用于自动灯具的共振运动抑制系统的制作方法

相关申请

本申请要求2013年10月1日提交的临时专利申请61885035的优先权。

本发明总体涉及用于控制自动灯具中的运动共振的方法，特别是涉及预测和应用抵抗力以抑制这样的共振的方法。

背景技术：

具有自动化和远距离可控功能的灯具是娱乐和建筑照明市场中公知的。这样的产品常用于剧院、电视台录影室、音乐会、主题公园、夜店和其他会场。典型的产品通常将会提供对灯具的摇摄和俯仰功能的控制，允许操作人员控制灯具所指的方向和光束在舞台上或录影室中的位置。通常这种位置控制经由对在两个正交的旋转轴线上(常称为摇摄和俯仰)的位置的控制来完成。许多产品提供对其他参数的控制，例如强度、颜色、焦点、光束大小、光束形状和光束图样。用于驱动这些系统的马达通常是步进马达，它们由灯具中的马达控制系统驱动。所连接的系统，尤其是那些用于摇摄和俯仰运动的系统，可以经过驱动带或其他这样的齿轮系而被连接，并且由于驱动的灵活性以及被驱动的载荷的质量而展现出明显的运动共振(这将导致弹跳或过调量)。考虑一个示例，在剧院使用这样的产品，很常见的是将自动灯具置于离舞台相当远的距离处，例如50英尺或更远。在这样的距离处，灯具的非常小的位置移动将使光束在其照在舞台的地方产生相应的大的移动。在给出的50英尺投射距离的示例中，光的摇摄轴线或俯仰轴线仅仅0.1度的角度变化就会引起舞台上1英寸的移位。如果我们考虑光在舞台上的位置精确度小于1英寸是理想的，那么我们可以看到，摇摄和俯仰系统需要非常高的旋转精确度。

图1示出了典型的多参数自动灯具系统10。这些系统通常包括多个多参数自动灯具12，每个多参数自动灯具12上通常均包含机载光源(未示出)、光调制设备、连接至机械驱动系统的电动马达和控制电路(未示出)。除了直接或经由配电系统(未示出)连接至主电源，每个灯具还与数据链路14串联或并联，连接至一个或多个控制台15。照明系统10通常由操作者经由控制台15进行控制。

图2示出了对从灯具发出的光的参数的不同层级的控制20。在该示例中，层级针对一个参数：摇摄(通常是在水平平面内的运动)而示出。第一层级的控制22是用户，其决定他想要什么，并且经过典型的计算机人类用户界面而将信息输入控制台。控制台硬件和软件接着处理信息26并且经由数据链路14向灯具发送控制信号。控制信号被灯具的机载电子器件28接收并识别。机载电子器件通常包括用于摇摄马达(未示出)的马达驱动器30。马达驱动器30将控制信号转换为电信号，所述电信号驱动摇摄马达(未示出)的运动。摇摄马达是摇摄机械驱动32的一部分。当马达运动时，其驱动机械驱动32，以驱动机械部件(这引起从灯具传出的光束经过舞台摇摄。

在一些系统中，可能的是，马达驱动器30在控制台中而不是灯具12中，并且对马达进行驱动的电信号经由电气链路直接传输到灯具。还可能的是，马达驱动器集成到灯具12中的主操作中。尽管很多通信连接都是可能的，但是最典型的是，照明控制台经串行数据链路与灯具通信；最常见的是使用基于工业标准rs485的串行协议(常称为dmx-512)。使用该协议的控制台通常向灯具传输针对摇摄的16比特值和针对俯仰的16比特值。十六(16)比特提供了65,536个值或步长，这为典型的应用提供了足够的控制器指令精确性。如果围绕轴线的总的运动是360度，则16比特指令可以提供大约0.005度(360°/65,536)的指令精确性。凭借控制系统的控制指令部分中的这种精确性等级，控制灯具运动的精确度的限制因素主要就在于用于移动摇摄轴线和俯仰轴线的机械系统。

多种系统已经提供了针对共振的解决方案。一个解决方案是对系统提供有意的抑制或摩擦，以缓和并尽可能减小松弛和容限。在实践中，难以控制这样的系统，并且难以重复性且一致性地制造这样的系统。此外，对摩擦的任何有意的添加将不可避免地增加所需的马达的功率和尺寸和/或降低最大的可能运动速度。

