CN113411021A - 一种云台的控制系统以及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种云台的控制系统以及控制方法，包括四线二相步进电机、至少一个定时器以及控制器，所述电机包括定子和转子，所述定子具有相互正交的A端和B端，所述控制器能够控制该A端和B端的输入电压VA和VB，所述输入电压VA和VB为正弦波信号从而实现所述电机的转动，所述控制器通过所述定时器输出脉冲宽度调制信号，从而实现VA和VB正弦波信号的高微步的划分。本发明提供了一套云台的电机控制系统，在结构精度满足条件的前提下，能实现高细分的转动，满足各种远距离视野变化的使用场景，同时优化电机转动的噪声，保持电机的静音转动，使得产品在使用过程中有较为良好的用户体验。

Description

一种云台的控制系统以及控制方法
技术领域
本发明涉及步进电机控制领域，尤其涉及一种云台的控制系统以及控制方法。
背景技术
单片机控制步进电机根据各种实际应用场景的不同需要提供不同的解决方案，本发明主要针对在步进电机控制云台的方案，提供位置信息，高精度转动的解决方案。高精度细分的场景可在配合高倍率镜头时，能进行更好的视野变动。同时也适用其他远距离的功能操作，如激光测距的场景等。目前已有的技术基本已满足云台方位变换的基本需求，但是根据实际实现的方案的不同存在高细分便占用太多MCU资源，导致电机波形失真，转动噪声大易失步，低细分便导致转动分辨率不足，无法精确控制较远处的视野变化。而目前市场的发展对云台的控制有了更多的需求，原先简单的方案必须与时俱进，因此急需提供更高精度的方案来满足市场需求，在控制成本的同时，实现在低性能MCU上的高精度转动。
发明内容
基于背景技术存在的问题，本发明提出了一种云台的控制方法。
本发明采用了如下方案：
一种云台的控制系统，包括电机、至少一个定时器以及控制器，所述电机包括定子和转子，所述定子具有相互正交的A端和B端，所述控制器能够控制该A端和B端的输入电压VA和VB，所述输入电压VA和VB为正弦波信号从而实现所述电机的转动，所述控制器通过所述定时器输出脉冲宽度调制信号，从而实现VA和VB正弦波信号的高微步的划分。
优选地，所述控制器通过定时器输出PWM波形，不同占空比代表不同的电压值，将一个完整周期正弦波对应细分多个微步，并根据最大幅值的定义计算对应的电压值，取1/4周期的电压值制表存储。
优选地，所述至少一个定时器包括第一定时器、第二定时器和第三定时器，所述控制器通过第一定时器输出PWM波形，所述第二定时器通过设置输入电压VA和VB的相位差并调制输入电压VA和VB的相位实现电机转动的控制，所述第三定时器来监听目标速度的变化，进行速度值的定时更新。
一种如上所述的云台的控制系统的控制方法，包括如下步骤：
(1)所述云台的控制系统包括第一定时器、第二定时器和第三定时器，所述控制器通过第一定时器输出PWM波形，不同占空比代表不同的电压值，将一个完整周期正弦波对应细分多个微步，并根据最大幅值的定义计算对应的电压值，取1/4周期的电压值制表存储；
(2)开启第二定时器，通过设置输入电压VA和VB的相位差并调制输入电压VA和VB的相位实现电机转动的控制；
(3)同步更新第二定时器周期，保持电机均匀变速，根据实际调试确定各段速度需要的微步细分数，所述第二定时器的触发周期计算方式为：
Tout＝((arr+1)(psc+1))/Tclk，所述第二定时器的触发周期的单位为ms，所述arr为第二定时器重载周期，所述psc为第二定时器预分频，所述Tclk为第二定时器时钟，所述第二定时器的周期换算速度计算方式为：
S＝1000/(Tout*微步细分数)*步距角*传动比例，所述第二定时器的周期换算速度的单位为°/s，所述步距角为电机转动一周期变化的角度，所述传动比例为电机传动到云台的换算比例；
(4)确定速度加减速曲线，当启动时当目标速度大于启动速度时通过该速度加减速曲线的加速曲线进行加速，当停止时当前速度大于启动速度时，通过该速度加减速曲线的减曲线进行减速；
(5)每次转动或急停时，根据目标速度的不同，按步骤(4)的方法动态更新速度表的值；
(6)通过第三定时器来监听目标速度的变化，进行速度值的定时更新，而第二定时器中每次半波周期执行完时，根据第三定时器刷新的实时速度进行定时器周期的更新，从而实现电机速度的变化。
