（机械电子工程专业论文）图像激光动画显示系统研究.pdf

摘要 图像激光动画显示系统研究 摘要 激光动画显示是一种新型的显示技术，它具有非接触、无污染、 无磨损等独特的优点，是激光技术在娱乐和表演中的重要应用。 本文包括，振镜伺服控制系统理论研究、伺服控制系统电路设计， 图像控制系统硬件设计、图像显示系统软件实现等部分。 振镜伺服控制系统由扫描电机、伺服驱动电路、角位置传感器组 成。本文对各组成部分的工作原理和结构特点进行了分析研究，跟据 电机转矩平衡和电枢电压平衡规律，建立起了受控对象的数学模型。 根据所建数学模型，确定了位置反馈加电流反馈的双闭环负反馈控制 结构。此外，为了保证系统稳定、快速、准确地运行，设计了由串联 p d 控制器和转速微分负反馈控制器所构成的校正装置。由此得到了振 镜伺服系统的理论模型。在上述伺服系统理论模型的基础上，设计了 振镜伺服控制系统驱动电路。 图像控制系统由微处理器、数模转换器、运算放大器和图像显示 软件构成。微处理器完成图像数据的计算、存储、传送。数模转换器 与运算放大器完成数字量到模拟量的转换。图像处理软件完成矢量图 形数据的采集、提取。本文还完成了基于d s p 的高速数据采集系统的 理论研究。 实验表明，本课题研发的振镜伺服驱动电路达到了振镜扫描器的 各项性能指标要求，完全能够满足激光标刻、动画显示应用的需要。 i 北京化工大学硕士学位论文 图像显示系统能够显示图形、动画等效果。 关键词：振镜伺服控制系统闭环控制串联校正反馈校正 n 摘要 r e s e a r c ho ni m a g i n ea n i m a t i o nd i s p l a y 。 s y s t e mu s i n gl a s e r a b s t r a c t l a s e rd i s p l a yi san e wt y p eo fd i s p l a ym e t h o d i tb e c o m e sa n i m p o r t a n ta p p l i c a t i o n o fl a s e r t e c h n o l o g y i ne n t e r t a i n m e n ta n d p e r f o r m a n c eb e c a u s eo fi t ss om a n yp a r t i c u l a rv i r t u e s ，g a l v a n o m e t e r s c a n n i n gl a s e rd i s p l a yi saw i d e l ya d o p t e ds c a n n i n gm e t h o d t h i st h e s i sc o n s i s t so ft h ef o l l o w i n gp a r t s ，i n c l u d i n ga n a l y s i so f g a l v a n o m e t e rs c a n n e rs e r v oc o n t r o ls y s t e mi nt h e o r y ，c i r c u i td e s i g no f g a l v a n o m e t e r s c a n n e rs e r v oc o n t r o l s y s t e m ，h a r d w a r ed e s i g no f i m a g i n ec o n t r o ls y s t e ma n ds o f t w a r ed e s i g no fi m a g i n ed i s p l a ys y s t e m g a l v a n o m e t e rs c a n n e rs e r v oc o n t r o ls y s t e mi n c l u d e ss c a n n i n gm o t o r a t t a c h e ds c a n n i n gm i r r o r ，s e r v oc i r c u i ta n da n g l ed e t e c t o r i nt h i st h e s i s ， t h eo p e r a t i n gm e c h a n i s ma n dc o n s t r u c t i o na r ea n a l y z e d t h er e l a t i o n b e t w e e nr o t a t i o na n g l ea n dd r i v i n gv o l t a g eb a s e do nt h em o t o rm o m e n t b a l a n c el a w a n dt h ea r m a t u r e v o l t a g e l a wi si n f e r r e d t h em o t o r m a t h e m a t i c a lm o d e l i n gi s b u i l d ，t h e c o n t r o l s y s t e m i sc o n f i r