CN107678122A - 一种调焦机构安全限位控制方法 - Google Patents

Abstract

一种调焦机构安全限位控制方法，在调焦机构至少一个行程区间的左右极限位置各安装1个限位开关，全部限位开关的输出端短接后引出一路“限位状态反馈”信号，用于驱动控制系统处理器的GPIO管脚和双路光耦芯片的一路信号输入管脚；控制系统处理器接收“限位状态反馈”信号，并输出“软件上电使能”信号；“限位状态反馈”信号和“软件上电使能”信号均输入到双路光耦芯片的信号输入端，通过双路光耦芯片隔离输出后通过电阻下拉到功率电源参考地，短接后输出“驱动电路上电使能”信号；当“驱动电路上电使能”信号为高电平时，为“电机驱动电路”提供供电；反之，切断供电，实现对调焦机构的安全限位。

Description

一种调焦机构安全限位控制方法

技术领域

该发明属于相机调焦机构控制领域，涉及一种调焦机构安全限位控制方法，用于对调焦机构的行程范围进行安全限位控制，当调焦机构超出预设行程范围并到达极限位置时，切断电机供电，防止发生机械碰撞。

背景技术

在工业控制领域限位开关在使用时一般安装在预定的位置并串联在电机控制回路中，当装于运动部件上的模块撞击限位开关时，限位开关的触点动作，实现控制电路的切换。

相比于常规的工业控制领域，相机调焦机构控制具有如下几个特点：

1、控制精度高，需要借助高精度零位标定方法和电机内置的编码器，并使用PID控制算法对调焦机构在行程区间内的绝对位置进行精密测量和控制，因此，调焦机构正常工作时不会触发限位开关；

2、调焦机构的机械尺寸一般要求严格，安装在调焦机构中的硬件控制电路应尽量简洁；

3、由于结构紧凑精密，调焦机构安装调试完成后便不能轻易拆卸，对控制电路可靠性要求很高，既要求电机正常控制回路简单可靠，又能在异常情况发生时杜绝机械碰撞，同时，故障发生后，应该能够方便的进行故障恢复；

4、调焦机构的运行情况不能被直接观察到，异常情况发生时需要通过其它途径对故障进行提示。

综上所述，相机调焦机构对安全限位电路的设计要求可以总结为：电路简单、效果可靠、故障提示清晰、故障恢复简单。因此传统的将限位开关串联在电机控制回路中的方法，并不适用于相机调焦机构。

发明内容

本发明的目的在于针对调焦机构限位开关的要求，提出一种电路简单、安全可靠且通用性好的调焦机构安全限位控制方法。

本发明的技术方案如下：

一种调焦机构安全限位控制方法，其特征在于：

(1)在调焦机构至少一个行程区间的左右极限位置各安装1个限位开关，并将全部限位开关的常闭触点悬空，常开触点连接控制系统电路的参考地；全部限位开关的输出端短接后引出一路“限位状态反馈”信号，该信号在系统控制电路中通过电阻上拉到控制系统电路的供电；此时，所有限位开关和上拉电阻构成“多路OC门线与”逻辑输出，即任意一个限位开关输出变为低电平时，“限位状态反馈”信号输出低电平，“限位状态反馈”信号用于驱动控制系统处理器的GPIO管脚和双路光耦芯片的一路信号输入管脚；

(2)控制系统处理器接收来自GPIO管脚的“限位状态反馈”信号，并通过另一个GPIO管脚输出“软件上电使能”信号；“软件上电使能”信号由控制系统处理器内部软件编程控制，并在芯片外部通过电阻下拉到控制系统电路的参考地；“限位状态反馈”信号和“软件上电使能”信号均输入到双路光耦芯片的信号输入端；

(3)双路光耦芯片的输入侧由控制系统电路的电源供电，输出侧由功率电源供电；通过双路光耦芯片将系统控制电路产生的两路逻辑信号：“限位状态反馈”信号和“软件上电使能”信号，隔离输出后通过电阻下拉到功率电源参考地，隔离后的“限位状态反馈”信号和“软件上电使能”信号短接后输出“驱动电路上电使能”信号；