优选地，所述步骤(2)中调制输入电压VA和VB的相位包括如下步骤：
A、对VA进行正向查表，对VB进行反向查表；其中，VB与VA的具有90°的相位差；
B、通过第二定时器设置查表周期，当经过一次查表周期后，反向VB的电压方向，同时VA开始反向查表,VB开始正向查表；
C、经过第二次查表周期后，反向VA的电压方向，同时VA开始正向查表， VB开始反向查表；
D、经过第三次查表周期后，反向VB的电压方向，同时VA开始反向查表， VB开始正向查表；
E、当VA执行完一次完整的正弦波时，此刻电机转动一个步距角，返回步骤A进行下一个步距角的转动。
优选地，所述步骤(4)中速度加减速曲线根据以下公式生成：
Figure RE-GDA0003151191170000031
其中starget为当前速度，sdst为目标速度,ssrc为启动速度，a为坡度参数， a越大，坡度越陡，b为速度变化的次数/2。
优选地，所述步骤(6)包括如下步骤：
1)当目标速度大于启动速度时，根据目标速度更新速度表，配置第三定时器的目标速度，并启动第二定时器；当目标速度小于启动速度时，配置第二定时器的周期并配置电机微步细分，并启动第二定时器；
2)查表刷新电压刷出更新电机相位，根据微步更新记步值；
3)判断是否一次查表结束，若是则获取第三定时器更新的当前速度，配置第二定时器的周期并配置电机微步细分，最后判断是否转动到目标位置，若否则直接判断是否转动到目标位置；
4)若直接转到目标位置则结束，若否则重复步骤2)。
优选地，所述控制器为A3988驱动芯片，所述电机的步距角为0.9°。
通过采用上述技术方案，本发明可以取得以下技术效果：本发明提供了一套云台的电机控制系统，在结构精度满足条件的前提下，能实现高细分的转动，满足各种远距离视野变化的使用场景，同时优化电机转动的噪声，保持电机的静音转动，使得产品在使用过程中有较为良好的用户体验。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是本发明电机的基本结构的示意图。
图2是图1中A端的电压值VA的变化引起A端的相电流变化的示意图。
图3是图1中B端的电压值VB的变化引起B端的相电流变化的示意图。
图4是VA和VB相对于时间进行变化的示意图1。
图5是VA和VB相对于时间进行变化的示意图2。
图6是VA和VB相对于时间进行变化的示意图3。
图7是VA和VB相对于时间进行变化的示意图4。
图8是VA和VB相对于时间进行变化的示意图5。
图9是反映启动速度与目标速度的关系的示意图。
图10是本发明的流程图。
图中：1-定子；2-转子。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
实施例
以下仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于下述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。
本发明的实例基于stm32芯片开发，通过A3988驱动芯片(四路DMOS 全桥电机驱动芯片)控制四线二相步进电机，本实例使用的电机的步距角为0.9°。参考说明书附图1，为本发明电机的基本结构，通过A端和B端电流的变化产生不同的磁场从而带动转子2转动。本发明中的云台的控制系统包括四线二相步进电机、至少一个定时器以及控制器，所述电机包括定子1和转子2，所述定子具有相互正交的A端和B端，A3988驱动芯片可通过输入的两个电压值VA和VB的变化实现对A&B相电流的变化，通过说明书附图2-3所示的电压值的变化可实现A&B相电流的循环变化。
所述控制器能够控制该A端和B端的输入电压VA和VB，所述输入电压 VA和VB为正弦波信号从而实现所述电机的转动，所述控制器通过所述定时器输出脉冲宽度调制信号，从而实现VA和VB正弦波信号的高微步的划分，由此可得出只要VA和VB通过正弦波的形式变化即可实现电机的转动，故可制表将正弦波细分成2048微步实现高微步的划分。而实际VA和VB的变化分为大小和方向，故最终电机控制采用的方案如下：