m e d a c c o r d i n gt ot h em a t h e m a t i c a lm o d e l ，i ti n c l u d ed u a ll o o p sf e e d b a c k c o n s t r u c t i o n ，o n ei sp o s i t i o nf e e d b a c kl o o p ，a n o t h e ri sc u r r e n tf e e d b a c k i i i 北京化工大学硕l ：学位论文 d i s p l a yc o n t r o ls y s t e mc o n s i s t so ft h ef o l l o w i n gp a r t s ，i n c l u d i n g m i c r o c o m p u t e r ，d a c ，o pa m p l i f i e ra n di m a g i n ed i s p l a y t h ed a t ao ft h e i m a g i n gi sd i s p o s e dt h r o u g ht h em i c r o c o m p u t e r t h ed a t ai sc o n v e a e d f r o md i g i tt oa n a l o gb yd a ca n do pa m p l i f i e r t h ea c q u i s i t i o no ft h e i m a g i n gd a t ai sb yt h es o f t w a r e f i n a l l y ，t h es e r v oc o n t r o lc i r c u i ti st h er e a l i z a t i o no ft h et h e o r y m o d e la n di n c l u d e ss o m ea s s i s t a n tc i r c u i t s p o w e r e db y e x p e r i m e n t f a c i l i t y ，t h ec i r c u i to ft h es e r v oc o n t r o ls y s t e mr e a c h e st h er e q u e s to f d y n a m i cr e s p o n s ea n ds a t i s f i e st h en e e d o fl a s e rd i s p l a y i n ga p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：g a l v a n o m e t e rs c a n n i n g ，s e r v oc o n t r o ls y s t e m ，c l o s e dl o o p c o n t r o l ， s e r i e s w o u n d c o m p e n s a t i o n ， f e e d b a c k c o m p e n s a t i o n ， i v 符口说明 符号说明 转矩，n m - ! 永久磁铁在气隙中产生的磁感应强度，t 转子长度，m 转子直径，1 1 1 气隙间距，m 线圈匝数 线圈电流，a 转子最大转角与f l 角的比 电机线圈中流过的电流产生的电磁转矩，n m - l 电机转子和轴上反射镜片相对于电机转轴的转动惯量之 和，g c m 2 电机转子的偏转角度，m d 转子的角速度，m d s - 1 转子的角加速度，r a d 一 电机内部和电机负载折合到电机轴上的粘性摩擦系数 扭力棒弹性常数 电枢电阻，q 电枢电感，h 电动机反电动势系数三三舅：；口舭：乞 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的 规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京 化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件 和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学 位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在一年解密后适用本 授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权 书。 作者签名：查煎兰 导师签名： 滏鱼丝 日期：上p 工w 日期：翟矽r 、叼、 第一章绪论 1 1 显示技术的发展1 1 l 【2 1 第一章绪论 视觉作为人类信息传递的主要方式在人们的信息交流当中起着举足轻重的 作用，是人们获得信息主要的、也是最快捷和最直观的途径。信息、电子、互联 网时代的来临促使显示技术不断更新，各种显示技术应运而生。 最早的显示技术源于一位俄裔德国科学家保尔尼普可夫的设想。他试图把 图像传送到远方。