其他解决方案在设备的从动轴或输出轴上使用高精确度的位置传感器，而不像在伺服系统中更常见的那样在马达或驱动轴上。这样的系统制造起来是昂贵的，并且可能需要针对每个马达的有效的处理能力，以确保发生的是平稳的精确的运动，而没有摆动或过调量。

其他系统使用“摆动”或“后退”技术，其中通过采取朝向最终理想目标的小的受控步并且同时精确地监控位置，系统可导向最终理想目标。misumi的美国专利5,227,931公开了这样的系统，该系统涉及通过后退的抗磁滞系统。该系统操作起来很慢，需要从动轴上精确的传感器，且在从动轴上产生运动(虽然找到了最终位置)。理论应用中重要的是，从动轴快速且精确地向其最终位置移动以找到其停止点，没有可见的振荡或摆动。任何这样的运动将使观众能够注意到并且分心。

又一解决方案是使输出轴关于其最终位置振荡，以使驱动系统中的任何应力、松弛或容限进行均衡并且使轴居中。liepe等人的美国专利5,764,018使用“摇动”系统，其中减小振荡可使从动轴居中。这种方法的缺点在于，其给出了对于娱乐照明应用来说在输出中不适宜的显著的且可观察到的运动。

尽管misumi和liepe的系统最终可以一致性地获得正确的位置，然而获得正确位置的过程将比他们在自动灯具应用中解决的共振和磁滞问题更糟。

tanaka等人的美国专利6,580,244公开了使用两个伺服马达，这两个伺服马达被对抗性地驱动，以确保张力总是在驱动链的同一方向上，从而避免对抗性反应。尽管这在系统总是在一个方向上旋转至其最终位置时提供了对于对抗性反应的良好控制，然而其并没有很好地应对这种系统：即，所述系统对于那个方向没有事先的了解，并且所述系统可被要求可交替地从任一方向行进到相同的目标位置。仍然需要针对最终定位的具有传感器或编码器的精确的伺服机构。

存在对于这样的系统的需求，即该系统可以提供共振控制，以确保自动灯具运动控制系统的精确定位，而无需精确的位置传感器。

附图说明

为了对本发明及其优点有更彻底的理解，现在结合附图来看下文的描述，在图中相同的附图标记表示相同的特征，其中：

图1示出了采用抑制系统的多参数自动灯具照明系统；

图2示出了控制水平的实施例，用于控制自动灯具的参数；

图3示出了现有技术的自动灯具的运动时序图；

图4示出了本发明的实施例的运动时序图；

图5示出了自动灯具中典型的马达系统的共振；

图6示出了抵抗自动灯具中典型的马达系统的共振所需的抵抗力；

图7示出了本文描述的利用抑制系统的合成的共振。

具体实施方式

图中示出了本发明的优选实施例，相同的附图标记用于指示多幅图中相同和相应的部分。

本发明总体涉及马达控制系统，并且具体涉及使用预测性的共振预防系统来移动自动灯具中的输出轴。所公开的系统提供平稳的运动并且取消或抵消输出共振(输出共振在输出轴的最终定位中产生弹跳或过调量。

图3示出了典型的现有技术的自动灯具的运动速度时序图100。纵轴是运动的速度，而横轴代表时间。运动以恒定的加速阶段41从零速度开始，到达零加速的固定的运动速度42。在运动的末期，马达在停止之前进入恒定的减速阶段43。这样的图线的一个问题是：随着运动开始并从零加速变化到恒定加速(具有增加的速度)，从恒定加速(具有增加的速度)变化到零加速和恒定的速度，从零加速变化到恒定减速和减小的速度，以及最终再次变化到零减速，加速度在该图线的尖锐“弯曲处”有大的变化。加速度的这些变化(不同地，称为加速度的变化率、三阶运动、d³x/dy³或“加加速度(jerk)”)在机械系统中引发共振，在马达停止移动时引起马达振荡或弹跳。

本发明以两种方式解决了该问题。首先，如图4所示，这是本发明的实施例的运动速度图，加速度突变处的尖锐的“弯曲处”被从一个加速度水平到另一加速度水平的更加平缓的变化所代替。运动再次从停止开始，接着进入逐渐增加加速度的阶段44，之后到达经过点50的恒定加速。这经过45而反过来，并且加速度到点51再次减至零，此时正在进行恒定速度的运动46。使马达停下来遵循相似的过程，逐渐增加减速度47、恒定减速53，以及逐渐减小减速度48到最终停止位置。这样的运动显著地减小了运动轴线上的三阶的“加加速度”或d³x/dy³力，并因此减小了引发的共振。这样的共振在使马达停下来时是尤其明显的，因为它们导致灯具关于其最终位置弹跳或振荡。

