间，但是在两圈以上的距离就明显加快，系统运行平稳和噪声降低明显，其噪声可控制在38分贝内，大大小于产品规定的噪声。

4 结束语

通过对光斑切割成像系统优化设计，涉及机械、电压、细分驱动和运动控制等方面，不仅可以在电脑摇头灯切光形成任意无序图案，而且使系统的功能更加优越，主要表现在3个方面：（1）大范围机械系统结构，采用S驱动和三角形结构导轨，保证了系统的快速运动、配合精密、磨损少，速度提高20%，图案变化明显更加平滑。（2）一片32位单片机控制多组电机、多单片机的通信模式、步进电机驱动采用64细分等方式，提高了可靠性、降低成本和噪声。（3）模块化的同步切光程序，已经编辑多种连续运动组合图案标准程序模块，可以统一调用。在增加网络同步通信信号时，可以多个灯同步采用同样变形控制，这样多个灯的图案视觉效果更加明显。

该光斑切割成像系统已用于电脑摇头灯V801P、PT800P等多款产品中，通过较长运行时间考验，证明系统稳定可靠，经济效益显著。

[1]袁广福.浅谈成像电脑灯的技术特点和应用[J].演艺科技，2011，58（5）：18-19.

[2]Cheng W B，Zissis G.Flicking light design for stage lighting with HPS lamp[C]∥Industry Applications Society Annual Meeting，2012：1-4.

[3]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.

[4]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，102252277 A[P].2011-11-23.

[5]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，201715452 U[P].2011-01-19.

[6]彭颖茹，蒋伟楷，林学贵，等.UHP光源舞台灯具控制系统抗干扰技术[J].自动化与信息工程，2012（3）：42-44.

[7]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.

[8]董亮辉，刘景林，李昱杨.步进电机宽调速多细分控制系统研究[J].测控技术，2012，31（1）：66-69.

[9]张碧陶，高伟强，沈列，等.S曲线加减速控制新算法的研究[J].机床与液压，2009，37（10）：27-29.

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

广东省教育部产学研合作专项（2012B091100056）

蒋伟楷（1971-），男，广东广州市人，工程师，主要从事舞台灯光设备技术的研发。