CN100455874C

CN100455874C - 基于dsp的控制驱动一体化二自由度云台

Info

Publication number: CN100455874C
Application number: CNB2007100515008A
Authority: CN
Inventors: 吴怀宇; 胡琳萍; 程磊; 张巍; 许春山; 赵伟; 方恒; 程宇; 曹赢; 张宏亮; 莫建民; 陈洋
Original assignee: Wuhan University of Science and Engineering WUSE
Current assignee: Wuhan University of Science and Engineering WUSE
Priority date: 2007-02-08
Filing date: 2007-02-08
Publication date: 2009-01-28
Anticipated expiration: 2027-02-08
Also published as: CN101012906A

Abstract

本发明涉及一种基于DSP的控制驱动一体化二自由度云台。将大齿轮(18)同心固定在底座(17)中心，第一电机(12)竖直安装在旋转底板(15)上，俯仰轴(10)安装在支架(6、13)中部，第二电机(2)水平固定在支架(6)上。电机的控制与驱动部分组成控制驱动一体化电路板(14)。上位机(25)与DSP芯片(21)连接，DSP芯片(21)与电机驱动芯片(22)连接，电机驱动芯片(22)分别与第一电机(12)、第二电机(2)、电压比较器(23)、与非门电路(26)连接，电压比较器(23)和与非门电路(26)连接。第一、二光电编码器(1、9)的输出引线分别与DSP芯片(21)的正交编码脉冲单元连接，电源(24)与电压比较器(23)连接。本发明能在运动中精确地进行速度控制和定位、可无级调速、能开机自检复位和过流保护。

Description

基于DSP的控制驱动一体化二自由度云台

技术领域

本发明属于运动控制技术领域。具体涉及一种基于DSP的控制驱动一体化二自由度云台。

背景技术

机器人技术是近年来国际上研究较多的一个重要研究方向。目前机器人的研究和应用有相当一部分内容与机器人运动控制，图像采集和处理有关。在这些方面都需要图像采集装置或者运动装置能够精确的调速并且实现不同方向上的精确定位。目前的大多数云台在控制方式上采用单核或双核的单片机，数据交换量和传输速度有限，因而基本上采用恒速运动，这对目标追踪的应用有所限制。在位置控制上则设置一些常用的位置档位(15度，30度，60度，90度，120度等)，云台通过单片机指令只能在这些位置实现图像采集功能。这样就限制了视角范围，在观测上有缺陷。

其次，这样的云台其运动驱动部分和控制部分分离，驱动部分在云台内部，控制部分在云台外部，限制了云台的自主运动且占用控制台空间。

再次，目前大多数开环云台仅由限位开关来实现云台在最大范围内的安全运转，对云台在运转中的突发故障缺乏考虑。如断电后再次开机时，由于无法识别角度位置，可能会向不期望的方向运动，造成误操作损坏。

末次，现有的二自由度云台大多数在俯仰方向上采用蜗轮蜗杆传动来实现减速机构，这样使得加工复杂，云台高度比较高，安装空间比较大，大大影响视线效果。

发明内容：

本发明的目的是提供一种结构简单、体积小、能在运动中精确定位、运动速度能精确控制、可无级调速、能开机自检复位和过流保护、可在水平360度和俯仰180度范围内任意控制位置的基于DSP的控制驱动一体化二自由度云台。该云台能用于摄像、监控、跟踪等，也可用于机械臂等类似需要转动或摇动的负载驱动。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：将机械和控制驱动两部分基于一体，机械部分为：将大齿轮固定安装在底座的中心处，大齿轮分别与第一小齿轮、光电编码器小齿轮啮合，旋转底板通过底座轴承同心装在底座上。旋转底板的上平面一侧竖直安装有第一电机，第一电机的输出轴穿过旋转底板安装有第一小齿轮，第一光电编码器的轴穿过旋转底板安装有光电编码器小齿轮。旋转底板的两侧固定有左、右支架，俯仰轴通过轴承安装在左、右支架的中部，俯仰轴的左侧安装有俯仰齿轮，俯仰齿轮分别与第二小齿轮、光电编码器齿轮啮合，第二小齿轮安装在第二电机的输出轴上，第二电机水平固定在左支架的下方，第二光电编码器水平固定在左支架的上方，第二光电编码器安装有光电编码器齿轮，俯仰轴的两端穿过外壳固定装有安装板，DSP控制驱动一体化电路板设置在右支架的一侧；外壳固定安装在旋转底板的外缘。其中：