(1)所述云台的控制系统包括第一定时器、第二定时器和第三定时器，所述控制器通过第一定时器输出PWM波形，不同占空比可代表不同的电压值，将一个完整周期正弦波对应细分多个微步(如2048微步)，根据最大幅值的定义计算对应的电压值，取1/4周期的值制表存储，此处取1/4表主要可节约mcu的存储空间的使用，且使得根据步骤(2)的实现相比取全周期的效率更高。
(2)开启第二定时器，通过设置输入电压VA和VB的相位差并调制输入电压VA和VB的相位实现电机转动的控制，参考说明书附图4-8，所述步骤 (2)中调制输入电压VA和VB的相位包括如下步骤：
A、对VA进行正向查表，对VB进行反向查表；其中，VB与VA的具有90°的相位差；
B、通过第二定时器设置查表周期，当经过一次查表周期后，反向VB的电压方向，同时VA开始反向查表,VB开始正向查表；
C、经过第二次查表周期后，反向VA的电压方向，同时VA开始正向查表， VB开始反向查表；
D、经过第三次查表周期后，反向VB的电压方向，同时VA开始反向查表， VB开始正向查表；
E、当VA执行完一次完整的正弦波时，此刻电机转动一个步距角，返回步骤A进行下一个步距角的转动。
(3)同步更新第二定时器周期，保持电机均匀变速，根据实际调试确定各段速度需要的微步细分数，所述第二定时器的触发周期计算方式为：
Tout＝((arr+1)(psc+1))/Tclk，所述第二定时器的触发周期的单位为ms，所述arr为第二定时器重载周期，所述psc为第二定时器预分频，所述Tclk为第二定时器时钟，所述第二定时器的周期换算速度计算方式为：
S＝1000/(Tout*微步细分数)*步距角*传动比例，所述第二定时器的周期换算速度的单位为°/s，所述步距角为电机转动一周期变化的角度，所述传动比例为电机传动到云台的换算比例。
(4)确定速度加减速曲线，每个电机都有一个空载启动频率，以大于该值的速度直接启动会导致电机丢步，故以该频率为基准再留出一定的余量确定一个电机的启动速度。启动时，目标速度大于启动速度时，则需经过一个加速过程才能保证不丢步。停止时，当前速度大于启动速度时，由于转动的惯性无法直接停止，需经历一个减速过程到启动速度后才可停止；参考说明书附图9，所述步骤(4)中速度加减速曲线根据以下公式生成：
Figure RE-GDA0003151191170000081
其中starget为当前速度，sdst为目标速度,ssrc为启动速度，a为坡度参数， a越大，坡度越陡，b为速度变化的次数/2。
(5)每次转动或急停时，根据目标速度的不同，按步骤(4)的方法动态更新速度表的值；
(6)通过第三定时器来监听目标速度的变化，进行速度值的定时更新，而第二定时器中每次半波周期执行完时，根据第三定时器刷新的实时速度进行定时器周期的更新，从而实现电机速度的变化。
参考说明书附图10，所述步骤(6)包括如下步骤：
1)当目标速度大于启动速度时，根据目标速度更新速度表，配置第三定时器的目标速度，并启动第二定时器；当目标速度小于启动速度时，配置第二定时器的周期并配置电机微步细分，并启动第二定时器；
2)查表刷新电压刷出更新电机相位，根据微步更新记步值；
3)判断是否一次查表结束，若是则获取第三定时器更新的当前速度，配置第二定时器的周期并配置电机微步细分，最后判断是否转动到目标位置，若否则直接判断是否转动到目标位置；
4)若直接转到目标位置则结束，若否则返回步骤2)。
本发明提供了一种高效率的高细分电机控制方案，主要在通过电机控制输出电压的周期性变化，在通过三个定时器的合理调度配合下，高效执行了电机的高微步转动。同时通过动态生成加速曲线的方案，解决了电机转动时存在的噪声以及丢步等问题，让客户操作能有更好的体验感，也避免了固定加速曲线下，速度变化的不均匀导致的电机小概率丢步的隐患，适合在对精度要求比较高的场景下的电机控制解决方案。

Claims (8)

1.一种云台的控制系统，其特征在于，包括电机、至少一个定时器以及控制器，所述电机包括定子和转子，所述定子具有相互正交的A端和B端，所述控制器能够控制该A端和B端的输入电压VA和VB，所述输入电压VA和VB为正弦波信号从而实现所述电机的转动，所述控制器通过所述定时器输出脉冲宽度调制信号，从而实现VA和VB正弦波信号的高微步的划分。
2.一种如权利要求1所述的云台的控制系统，其特征在于，所述控制器通过定时器输出PWM波形，不同占空比代表不同的电压值，将一个完整周期正弦波对应细分多个微步，并根据最大幅值的定义计算对应的电压值，取1/4周期的电压值制表存储。