经过艰苦的努力，他发现，如果把影像分成单个像点，就极有 可能把人或景物的影像传送到远方。不久，一台叫作“电视望远镜”的仪器问世了。 尼普可夫于1 8 8 4 年1 1 月6r 此项发明申报给了柏林阜家专利局。专利中描述了 显示器工作的三个基本要素：把图像分解成像素，逐个传输；像素的传输逐行进 行：用画面传送运动过程时，许多画面快速逐一出现在眼中，这个过程融合为一。 这就是之后所有显示技术发展的基础原理，甚至当今的显示仍然是按照这些基本 原则工作的。 1 8 9 7 年，德国的物理学家布劳恩发明了一种带荧光屏的阴极射线管 ( c a t h o d er a yt u b e ，也就是我们今天所说的c r t ) 。当电子束撞击时，荧光屏上 会发出亮光。1 9 0 6 年，布劳恩的两位执著的助手用这种阴极射线管制造了一台 画面接收机，进行图像重现。不过，其量产及小型化技术直到1 9 5 1 年以后，电 晶体的发明取代了真空管，才得以普及。c r t 技术已经成为人们生活中不可或 缺的部分。电视采用的同样是c r t 技术，自电脑开始普及以来，c r t 显示器也 就成为电脑与人交流的媒介。 c r t 显示器主要由电子枪、线圈( d e f l e c t i o nc o i l s ) 、金属隔板( s h a d o wm a s k ) 、 磷化萤光粉层( p h o s p h o r ) 和玻璃屏幕五大部分组成。其中电子枪有能力打出2 万 5 千伏特高压，产生高能电子光束。并利用屏蔽正确导引电子光束打在镜面上的 磷光物质，而产生亮点。同时控制电子光束的强度，即可产生不同的颜色与亮度。 当显示器接收到由计算机显示卡或由电视讯号发射器所传出来的影像讯号时，电 子枪会从屏幕的左上角开始向右方扫瞄，然后由上至下依序扫射下来，如此反复 的扫瞄即构成我们看到的影像。 c r t 显示器价格低、画质高，但其缺点却是体积大( 受限于屏幕尺寸与电 子枪之间的距离) 、重量重，在便携式电子产品和大屏幕显示方面的应用受到限 制。随着屏面尺寸的不断增大，其重量、厚度也随之不断增大，无法满足人们对 大屏幕、薄型化日益增长的要求。c r t 显示器需要的电压高，易受干扰，且易 北京化工大学硕士学位论文 产生的辐射线。因此，随着无辐射的液晶显示器的大规模生产和价格大幅下降， 逐渐取代了c r t 显示器。 早在1 8 8 8 年，奥地利植物学家发现了一种白浊有黏性的液体，后经德国物 理学家研究发现，这种液体具有多种弯曲性质，认为它是流动性结晶的一种，由 此而取名为l i q u i dc r y s t a l 即液晶。1 9 6 8 年美国首先做出l c d ( l i q u i dc r y s t a l d i s p l a y ) 液晶显示器，简称l c d 。 液晶是一种介于固态和液态之间的物质，是具有规则性分子排列的有机化 合物，如果将其加热会呈现透明状的液体状态，将其冷却则会出现结晶颗粒的混 浊固体状态，具有液体与晶体的特性，故称之为“液晶 。液晶显示的原理简单 来说，就是在两个电极之间的液晶，其分子排列顺序在电极通电时会发生改变， 并改变了透射光的光路，实现了对影像的控制。t f t 液晶面板由表及里分别有表 层保护玻璃、三元色滤光板、偏光板、沉积在玻璃基板上的f e t 晶体管( 薄膜 晶体管) 电极、液晶、同样沉积在玻璃质基板上的共通电极、底层偏光板、背光 板( 导光) 以及背光源组成。光由底层透射出来，经过液晶和偏光板的共同控制， 借助滤光板产生色彩斑斓的图像。 在早期技术条件下，液晶显示器的各项性能存在着明显的不足。由于是透 射光成像，特别是需要经过滤光板，故液晶显示器的对比度和亮度都不是很理想。 由于采用的光源随时间会出现老化的现象，故早期液晶显示器的亮度也会出现偏 差，色彩表现也远逊于c r t 显示器。此外，光源分布的问题，特别是光源如果 镶嵌在面板的一边或两边，也会产生画面亮度的不均衡性。更重要的是，面板的 电极大多采用非晶硅，与复晶硅( 也称多晶硅) 相比，电气性能仍不能让人满意， 直接影响到液晶显示器的响应时间。另外，液晶显示器中，由于液晶分子排列方 向毕竟是有一定角度的，透射光便具有了方向性，故液晶显示器还存在可视角度 的问题。2 0 0 1 年底以后，随着液晶分子排列新技术的出现、电极和背光板的改 进、特别是低温多晶硅技术的逐渐成熟、多灯技术的应用，使得液晶显示器的对 比度可高达7 0 0 ：1 ，亮度也高达3 0 0 n i t s ，响应时间短达1 6 m s ，可视角度也达到 1 7 0 。随之，人们又从对显示器性能的要求转到了对其画面素质完美表现的需 求上。也就是说，用户已经不再集中在显示的简单需求上，而追求是更加完善的 画面还原。 原有显示技术的不完美性以及近年来通信技术的迅速发展，更加促进了显 示器向多功能和数字化方向发展。具体来说，就是要求现代显示器件向平板化、 高密度、高分辨率、节能化、高亮度、彩色化、大屏幕的方向发展。在这种背景 下，新的显示技术应运而生，如f e d ( f i e l de m i s s i o nd i s p l a y ，场发光显示) 显 示技术、有机e l ( o l e d 有机发光二极管) 显示技术等。