(4)通过一片低压电源芯片，将功率电源输出的高压供电转换为低压逻辑供电，并提供给双路光耦芯片的输出侧；另外通过一片高压电源芯片，将功率电源输出的高压供电转换为电机驱动供电，并提供给“电机驱动电路”；高压电源芯片的使能管脚由“驱动电路上电使能”信号驱动，当“驱动电路上电使能”信号为高电平时，高压电源芯片被使能，为“电机驱动电路”提供供电；反之，当“驱动电路上电使能”信号为低电平时，高压电源芯片被禁止，“电机驱动电路”供电被切断，实现对调焦机构的安全限位。

本发明的设计方案仅需要占用控制系统处理器的2个I/O和简单的分立电路，无需对电机控制回路进行任何改动，即可完成系统中所有行程区间的安全限位控制。相比于将限位开关串联在电机控制回路中的传统方案，本发明具有如下几个优点：

1、不影响控制回路，尽量减少了对正常控制回路可靠性的影响；

2、全部由分立硬件电路组成，不涉及软件代码处理，实时性好，确保了异常情况发生时能够可靠动作；

3、采用断电方式处理超出安全限位事件，可靠地防止了机械碰撞的发生；

4、采用“OC门线与”方式获取限位开关触发状态，因此对限位开关数量和位置均没有限定，采用电机驱动电源使能控制实现安全限位，对电机种类不作要求，通用性好；

5、在执行复位或重新上电操作后即可将系统恢复到初始化状态，故障状态的恢复过程简单可控；

6、在调焦机构部分仅由小型限位开关和简单连线组成，复杂度低，节省电路布局空间和成本；

7、可以实时监测限位开关触发状态，当故障发生时，控制系统可以快速给出故障指示。

附图说明

图1是本发明的安全限位控制电路原理图。

具体实施方式

本发明的实现实现方法如下：

在调焦机构至少一个行程区间的左右极限位置各安装1个限位开关，并将全部限位开关(至少两个)的常闭触点悬空，常开触点连接控制系统电路的参考地。全部限位开关的输出端短接后引出一路“限位状态反馈”信号，该信号在系统控制电路中通过电阻上拉到控制系统电路的供电。此时，所有限位开关和上拉电阻构成的“多路OC门线与”逻辑输出，即任意一个限位开关输出变为低电平时，“限位状态反馈”信号输出低电平。“限位状态反馈”信号用于驱动控制系统处理器的GPIO管脚和双路光耦芯片的一路信号输入管脚。

控制系统处理器接收来自GPIO管脚的“限位状态反馈”信号，并通过另一个GPIO管脚输出“软件上电使能”信号。“软件上电使能”信号由控制系统处理器内部软件编程控制，并在芯片外部通过电阻下拉到控制系统电路的参考地。“限位状态反馈”信号和“软件上电使能”信号均输入到双路光耦芯片的信号输入端。

双路光耦芯片的输入侧(A侧)由控制系统电路的电源供电，输出侧(B侧)由功率电源供电。双路光耦芯片将系统控制电路产生的两路逻辑信号：“限位状态反馈”信号和“软件上电使能”信号，隔离输出后通过电阻下拉到功率电源参考地。隔离后的“限位状态反馈”信号和“软件上电使能”信号短接后输出“驱动电路上电使能”信号。因此，“驱动电路上电使能”信号是由隔离后的“限位状态反馈”信号和“软件上电使能”信号“线或”逻辑后的输出结果。

该方案需要使用一片低压电源芯片，将功率电源输出的高压供电转换为低压逻辑供电，并提供给双路光耦芯片的输出侧。该电源芯片不作使能控制。该方案还需要使用一片高压电源芯片，将功率电源输出的高压供电转换为电机驱动供电，并提供给“电机驱动电路”。高压电源电源芯片的使能管脚由“驱动电路上电使能”信号驱动。当“驱动电路上电使能”信号为高电平时，高压电源芯片被使能，为“电机驱动电路”提供供电；反之，当“驱动电路上电使能”信号为低电平时，高压电源芯片被禁止，“电机驱动电路”供电被切断。