旋转底板的水平旋转范围为-180～+180度，旋转速度为2～10转/分；安装板的旋转范围是-90～+90度，俯仰速度为2～8转/分。

第一、第二电机均为带减速器的微型直流电机；第二小齿轮与俯仰齿轮、第一小齿轮与大齿轮的传动比均为2～4∶1；大齿轮与光电编码器小齿轮、俯仰齿轮与光电编码器齿轮的传动比均为1∶2～4。

控制驱动部分为：将电机的控制与驱动部分合为一体，组成控制驱动一体化的电路板。该电路板包括DSP芯片、电机驱动芯片、电压比较器、与非门电路。上位机与DSP芯片连接，DSP芯片与电机驱动芯片连接，电机驱动芯片分别与两台电机、电压比较器、与非门电路连接，电压比较器和与非门电路连接。两个光电编码器的输出引线分别与DSP芯片的正交编码脉冲单元连接，电源与电压比较器连接。

DSP芯片的PWM₁、PWM₂、IOPB₀、IOPB₁引脚分别与电机驱动芯片的PWM_A、PWM_B、DIRECTION_A、DIRECTION_B引脚连接；DSP芯片的IOPB₂、IOPB₃引脚分别和与非门电路的IN_1A、IN_2A引脚连接；DSP芯片的正交编码脉冲单元QEP₁、QEP₂、QEP₃、QEP₄引脚分别与第一光电编码器、第二光电编码器的A、B输出端连接；DSP芯片的SCI模块与上位机连接，接受上位机发送的指令。

电机驱动芯片的V_OUT1A、V_OUT1B引脚分别与第一电机连接，电机驱动芯片的V_OUT2A、V_OUT2B引脚分别与第二电机连接。

电压比较器的IN_1B、IN_2B引脚分别与电机驱动芯片的CURRENT_A、CURRENT_B引脚连接；电压比较器的IN_1A、IN_2A引脚与电源的输出OUT₁、OUT₂连接，电压比较器的OUT₁、OUT₂引脚分别和与非门电路的IN_1B、IN_2B引脚连接；与非门电路的OUT₁、OUT₂引脚分别与电机驱动芯片的BRAKE_A、BRAKE_B引脚连接。

电机驱动芯片的CURRENT_A、CURRENT_B引脚与电压比较器的IN_1B、IN_2B引脚的连线上分别并联电阻R₁、R₂，电阻R₁、R₂的另一端接地。

由于采用上述技术方案，本发明采用DSP控制驱动一体化模块对两台微型直流电机进行驱动和控制。一台电机控制云台的水平旋转，另一台电机控制云台的俯仰旋转，从而实现了二自由度的运动要求。在机械部分中：光电编码器上的齿轮与相应的传动齿轮啮合，从而提高了光电编码器在光栅格数一定的情况下的检测精度；采用齿轮传动使得结构简单、加工方便、互换性好，故体积小、成本低。

在控制部分中，采用了以DSP芯片为核心的控制驱动一体化，使控制与驱动均在云台内完成；在控制结构上采用两组光电编码器作为速度和位置检测传感器，形成位置、速度闭环控制回路，通过光电编码器将电机旋转的角度和速度转变为脉冲信号，反馈回DSP的正交编码脉冲单元，DSP收集反馈回的脉冲信号并与上位机给定的位置和速度的期望值相比较，以实现双闭环，从而可以在水平360度和俯仰180度范围内精确地进行速度控制和定位。并可与上位机实时通讯，实现自主运动。