f e d 显示技术与l c d 2 第一章绪论 显示技术相比，基于f e d 技术的显示器画质清晰，响应时间不足i m s ，不会有“拖 尾”现象，而在功耗方面，仅为l c d 的一半。此外，f e d 显示技还具有可视角度 大、色彩还原度高等特点。由于而有机e l 可以播放2 4 0 帧秒的视频播放，目前 仍可应于小型设备上。 从上世纪八十年代开始，继黑白显示、彩色显示、数字高清显示之后，第 四代显示技术激光显示为显示领域带来了一次新的技术革命。激光显示技术 代表着投影显示技术的最新发展趋势。它在继承了数字显示技术所有优点的基础 上，在色度学方面实现了重大突破，解决了显示技术领域长期以来悬而未决的大 色域色彩再现的难题。由于激光为线谱，激光的光谱分布非常窄，可以实现高色 彩饱和度，呈现最艳丽的色彩，同时激光谱线丰富，激光光谱的色域极高，图像 色彩也最为丰富，能够最完美地再现自然色彩。因此，激光显示技术( l a s e rd i s p l a y t e c h n o l o g y 简称l d t ) 被认为是新一代的主流技术，是目前大屏幕显示领域最 活跃、最有发展前景的显示技术。 目前市场上销售的显示器件( 如：c r t 、l c d 、p d p 、d l p 投影仪以及电影 放映机等) 的色彩再现能力均未突破n t s c 制式的色彩空间，其色域空间仅能覆 盖人眼所能识别的色彩空间的3 1 8 ，难以真实还原自然色彩。这一不足成为了 进一步提高显示质量的重要障碍。在色域方面与传统光源相比，虽然l e d 是很 好的光源技术，但它具有泛光照明的特性，因此在高亮度、大屏幕显示上存在明 显的不足，大大影响了l e d 在投影显示技术上的应用。与l e d 相比，激光具有 非常高的强度，这样就为实现高亮度、大屏幕和超大屏幕显示奠定了基础，是满 足各种高端显示要求的最佳光源。因此，业界将激光显示技术称为“人类视觉史 上的一场革命”。 1 2 激光动画显示 1 2 1 激光动画显示的历史与现状 激光动画显示的历史几乎和激光器的发展历史一样长。1 9 6 8 年l l o y dc r o s s 发明了一项专利“s o n o v i s i o n ，它融合了音乐艺术和激光表演艺术。系统先将一 层反射膜覆盖在扬声器上，反射膜随扬声器的声波而震动，氦氖激光器发出的激 光光束照到反射膜上，经反射膜反射后，图形打在墙上。图形所呈现出的变化与 扬声器发的震动同步。1 9 6 9 年，在m i l l s 大学举行了首次激光公演，使用了 c o h e r e n t 公司的氪激光器和h o n e y w e l l 的x y 扫描器( 检流计) ，后者经过改装 后用来进行光束扫描，光束扫描的直接策动源是音乐。这就是历史上最早应用激 北京化工大学硕上学位论文 光的表演，此技术的应用一直延续至今【3 】o 激光显示的概念随着激光表演的诞生而诞生，出现在上世纪6 0 年代。它以 高饱和度的红、绿、蓝三基色激光作为光源，充分利用激光波长的可选择性和高 光谱亮度等特点，使显示图象具有更大的色域表现空间，其色域覆盖率可达9 0 ， 可实现2 倍于传统光源的色彩再现能力，色彩饱和度为传统显示的1 0 0 倍以上， 可以最大程度地展现人眼所能识别的色彩，真实地再现客观世界丰富、艳丽的色 彩，提供更具震撼的表现力。 世界各国的科学家都在尝试将激光技术运用于显示光源的研究。多年来，离 子激光器一直是激光表演中最多使用的激光器。氩离子激光器能产生绿光、黄光 和紫光，氪离子激光器输出的是紫外光到红光，故称之为白光激光器。但其固有 的性能仍不能满足大多数娱乐场所的应用需求。上世纪9 0 年代末发明的二极管泵 浦固体激光器，给激光表演领域带来了巨大冲击。这种激光器体积更小巧、更高 效、更可靠，且价格便宜，功能多，使得激光的应用从高端的工业领域向民用领 域发展。 中国激光显示概念的首创者是中国工程院院士许祖彦，并对其展开了初步 研究。由于当时激光器发展水平的限制，研究项目进展缓慢。上世纪9 0 年代， 随着全固态激光器关键材料的研制成功，大大推动了激光显示技术的研究。近年 来，激光动画显示系统在舞台灯光布置、娱乐场所和户外显示方面得到广泛应用。 但是，目前激光及相关技术的应用尚缺乏系统性的技术指导，激光的表现效果仍 不能得到充分的展示【4 j 【5 j 。 激光动画显示是激光显示的一部分。最初的激光动画显示仅能控制简单的 光束、光干涉效j 立( l u m i a ) n l 简单的激光“莉莎”( l i s s a j o u s ) l 訇形。随着激光技术、 高速扫描元件、色彩合成和控制技术的发展，特别是激光动画显示软件的快速发 展，当今的激光动画显示不仅能显示特殊的激光光束效果，还能演示复杂的激光动 画和三维图文。 激光动画显示具有以下特点特点： ( 1 ) 是一种投射式成像方式，能够实现超大屏幕显示； ( 2 ) 色彩鲜艳纯正，具有高的对比度( 1 0 0 ：1 ) ； ( 3 ) 能够产生特殊的空间光束效果和光束干涉效应； ( 4 ) 激光效应和图形信号可以完全数字化，由计算机直接编程； ( 5 ) 是一种“光笔”书写的矢量化的图形模式。 在近期举办的国际光电展览会上，国外厂商已经具有了利用三个振镜的激 光动画显示系统以显示三维图形的新技术。