然而，本技术没有消除所有共振，因为运动本身以及移动质量的动量将在运动中激起一些共振。图5示出了这类移动载荷中可见的共振类型。在制造中，取决于材料的硬度、质量等，该共振110的频率将根据不同部件而有所不同，但是在其整个寿命中将针对该轴线基本保持恒定。图5示出了本领域公知的传统共振，几乎没有抑制。当然，可以添加机械抑制，以防止这类共振，并且事实上很多现有技术产品使用了这种技术。然而，这样的抑制还提供了对运动的阻力，并且还使轴线的运动的潜在最大速度减小。相反，所使用的实施例预测并引发了有意的、对抗该共振的力，从而抵消共振并抑制运动，而没有减慢运动速度。这通过首先测量图5所示的共振和运动特性，并将该共振和运动特性存储在自动灯具的机载电子器件68中而实现。所述电子器件(了解共振曲线，并且还从指令(从控制台15经数据链路14接收)了解到所需的运动)能够预测该运动将产生的共振曲线，并且计算需要对抗共振所需的抵抗力。在一些实施例中，共振和运动特性的测量可以在质量(quality)控制中、在产品的设计过程中，或者在产品运输前的测试过程中实现。这些复杂的测量可以进一步被线下软件模型化和简化，以产生更简单的、可参数化的软件模型，用于存储在自动灯具的机载电子器件68中。机械系统及其共振的简化模型适于实时或近实时地在电子器件68中处理，电子器件68可能不像用于生成该模型的线下系统那么计算力强大。

图6示出了该示例中需要对抗振荡110的抵抗力112。抑制系统通过动态调节运动时间指令图线的加速部分44、45、47、48的变化的形状和时间来对抗这些共振力。这允许系统引入加速度的有意的变化率，马达轴线上的(三阶“加加速度”或d³x/dy³)力，因而引发在与共振相反的方向上的运动并抵消那些共振。

基于马达轴线的当前运动、其位置、速度和加速度，以及来自控制台15的指令，可动态且持续地完成用于预测该运动并在运动中产生适宜的加加速度运动所需的计算，以便不改变马达轴线(并因此不改变自动灯具)的最终位置。凭借处于操作中的本发明的系统，共振可以被减小至非常地的水平，如图7的曲线114所示。这使得马达轴线(并因此使得自动灯具)以高精确度和最小的弹跳或过调量快速且受控地定位至其所需的位置。当马达轴线停下来时，关键的最终定位完全没有任何弹跳或振荡，并且自动灯可以以高速运动且接下来来到精确的终点。

以此方式(使用对加速度的变化率的控制)对共振的动态纠正的执行速率可以与通过dmx512链路而来的控制信号的速率相比拟。在本发明的其他实施例中，可以使用与步进马达更新速率相比拟的更高的更新速率，也许是100微秒。这允许纠正及共振抵消实时地有效地发生，其中系统跟踪并遵循通过dmx512链路到来的控制信号的任何变化。

本发明的又一优点是不需要新的硬件，并且如果控制电子器件足够强大，则可以将适宜的软件翻新为目前的单元而无需任何物理更改。

在本发明的一些实施例中，自动灯的马达轴线的运动的共振特性可以在制造过程中测量并且存储在灯具中。

在本发明的其他实施例中，自动灯的马达轴线的运动的共振特性可以在操作过程中使用灯具上的反馈传感器测量，包括但不限于加速计、陀螺仪、光学编码器。

在本发明的其他实施例中，自动灯的马达轴线的运动的共振特性可以在操作过程中使用灯具上的反馈传感器测量，并且对抗共振加加速度使用来自这些传感器的持续的反馈以闭环方式应用。

虽然本发明就有限数目的实施例进行了描述，但是从本发明中获益的本领域技术人员将理解：可以设计出不脱离在此公开的本发明的范围的其他实施例。本发明已被详细地描述，必须了解到可在此作出不脱离本发明实质和范围的各种变化，替代和更替。