DSP芯片的事件管理器模块中有专用脉宽调制(PWM)通道，可发送PWM信号。DSP芯片通过串口与上位机通信，由上位机发出指令使DSP芯片产生PWM波控制电机的转速，改变PWM波的占空比即可实现电机无级调速。通过电机驱动芯片采集电机堵转电流，转化为电压信号，并通过电压比较器反馈回电机驱动芯片以实现过流保护。在开机时，通过比较云台断电时的位置与零位置的位置差，由DSP发出指令使云台运动到零位置。因此具有开机自检复位和过流保护功能、防止误操作及工作过程中的意外损坏。

本装置可广泛用于摄像、监控、跟踪等领域，也可用于机械臂等类似需要转动或摇动的负载驱动装置。

附图说明：

图1是本发明的一种结构示意图；

图2是图1中控制驱动一体化电路板14的示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的描述：

本实施例将机械和控制驱动两部分基于一体，机械部分如图1所示：将大齿轮18固定安装在底座17的中心处，大齿轮18分别与第一小齿轮16、光电编码器小齿轮20啮合，旋转底板15通过底座轴承19同心装在底座17上。旋转底板15的上平面一侧竖直安装有第一电机12，第一电机12的输出轴穿过旋转底板15安装有第一小齿轮16，第一光电编码器1的轴穿过旋转底板15安装有光电编码器小齿轮20。

旋转底板15的两侧固定有左、右支架6、13，俯仰轴10通过轴承5安装在左、右支架6、13的中部，俯仰轴10的左侧安装有俯仰齿轮4，俯仰齿轮4分别与第二小齿轮3、光电编码器齿轮7啮合，第二小齿轮3安装在第二电机2的输出轴上，第二电机2水平固定在左支架6的下方，第二光电编码器9水平固定在左支架6的上方，第二光电编码器9安装有光电编码器齿轮7，俯仰轴10的两端穿过外壳8固定装有安装板11，DSP控制驱动一体化电路板14设置在右支架13的一侧；外壳8固定安装在旋转底板15的外缘。

其中：旋转底板15的水平旋转范围为-175～+175度，旋转速度为2～8转/分；安装板11的旋转范围是-75～+75度，俯仰速度为2～6转/分。

第一电机12、第二电机2均为带减速器的微型直流电机；第二小齿轮3与俯仰齿轮4、第一小齿轮16与大齿轮18的传动比均为3∶1；大齿轮18与光电编码器小齿轮20、俯仰齿轮4与光电编码器齿轮7的传动比均为1∶2。

控制驱动部分如图2所示：将电机的控制与驱动部分合为一体，组成控制驱动一体化的电路板14。该电路板14包括DSP芯片21、电机驱动芯片22、电压比较器23、与非门电路26。上位机25与DSP芯片21连接，DSP芯片21与电机驱动芯片22连接，电机驱动芯片22分别与第一电机12、第二电机2、电压比较器23、与非门电路26连接，电压比较器23和与非门电路26连接。第一光电编码器1、第二光电编码器9的输出引线分别与DSP芯片21的正交编码脉冲单元连接，电源24与电压比较器23连接。

DSP芯片21的PWM₁、PWM₂、IOPB₀、IOPB₁引脚分别与电机驱动芯片22的PWM_A、PWM_B、DIRECTION_A、DIRECTION_B引脚连接；DSP芯片21的IOPB₂、IOPB₃引脚分别和与非门电路26的IN_1A、IN_2A引脚连接；DSP芯片21的正交编码脉冲单元QEP₁、QEP₂、QEP₃、QEP₄引脚分别与第一光电编码器1、第二光电编码器9的A、B输出端连接；DSP芯片21的SCI模块与上位机25连接，接受上位机25发送的指令。