目前，利用两个振镜来显示光滑的图 形曲线或连续的动画的技术已经比较成熟，图形画面颜色的纯度和亮丽程度都达 4 第一章绪论 n t 可以堪称完美的程度。但是，整套系统的价格昂贵，少则几万多则几十万人 民币。目前，国内在这方面还刚刚起步研究工作及应用仍然较少，相关技术资 料几乎没有。因为涉及到从技术直接到产品的转化，在经济利益的驱使下，供应 商一般只提供整套系统。该系统国内已经有部分厂商在自主研发，但在图形显示 以及动画的处理上，仍然存在明显的失真和图像闪烁等现象，在使用寿命上也与 国外产品存有差距。根本原因在于振镜的摆动速度不够高，伺服控制系统的控 制方法有待改进，图形关键帧的处理与算法需要优化。 激光动画显示目前仍主要应用于娱乐业、主题公园和表演上。激光动画显 示图形如图1 1 所示。 圈卜1 激光显示画面 f i g 1 - 1p i c t u r e o f l a e rd i s p l a y 12 2 激光动画显示系统的组成 激光动画显示系统主要由激光器、激光扫描器和控制系统所构成。在控制 系统微处理嚣的控制下，激光光束经过色彩合成调制器、激光扫描器投射到空 间或者屏幕上，向人们演示各种特殊的空间光束效果以及精彩的静态或动态的三 维立体图文画面。表演的节目和图文画面完全按照用户的要求，由微控制器控制 或者通过计算机实现实时的图形显示。 f 1 1 激光器 激光器是激光动画显示系统的关键部件。所使用的激光器取决于应用场所 的大小、环境亮度、演示的颜色效果。可以分为低功率( 1 w ) 和高功率( 1 3 0 w ) 、单色( 红或蓝或绿) 和彩色( 红绿蓝) 。目前，低功率檄光器有红光氢 氖激光器( 功率 5 0 r o w ) 、空气冷却的氩离子( 蓝或绿) 和氩氪气体彩色激光 器( 功率 l w ) 。对于高功率系统，通常采用水冷的氩离子( 蓝或绿) 激光( 功 率35 3 0 w ) 或氲一氪气体彩色激光器( 功率35 2 0 w ) 。近年来，高重复频率 北京化工大学硕上学位论文 工作的铜蒸汽( 黄或绿) 也已用于激光光束表演。 随着激光技术的发展，二极管泵浦的固体激光器成为激光动画显示领域的 主要光源。它通过非线性光学技术产生红绿蓝色光。与气体激光器相比，全固 体激光器的特点是结构紧凑，功耗低，效率高，不需水冷，采用2 2 0 伏供电。目 前，连续波绿光全固体激光器已经商品化，如固体微片激光器( 功率 l o o m w ) 、 高功率全固体倍频激光器( 功率 l o w ) 。但是，要实现高功率连续波的蓝色和 红色全固体激光器件的商品化尚需时日。另外，低功率且廉价的红光二极管激光 器已经用于简单的激光艺术演示领域。 ( 2 ) 激光扫描器 激光扫描器有三种结构形式： 机械扫描式。其特点是，不改变扫描器反射镜的反射角度，只是将反射镜进行 轴向平移或者将工件进行平移，以达到改变扫描成像点的目的。 棱镜扫描式。激光器将激光束投射到一个高速旋转的多面体棱镜上，多面体棱 镜将入射的激光束依次扫入并行排列的数个独立的光学聚焦系统中，连续激光束 每次扫描一个光学聚焦系统，并形成一个激光脉冲，重复扫描就在每一个光学聚 焦系统中形成了一系列激光脉冲，在材料上打出系列的小孔或在平面上扫出图 形。 振镜扫描式。系统的工作原理是，用计算机或者微处理器控制反射镜的反射角 度，从而达到激光束的偏转，使得具有高功率密度的激光聚焦点在待标刻的材料 上按所需要求运动，从而在材料表面留下标记或者在介质上显示出图形或动画。 在这三种扫描器中，机械扫描式不能灵活打点，因此主要用于简单的激光 打标系统中。棱镜扫描式则可以用于激光动画显示系统中。其优点在于，如果棱 镜上的切割面足够多，那么对旋转装置的速度要求不高。但是，棱镜的生产过程 复杂，加工难度高，且对装置的校准要求较为严格，故不适合广泛应用。振镜扫 描方式是目前激光动画显示系统中应用最为广泛的扫描装置。理论上讲，它可以 实现大角度扫描，不受显示面积的约束。 振镜式激光扫描器是产生图形动画效果最重要的设备之一，是由两个高速 摆动电机x y 、伺服驱动装置和反射镜片构成的。控制系统提供的控制信号，通 过伺服驱动器驱动振镜偏转，从而在x y 平面控制激光束的偏转，以创造出抽 象的、摆轮线的效果以及动画等。这类似于阴极射线管中对电子束的偏转，所不 同的是，光子不是带电粒子，不能象电子束那样通过磁场或电场来控制。因此， 通常用于激光动画显示的振镜是基于检流计原理的。检流计式扫描装置的控制分 为开环和闭环两种。前者常用于简单的激光光束演示，其扫描装置通常是由步进 电机驱动的。因此系统的精确程度取决于步进电机的最小步距角，故在复杂图形 6 第一章绪论 动画表演系统中很少采用。而后者则广泛地用于复杂的激光图形演示，具有偏转 角度大( 可达8 0 度) 、响应速度快、定位准确等特点。但由于反射镜片的折返和 加速耗时，限制了其扫描频率。 在激光表演( 演示) 系统中，光学扫描的波形是一种矢量扫描，系统的扫 描速度决定了激光图形的稳定性。早在上世纪7 0 年代前期，检流计式振镜就已 经进入激光行业，但在技术上的快速发展始于1 9 9 2 年。近几年，国外已经开发 出了高速扫描器，扫描速度可达5 0 0 0 0 个点秒，即每秒钟能够接收的由计算机 或微处理器发送出的数据个数，因此能够演示更为复杂的激光动画。