3.一种如权利要求2所述的云台的控制系统，其特征在于，所述至少一个定时器包括第一定时器、第二定时器和第三定时器，所述控制器通过第一定时器输出PWM波形，所述第二定时器通过设置输入电压VA和VB的相位差并调制输入电压VA和VB的相位实现电机转动的控制，所述第三定时器来监听目标速度的变化，进行速度值的定时更新。
4.一种如权利要求1所述的云台的控制系统，其特征在于，所述控制器为A3988驱动芯片，所述电机的步距角为0.9°。
5.一种如权利要求3所述的云台的控制系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)控制器通过第一定时器输出PWM波形，不同占空比代表不同的电压值，将一个完整周期正弦波对应细分多个微步，并根据最大幅值的定义计算对应的电压值，取1/4周期的电压值制表存储；
(2)开启第二定时器，通过设置输入电压VA和VB的相位差并调制输入电压VA和VB的相位实现电机转动的控制；
(3)同步更新第二定时器周期，保持电机均匀变速，根据实际调试确定各段速度需要的微步细分数，所述第二定时器的触发周期计算方式为：Tout＝((arr+1)(psc+1))/Tclk，所述第二定时器的触发周期的单位为ms，所述arr为第二定时器重载周期，所述psc为第二定时器预分频，所述Tclk为第二定时器时钟，所述第二定时器的周期换算速度计算方式为：
S＝1000/(Tout*微步细分数)*步距角*传动比例，所述第二定时器的周期换算速度的单位为°/s，所述步距角为电机转动一周期变化的角度，所述传动比例为电机传动到云台的换算比例；
(4)确定速度加减速曲线，当启动时当目标速度大于启动速度时通过该速度加减速曲线的加速曲线进行加速，当停止时当前速度大于启动速度时，通过该速度加减速曲线的减曲线进行减速；
(5)每次转动或急停时，根据目标速度的不同，按步骤(4)的方法动态更新速度表的值；
(6)通过第三定时器来监听目标速度的变化，进行速度值的定时更新，而第二定时器中每次半波周期执行完时，根据第三定时器刷新的实时速度进行定时器周期的更新，从而实现电机速度的变化。
6.一种如权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述步骤(2)中调制输入电压VA和VB的相位包括如下步骤：
A、对VA进行正向查表，对VB进行反向查表；其中，VB与VA的具有90°的相位差；
B、通过第二定时器设置查表周期，当经过一次查表周期后，反向VB的电压方向，同时VA开始反向查表,VB开始正向查表；
C、经过第二次查表周期后，反向VA的电压方向，同时VA开始正向查表，VB开始反向查表；
D、经过第三次查表周期后，反向VB的电压方向，同时VA开始反向查表，VB开始正向查表；
E、当VA执行完一次完整的正弦波时，此刻电机转动一个步距角，返回步骤A进行下一个步距角的转动。
7.一种如权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述步骤(4)中速度加减速曲线根据以下公式生成：
Figure RE-FDA0003151191160000031
其中starget为当前速度，sdst为目标速度,ssrc为启动速度，a为坡度参数，a越大，坡度越陡，b为速度变化的次数/2。
8.一种如权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述步骤(6)包括如下步骤：
1)当目标速度大于启动速度时，根据目标速度更新速度表，配置第三定时器的目标速度，并启动第二定时器；当目标速度小于启动速度时，配置第二定时器的周期并配置电机微步细分，并启动第二定时器；
2)查表刷新电压刷出更新电机相位，根据微步更新记步值；
3)判断是否一次查表结束，若是则获取第三定时器更新的当前速度，配置第二定时器的周期并配置电机微步细分，最后判断是否转动到目标位置，若否则直接判断是否转动到目标位置；
4)若直接转到目标位置则结束，若否则返回步骤2)。
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