电机驱动芯片22的V_OUT1A、V_OUT1B引脚分别与第一电机12连接，电机驱动芯片22的V_OUT2A、V_OUT2B引脚分别与第二电机2连接。

电压比较器23的IN_1B、IN_2B引脚分别与电机驱动芯片22的CURRENT_A、CURRENT_B引脚连接；电压比较器23的IN_1A、IN_2A引脚与电源24的输出OUT₁、

OUT₂连接，电压比较器23的OUT₁、OUT₂引脚分别和与非门电路26的IN_1B、IN_2B引脚连接；与非门电路26的OUT₁、OUT₂引脚分别与电机驱动芯片22的BRAKE_A、BRAKE_B引脚连接。

电机驱动芯片22的CURRENT_A、CURRENT_B引脚与电压比较器23的IN_1B、IN_2B引脚的连线上分别并联电阻R₁、R₂，电阻R₁、R₂的另一端接地。

本实施例采用DSP控制驱动一体化模块对两个微型直流电机进行驱动和控制。第一电机12控制云台的水平旋转，第二电机2控制云台的俯仰旋转，从而实现了二自由度的运动要求。在机械部分中：第一、二光电编码器1、9上的齿轮与相应的传动齿轮啮合，从而提高了光电编码器在光栅格数一定的情况下的检测精度；采用齿轮传动使得结构简单、加工方便、互换性好，高度为130毫米，比目前常见的两自由度云台矮20毫米至30毫米。因此，体积小，成本低。

在控制部分中，数字信号处理芯片采用TI公司的TMS320LF2407芯片21，DSP芯片21具有很高的数据交换效率，可保证高实时性。本实施例运用了DSP芯片21中的事件管理器模块来驱动和控制第一、二电机12、2；实现了以DSP芯片21为核心的控制驱动一体化，使控制与驱动均在云台内完成；在控制结构上采用第一、二光电编码器1、9作为速度和位置检测传感器，形成位置、速度闭环控制回路，通过第一、二光电编码器1、9将第一、二电机12、2旋转的角度和速度转变为脉冲信号，反馈回DSP芯片21的正交编码脉冲单元，DSP芯片21收集了反馈回的脉冲信号并与上位机给定的位置和速度的期望值相比较，以实现双闭环，从而可以达到在二自由度运动过程中的精确定位要求。并可与上位机实时通讯，实现自主运动。

DSP芯片21的事件管理器模块中有专用脉宽调制(PWM)通道，可发送PWM信号。DSP芯片21通过串口与上位机通信，由上位机发出指令使DSP芯片21产生PWM控制电机的转速，改变PWM波的占空比即可实现电机无级调速。通过电机驱动芯片22采集电机堵转电流，转化为电压信号，并通过电压比较器23反馈回电机驱动芯片22以实现过流保护。在开机时，通过比较云台断电时的位置与零位置的位置差，由DSP芯片21发出指令使云台运动到零位置。因此具有开机自检复位和过流保护功能、防止误操作及工作过程中意外损坏。

Claims

1、一种基于DSP的控制驱动一体化二自由度云台，其特征在于将大齿轮(18)固定安装在底座(17)的中心处，大齿轮(18)分别与第一小齿轮(16)、光电编码器小齿轮(20)啮合，旋转底板(15)通过底座轴承(19)同心装在底座(17)上；旋转底板(15)的上平面一侧竖直安装有第一电机(12)，第一电机(12)的输出轴穿过旋转底板(15)安装有第一小齿轮(16)，第一光电编码器(1)的轴穿过旋转底板(15)安装有光电编码器小齿轮(20)；旋转底板(15)的两侧固定有左、右支架(6、13)，俯仰轴(10)通过轴承(5)安装在左、右支架(6、13)的中部，俯仰轴(10)的左侧安装有俯仰齿轮(4)，俯仰齿轮(4)分别与第二小齿轮(3)、光电编码器齿轮(7)啮合，第二小齿轮(3)安装在第二电机(2)的输出轴上，第二电机(2)水平固定在左支架(6)的下方，第二光电编码器(9)水平固定在左支架(6)的上方，第二光电编码器(9)安装有光电编码器齿轮(7)，俯仰轴(10)的两端穿过外壳(8)固定装有安装板(11)，DSP控制驱动一体化电路板(14)设置在右支架(13)的一侧；外壳(8)固定安装在旋转底板(15)的外缘；