如剑桥技术 公司( c a m b r i d g et e c h n o l o g y ，c a m b r i d g e ) 研发的6 8 0 0 型扫描振镜。它对光束偏 转的速度以及对光束进行精确调制的能力，极大地提高了艺术家们用来产生细微 的、视觉上令人兴奋的图像的能力。目前，国内振镜生产商生产的振镜扫描速度 也已经可以达到3 0 0 0 0 个点秒。振镜的扫描速度是制约激光动画显示发展的关 键所在，各国研究者正在致力于新型扫描器件的开发，或在现有基础上进行改进， 目的只有一个，就是使得振镜具有更高的响应速度。 振镜的速度和精确度一方面取决于摆动电机的结构，另一方面又取决于振 镜的伺服驱动装置。开环控制的振镜定位精度低，而闭环控制的定位精度高。在 闭环控制中，系统一般采用p i d 的校正方式。伺服系统的性能直接关系到振镜的 摆动速度。国外将d s p 技术用于振镜的伺服控制，极大地提高了振镜的响应速 度。而国内目前仍大多采用模拟电路来实现伺服系统的控制功能。 随着半导体技术的发展，运算放大器的电压转换速率大大提高，在保证精 度前提下，电压建立的时间只要几十纳秒，这就为利用运算放大器实现伺服控制 系统的响应时间的提高提供了保证，使得伺服控制系统能够在最快的时间内跟踪 位置命令的变化。 ( 3 ) 图形控制板及图形控制软件 随着微电子技术的不断发展，单片机应用技术也得到了长足的进步，使得 利用单片机技术来控制激光轨迹成为了可能。近年来，单片机指令的执行速度成 倍提高，基于d s p 技术的图形控制系统越来越被人们所认识并采用，它既能够 满足对振镜响应速度的要求，同时又能满足处理复杂的图像的需要。 简单图形和动画显示系统中，只要把待显示的图形数据存储在单片机中， 接通电源后，就能立即显示出预先定义好的图形和动画。 目前，高端系统能够实现复杂图形和动画的显示，同时也能实现图形的实 时显示，也就是利用计算机技术，编制相应的软件，就可以将在计算机中画出的 图形立刻在屏幕上显示出来。系统能够完成如此功能，这需要在计算机和激光动 画显示系统之间处理大量的图形数据，因此普通的单片机技术已经不能再担此重 7 北京化工大学硕上学位论文 任。 随着大规模集成电路和计算机软硬件技术不断发展，图像技术在众多的科 学领域和人们的日常生活中得到了广泛的应用。人类有8 0 的信息来自于图像。 图像技术包括图像采集、图像传输、图像存储、图像处理和图像分析等。选择高 性能的图形处理硬件是提高系统处理速度的关键，而图像传输是图像处理技术的 基础和前提1 6 j 。图像处理包括图像旋转、交换、滤波以及其他图像像素和领域级 的运算i l 】。在激光动画显示系统中，解决图像的枕形失真是问题的关键所在。这 需要存储大量的图形数据，并以数据表的形式存放于数据存储器中，在图形的显 示过程中，数据需要快速的调用和处理。这些图像处理算法需要运算图像的每个 像素点，因为图片包含的像素点数量巨大，所以要求图像处理系统必须具有强大 的数据处理功能。d s p 技术作为处理复杂图像和大量传送数据的新技术，国外已 经应用于动画显示系统之中，而目前国内还没有基于d s p 技术的激光动画显示 系统，更没有一款能够应用在激光动画显示上的计算机软件系统。d s p 技术的应 用能够很地好解决数据传送过程的瓶颈问题【7 】【8 1 1 9 1 。 1 2 3o s p 技术 微电子技术和计算机技术的飞速发展带来了信息技术的革命，海量的数据 处理和信息传输高度依赖于高效的信号处理方法，使得数字信号处理技术成为重 要的研究课题。数字信号处理器( d s p ) 便是实现数字信号处理算法的有效途径， 并以其特有的实时处理优势在工程界占有着重要的地位，已成为数字信息时代的 主流技术。 理论上讲，d s p 技术涉及的范围非常广泛，涉及到微积分、概率论、随机 过程、数值分析、线性代数等数学分析工具，涉及到信号与系统、网络理论、自 动控制原理等基础理论。在信号处理之前，必然要先获得信号，而自然界中的信 号大多是模拟信号。也就是说，在数字信号处理系统中，数字信号和模拟信号同 时存在，需将输入端的模拟信号转换为数字信号，经过处理后，再将数字信号转 换成模拟信号并输出。d s p 技术是在获得了数字信号之后进行数据处理的。此时， 可以采用专用d s p 软件、硬件处理，可以采用各种数字运算处理，还可以采用 快速运算处理。 与模拟系统相比，数字系统拥有许多优势。例如：由元器件构建的模拟系 统的性能会因为元器件制造特性的较大误差而随温度发生变化；而数字系统的高 集成性，使得其性能非常稳定，抗噪声性能好，体积小，功耗低。而且，数字电 路的灵活性使其可以仅通过修改程序中的语句来修改电路性能。 d s p 自上世纪8 0 年代诞生以来，经历了二十多年的飞速发展，其应用已经 第一章绪论 深入到工业控制、能源变换、通信网络、航空航天、汽车电子、数字监控、生物 识别、医疗器械及家用电器等各个领域。d s p 芯片内部采用程序和数据分开的哈 佛结构、专门硬件乘法器以及流水线操作，使它即具有独特的高速数字信号处理 功能，又具有实时性强、功耗低、高集成度的嵌入式微处理器的特点，特别适用 于高度密集、重复运算及大数据流量的信号处理。