综上所述，“驱动电路上电使能”信号为安全限位控制电路的输出，该信号驱动高压电源电源芯片的使能管脚完成安全限位控制。当全部限位开关中的任意一个被触发时，“限位状态反馈”信号输出低电平，否则输出高电平。当“软件上电使能”信号输出低电平时，“驱动电路上电使能”信号的逻辑电平完全由限位开关控制，任意一个限位开关被触发时，“驱动电路上电使能”信号输出低电平。反之，当信号“软件上电使能”信号输出高电平时，“驱动电路上电使能”信号的逻辑电平完全不受限位开关控制，恒输出高电平。控制系统正常工作时，“软件上电使能”信号被编程为低电平，限位开关均为开路状态，“限位状态反馈”信号输出高电平，“电机驱动电路”供电正常，当系统工作异常导致任意一个限位开关被触发后，“限位状态反馈”信号输出变为低电平，“电机驱动电路”供电被切断，实现对调焦机构的安全限位。

以下通过一个具体实施例，结合附图，对上述方法进一步说明。

图1是本发明的安全限位控制电路原理图。图1中以2个独立行程区间的安全限位控制为例，K1～K4代表安装在相机调焦机构中的4个限位开关，每个行程区间的左右极限位置各安装1个。4个限位开关接法相同，常闭触点悬空，常开触点连接“GND_C”，即控制系统电路的参考地。K1～K4的输出端短接后引出一路信号“K_State_C”，该信号在系统控制电路中通过R1电阻上拉到“VCC_C”。因此，信号“K_State_C”是由4个限位开关和上拉电阻R1构成的“4路OC门线与”逻辑输出，并驱动U1的“GPIO_y”管脚和U2的“A2”管脚。U1为控制系统处理器，图中以DSP为例。DSP由“VCC_C”和“GND_C”为IO端口提供供电，接收来自“GPIO_y”管脚的“K_State_C”信号并通过“GPIO_x”管脚输出信号“Prg_En_C”。信号“Prg_En_C”由DSP内部软件编程控制，并在芯片外部通过电阻R2下拉到“GND_C”。信号“Prg_En_C”同“K_State_C”一起驱动“电机驱动电路供电电路”的使能。U2为双路光耦芯片，输入侧(A侧)由“VCC_C”和“GND_C”供电，输出侧(B侧)由“VCC_E”和“GND_P”供电，将“系统控制电路”产生的两路逻辑信号“K_State_C”和“Prg_En_C”隔离后传递到“电机驱动电路供电电路”，隔离后的2路信号用“K_State_E”和“Prg_En_E”表示。信号“K_State_E”和“Prg_En_E”分别通过电阻R3和R4下拉到“GND_P”，然后短接输出信号“Motor_En”。U2的输出侧等效为开关，因此信号“Motor_En”是由输入信号“K_State_E”和“Prg_En_E”进行“线或”逻辑后的输出结果。U3为电源芯片，将功率电源输出的“VCC_P”供电转换为“VCC_E”，并提供给U2的输出侧。U3的使能管脚“EN”直接连接“VCC_P”，不作使能控制。U4为电源芯片，将功率电源输出的“VCC_P”供电转换为“VCC_M”，并提供给“电机驱动电路”。U4的使能管脚“EN”由信号“Motor_En”驱动。当信号“Motor_En”为高电平时，U4芯片被使能，为“电机驱动电路”提供供电；反之，当信号“Motor_En”为低电平时，U4芯片被禁止，“电机驱动电路”供电被切断。

综上所述，信号“Motor_En”为安全限位控制电路的输出，该信号驱动U4的使能管脚“EN”完成安全限位控制。使用K1_S～K4_S分别表示限位开关K1～K4的逻辑输出，根据图1可知，限位开关被触发时输出为“1”，否则输出“0”。因此，信号“Motor_En”的逻辑表达式可以表示为：

Motor_En＝Prg_En_C+K_State_C

＝Prg_En_C+(K1_S·K2_S·K3_S·K4_S) 式1)

根据式1)，当4个限位开关中的任意一个被触发时，信号“K_State_C”输出“0”，否则输出“1”。当信号“Prg_En_C”输出“0”时，信号“Motor_En”的逻辑电平完全由限位开关控制，任意一个限位开关被触发时，信号“Motor_En”输出“0”。反之，当信号“Prg_En_C”输出“1”时，信号“Motor_En”的逻辑电平完全不受限位开关控制，恒输出“1”。控制系统正常工作时，“Prg_En_C”被编程为“0”，限位开关均为开路状态，信号“Motor_En”输出“1”，“电机驱动电路”供电正常，当系统工作异常导致任意一个限位开关被触发后，信号“Motor_En”输出变为“0”，“电机驱动电路”供电被切断，实现对调焦机构的安全限位。