DSP控制驱动一体化电路板(14)包括DSP芯片(21)、电机驱动芯片(22)、电压比较器(23)、与非门电路(26)；上位机(25)与DSP芯片(21)连接；DSP芯片(21)与电机驱动芯片(22)连接；电机驱动芯片(22)分别与第一电机(12)、第二电机(2)、电压比较器(23)、与非门电路(26)连接；电压比较器(23)和与非门电路(26)连接；第一光电编码器(1)、第二光电编码器(9)的输出引线分别与DSP芯片(21)的正交编码脉冲单元连接，电源(24)与电压比较器(23)连接。

2、根据权利要求1所述的基于DSP的控制驱动一体化二自由度云台，其特征在于所述的旋转底板(15)的水平旋转范围为-180～+180度，旋转速度为2～10转/分；安装板(11)的旋转范围是-90～+90度，俯仰速度为2～8转/分。

3、根据权利要求1所述的基于DSP的控制驱动一体化二自由度云台，其特征在于所述的第一电机(12)、第二电机(2)均为带减速器的微型直流电机；第二小齿轮(3)与俯仰齿轮(4)、第一小齿轮(16)与大齿轮(18)的传动比均为2～4∶1；大齿轮(18)与光电编码器小齿轮(20)、俯仰齿轮(4)与光电编码器齿轮(7)的传动比均为1∶2～4。

4、根据权利要求1所述的基于DSP的控制驱动一体化二自由度云台，其特征在于所述DSP芯片(21)的PWM₁、PWM₂、IOPB₀、IOPB₁引脚分别与电机驱动芯片(22)的PWM_A、PWM_B、DIRECTION_A、DIRECTION_B引脚连接；DSP芯片(21)的IOPB₂、IOPB₃引脚分别和与非门电路(26)的IN_1A、IN_2A引脚连接；DSP芯片(21)的正交编码脉冲单元QEP₁、QEP₂、QEP₃、QEP₄引脚分别与第一光电编码器(1)、第二光电编码器(9)的A、B输出端连接；DSP芯片(21)的SCI模块与上位机(25)连接。

5、根据权利要求1所述的基于DSP的控制驱动一体化二自由度云台，其特征在于所述的电机驱动芯片(22)的V_OUT1A、V_OUT1B引脚分别与第一电机(12)连接，电机驱动芯片(22)的V_OUT2A、V_OUT2B引脚分别与第二电机(2)连接。

6、根据权利要求1所述的基于DSP的控制驱动一体化二自由度云台，其特征在于所述的电压比较器(23)的IN_1B、IN_2B引脚分别与电机驱动芯片(22)的CURRENT_A、CURRENT_B引脚连接；电压比较器(23)的IN_1A、IN_2A引脚与电源(24)的输出OUT₁、OUT₂连接，电压比较器(23)的OUT₁、OUT₂引脚分别和与非门电路(26)的IN_1B、IN_2B引脚连接；与非门电路(26)的OUT₁、OUT₂引脚分别与电机驱动芯片(22)的BRAKE_A、BRAKE_B引脚连接。

7、根据权利要求1、4、5、6项中任一项所述的基于DSP的控制驱动一体化二自由度云台，其特征在于在所述的电机驱动芯片(22)的CURRENT_A、CURRENT_B引脚与电压比较器(23)的IN_1B、IN_2B引脚的连线上分别并联电阻R₁、R₂，电阻R₁、R₂的另一端接地。