针对嵌入式数字控制应用， d s p 极大地满足了工业界的需求，如：电力系统无功补偿与谐波抑制、数字变频 电力电源设备、数字电机控制、工业自动化等。d s p 应用的快速发展，为数字信 息产品带来了广阔的发展空间，并将支持通信、计算机和消费类电子产品的数字 化融合。在面向群体的应用中，d s p 在媒体网关、视频监控、专业音响、数字广 播、激光打印等应用中表现出色。在面向个人的应用中，d s p 在便携式数字音频 和影像播放器、指纹识别和语音识别等应用中也表现不俗。在无线领域，d s p 遍及无线交换设备、基站和手持终端领域，并涵盖了从骨干基础设施到宽带入户 的设备，如i p 电话、a d s l 和c a b l em o d e m 等。 1 3 本课题研究的主要内容、目的及意义 1 3 1 课题的目的和意义 振镜扫描式激光动画显示系统由振镜机构、伺服控制系统和待显示的图形 控制系统构成，各个部分都是其关键所在。 在振镜的机械结构无法改变的情况下，振镜的伺服控制系统的好坏直接影 响到最终显示画面的失真和闪烁程度。目前，国内现有的伺服控制系统要么只能 显示线条简单的画面或动画，要么选用的是价格昂贵的国外产品。因此，如何改 进和完善伺服系统的控制方案，以提高振镜的响应速度，同时具备高精确度的位 置输出，成为人们研究的重点之一。 在这种振镜扫描式显示系统中，当激光束通过x y 振镜打在屏幕上时，通 过光路的计算就会发现，图像会出现枕形失真。虽然利用传统的方法可以通过调 节伺服控制系统的参数来减小图形的失真，但并不能完全避免图形的失真。 本课题研究的目的在于，建立振镜控制系统的数学模型，利用自动控制理 论，提出一种新的伺服系统控制方案，并通过实验装置进行可行性研究及完善。 另外提出一种新的、能够快速处理和传输复杂图形大数据量的传送结构，以达到 实现复杂图形显示的目的。 9 北京化工大学硕上学位论文 1 3 2 课题主要研究内容 ( 1 ) 建立振镜控制系统输入输出的数学模型，从理论上研究其非稳定因素及系统 响应速度和精确定位的影响因素，从而采取恰当的控制策略，提出一种新而 可行的伺服控制系统校正方案。 ( 2 ) 用放大器构建一套伺服控制系统，以自动控制理论为基础，分析控制系统中 各参数对整个控制系统的影响，并对各参数进行整定，实现控制的最优化。 ( 3 ) 完成一套图形控制系统的设计，通过微处理器实现简单图形的动画显示。 ( 4 ) 对输出图形的枕形失真问题进行分析研究，利用d s p 技术，提出解决图形失 真以及大数据量的传输与控制的问题的解决方案。 1 0 第二章高速摆动电机伺服控制系统理论研究 第二章高速摆动电机伺服控制系统理论研究 2 1 伺服控制系统模型研究 2 1 1 高速摆动机械装置 作为激光显示系统重要组成部分之一的高速摆动装置必须具备以下特性，才 能够满足整个显示系统的要求。首先装置应该具有很高的动态特性，不管镜片摆 动到任何位置，都可以加载正向或者反向的力矩，以便能够获得所需的角加速或 者角减速。其次，摆动的镜片在任何位置都应该具有相同的动态特性，因此要求 摆动装置的转动惯量小，而转矩要大。最后扫描装置应该具备宽频特性。只有具 备这些特性的摆动装置才能够实现在伺服机构的控制下，输出任意波形。从而达 到激光轨迹走出图形的要求。 根据整个显示系统对高速摆动机械装置的要求，选择振镜作为整个系统的 执行机构。振镜是基于检流计的原理制成的，是一种可以高速摆动的电机，具有 转动惯量小、转矩大、宽频率特性等特点，所产生的机械运动形式为摆动。虽然 它的运动形式有别于传统的旋转电机，但与传统的旋转电机的原理是一样的，也 是由定子和转子两个主要部分组成的。转子是中间带有永久磁铁的一根细轴，定 子是包围在转子周围的线圈。它利用定转子之间电磁吸力实现偏转一定角度，当 定子绕组励磁后，定子磁场与转子磁场相互作用使转子偏转。若转子励磁维持不 变，定子磁场就要转到与转子磁场一致的位置，转子被定子相吸直到停止运动。 因此摆动式电动机不能象旋转电动机那样做连续旋转运动，只能在有限范围内来 回摆动。 目前，用于激光动画显示系统的振镜，从结构上可分为动圈式、动铁式和 动磁式三种。动圈式结构的电机最大特点是转子的电感l 较小，因为驱动线圈是 一组空芯绕组，时间常数t = l r ( r 为线圈电阻) 很小，有利于提高振镜的速度。 定子和转子之间无磁滞效应，可提高振镜的精度。其机械偏角可达3 0 0 。但这种 振镜的线圈引出线在高频偏转时极易断裂，直接影响使用的可靠性。动铁式结构 的电机转子是实心的，铁芯定子由永久磁铁和加载线圈组成。它利用驱动线圈产 生的磁场与偏置磁场合成的磁通，令对角两极靴的气隙磁感强度b 增强，另两对 角极靴的磁感强度减弱，来产生转子的偏摆运动。动铁式结构的电机转子的惯量 能够做得很小，转子有较大的刚性，其力矩惯量比高于动圈式的结构。但线圈绕 在永久磁铁上，电感和时间常数较大。定转子之间有磁滞效应对偏转精度有一定 北京化i 学砸上学位论文 影响。由于极靴的限制，偏转角不易做大【10 】。 本课题采用动磁式结构的振镜电机，如图2 - i 所示。定子是线圈，转子是永 久磁体。此种结构的振镜电磁转矩大，并能方便地受定子励磁来控制。