图1所示安全限位控制电路的具体工作流程包括如下步骤：

1、DSP上电复位后，DSP软件执行硬件初始化操作，将“GPIO_x”管脚配置为输出端口，并将信号“Prg_En_C”赋值为“0”，将“GPIO_y”管脚配置为输入端口；

2、DSP软件执行系统初始化操作，检测信号“K_State_C”的逻辑状态，如果为“1”，直接执行第4步。如果为“0”，表示当前至少有1个限位开关处在触发状态，根据零位标定电路反馈的状态信息判断调焦机构在两个行程区间内的大概位置，进而确定可能被触发限位开关的位置(左边或右边)；

3、DSP软件将信号“Prg_En_C”赋值为“1”，根据第2步查询到的位置信息，控制调焦机构在两个行程区间内向远离可能被触发限位开关的方向运动，过程中持续轮询信号“K_State_C”的逻辑状态。当判断到“K_State_C”由“0”变“1”后，将信号“Prg_En_C”赋值为0”；

4、DSP软件执行零位标定操作，将调焦机构控制到系统初始化预设位置，系统初始化完成；

5、DSP软件接收来自上位机的调焦控制指令，完成调焦控制，控制过程中轮询信号“K_State_C”的逻辑状态。当系统工作发生异常，调焦机构运动到预设行程区间外，并导致至少1个限位开关被触发时，信号“K_State_C”由“1”变“0”。由于信号“Prg_En_C”已经在之前的步骤中赋值为“0”，此时信号“Motor_En”由“1”变“0”，“电机驱动电路”供电被切断，调焦机构停止运动，安全限位控制电路生效。同时，DSP软件轮询到信号“K_State_C”由“1”变“0”后，向上位机反馈调焦机构触发安全限位故障，终止所有控制进程，等待上位机的系统复位指令。

6、上位机接收到DSP软件反馈的故障报告后，发送系统复位指令，DSP接收到该指令后，返回到步骤2。

Claims (1)

1.一种调焦机构安全限位控制方法，其特征在于：

(1)在调焦机构至少一个行程区间的左右极限位置各安装1个限位开关，并将全部限位开关的常闭触点悬空，常开触点连接控制系统电路的参考地；全部限位开关的输出端短接后引出一路“限位状态反馈”信号，该信号在系统控制电路中通过电阻上拉到控制系统电路的供电；此时，所有限位开关和上拉电阻构成“多路OC门线与”逻辑输出，即任意一个限位开关输出变为低电平时，“限位状态反馈”信号输出低电平，“限位状态反馈”信号用于驱动控制系统处理器的GPIO管脚和双路光耦芯片的一路信号输入管脚；

(2)控制系统处理器接收来自GPIO管脚的“限位状态反馈”信号，并通过另一个GPIO管脚输出“软件上电使能”信号；“软件上电使能”信号由控制系统处理器内部软件编程控制，并在芯片外部通过电阻下拉到控制系统电路的参考地；“限位状态反馈”信号和“软件上电使能”信号均输入到双路光耦芯片的信号输入端；

(3)双路光耦芯片的输入侧由控制系统电路的电源供电，输出侧由功率电源供电；通过双路光耦芯片将系统控制电路产生的两路逻辑信号：“限位状态反馈”信号和“软件上电使能”信号，隔离输出后通过电阻下拉到功率电源参考地，隔离后的“限位状态反馈”信号和“软件上电使能”信号短接后输出“驱动电路上电使能”信号；

(4)通过一片低压电源芯片，将功率电源输出的高压供电转换为低压逻辑供电，并提供给双路光耦芯片的输出侧；另外通过一片高压电源芯片，将功率电源输出的高压供电转换为电机驱动供电，并提供给“电机驱动电路”；高压电源芯片的使能管脚由“驱动电路上电使能”信号驱动，当“驱动电路上电使能”信号为高电平时，高压电源芯片被使能，为“电机驱动电路”提供供电；反之，当“驱动电路上电使能”信号为低电平时，高压电源芯片被禁止，“电机驱动电路”供电被切断，实现对调焦机构的安全限位。