因此特性 较好，应用广泛。 图2 t 振镜 f i g 2 1s c a n n i n g m i n o r 由于振镜电机的伺服控制系统属于典型的随动系统，在控制过程中要随时 跟踪电机摆角的变化，因此位置信号在振镜电路里极为重要。它一方面为伺服控 制系统提供电压信号，另一方面又直接反映了振镜的偏转角度和扫面位置。因此， 电机配有角位移传感器。位置传感器种类很多，在振镜系统中比较常见的是电容 变面积式位置传感器和光电角位置检测传感器。本课题采用的振镜电机的角位移 传感器是光电传感器，其结构如图2 2 所示。 图2 - 2 光电传感器 f i g 2 - 2p h o t o e l e c t r i cs e n s o r 固定在电机转子一端的遮光片穿过光电传感器中间的孔，置于光电传感器发 射端和接收端之间，而电机转子的另一端固定有激光折射镜片。这样，遮光片随 转子一起运动，便能够实时地表征转子转过的角度，也就表示出了折射镜片转过 的角度。转子带动遮光片运动时，使得两个光电接收端在接受的光能量发生政变 从而引起光电接收装置输出不同的电压量，根据电压量与转动角度的关系，测得 振镜转过的角度。由于接收端能够感受到可见光，为了避免外界干扰，光电传感 第二章商速摆动电机伺服控制系统理论研究 器是封装在密封的容器里的。接收端通过导线与外界相连，将相应的电压信号传 递出来，经运算放大器进行放大处理。激光折射镜片转过的角度与输出电压之间 的关系呈j el l 例关系【12 1 。 2 1 2 振镜电机的数学模型1 3 町 振镜电机的转动力矩计算公式为： t = b l n i d 一2 ：, r 1 0 。c l n 2 1 2d i g ( 2 1 ) 式中：卜转矩，n m ； & 一永久磁铁在气隙中产生的磁感应强度，t ； l _ 一转子长度，r n ； d 一转子直径，m ； g 一气隙间距，m ： n - 一线圈匝数； i - 线圈电流，a ； g 一转子最大转角与a 角的比。 如果式( 2 1 ) 中的非线性项过大，会直接影响系统的速度和稳定性。为了减小 动铁式振镜非线性项的影响，已经有了一些新的转子几何形状，它们能使转矩的 非线性变小，从而提高了扫描系统的性能。本设计所采用的振镜电机的非线性项 远远小于线性项，在进行理论分析和设计时，可将非线性项忽略掉。则式( 2 1 ) 简化为： t = b l n i d ( 2 2 ) 对于给定电机，b 、l 、n 、d 为确定的量，这里用称为电机转矩系数的k t 代替，则式( 2 2 ) 简化为： t = k r i( 2 - 3 ) 式( 2 3 ) 表明，摆动电机的转动力矩正比于流过线圈的电流。 振镜电机工作时的转矩平衡方程为： 窘+ 厂警删 协4 ， 式中：t - 一电机线圈中流过的电流产生的电磁转矩； j _ 电机转子和轴上反射镜片相对于电机转轴的转动惯量之和，g c m 2 ； 旺电机转子的偏转角度； d 口破一转子的角速度； d 2 酬衍一转子的角加速度； 北京化工人学硕l 学位论文 f - 电机内部和电机负载折合到电机轴上的粘性摩擦系数； g _ 扭力棒弹性常数。 电机的电枢平衡方程为： e = r i + l a ，1 + e 6 ( 2 - 5 ) e b ：k hido(2-6) 式中：r 一电枢电阻； l _ 一电枢电感； k b 电动机反电动势系数。 当电枢绕组两端加上控制电压e i 后，产生电枢电流i ，获得电磁转动力矩t ， 驱动电枢克服阻力矩，带动负载旋转，同时在电枢两端产生反电动势e b 。 由式( 2 3 ) 、( 2 4 ) 、( 2 - 5 ) 、( 2 - 6 ) 可以得到式( 2 7 ) 表示g o 与e i 之间的关系： 儿万d 3 0 + m + 弘f l , j 万d2 0 + 船+ 班+ k 。k 。、，d 西o 斗然p = k r e ( 2 - 7 ) 则电机的偏转角度与输入电压之间的关系如下： g = 黠= 面砜再k 石t 瓣 ) 由于线圈的电感很小，可以忽略不计，则式( 2 8 ) 变为式( 2 9 ) ， 强黠e = 而, i s 煮g 鲁kk 面r ( 2 - 9 ， i b 、)z + 冬+ 七1 b s 、 由此得出控制系统的数学模型，即系统的传递函数。这是一个二阶系统。 本研究中的振镜电机参数如下： 高度3 3 e m ； 转子的转动惯量o 0 2 3 克c m 2 ； 转子的直径4 6 m m ： 定子的重量1 0 7 9 ： 反射镜转动惯量o 0 1 6 克c m 2 。 2 2 伺服控制系统理论 自动控制系统按照不同的方式有不同的分类。按照控制方式可分为开环控 制、反馈控制、复合控制等。按系统功用可分为温度控制系统、压力控制系统、 位置控制系统等。按系统性能可分为线性系统和非线性系统、连续系统和离散系 1 4 第二章高速摆动电机倒服控制系统理论研究 统、定常系统和时变系统、确定性系统和不确定性系统等。按参量变化规律又可 分为恒值控制系统、随动系统和程序控制系统等。一般来说，为力求全面反映自 动控制系统的特点，常常将上述各种分类方法组合应用。 自动控制系统的基本控制方法包括反馈控制、开环控制、复合控制、最优 控制、自适应控制、模糊控制等。其中反馈控制是自动控制系统中最基本