一种云台步进机构的高精度闭环控制系统的制作方法

本实用新型涉及云台控制技术领域，具体涉及一种云台步进机构的高精度闭环控制系统。

背景技术：

云台是安装、固定摄像机的支撑设备，它分为固定和电动云台两种。固定云台适用于监视范围不大的情况，在固定云台上安装好摄像机后可调整摄像机的水平和俯仰的角度，达到最好的工作姿态后只要锁定调整机构就可以了。电动云台适用于对大范围进行扫描监视，它可以扩大摄像机的监视范围。电动云台高速姿态是由两台执行电动机来实现，电动机接受来自控制器的信号精确地运行定位。在控制信号的作用下，云台上的摄像机既可自动扫描监视区域，也可在监控中心值班人员的操纵下跟踪监视对象。

广播级云台通常用于承载各类摄像机，通过控制器对云台水平与俯仰轴方向的转动控制以达到对摄像机运动姿态的控制，所以控制器的操控方式就成为了摄像机控制效果的决定性因素之一。

现有技术中在对云台位置的控制系统中，目前主要由以下三种方法：一、使用步进电机进行开环控制；二、使用步进伺服电机进行闭环控制；三、使用伺服电机电机进行闭环控制。通常使用步进电机进行开环控制时，步进电机驱动器驱动电机转动时有可能丢步，导致步进电机的输出位置不准；使用步进伺服控制时，步进电机转轴到输出转轴之间的传动结构间隙会导致最终的位置不准确；使用伺服电机做闭环控制时，反应速度快，位置准确，但是价格昂贵。鉴于此，如何提供一种云台步进机构的高精度闭环控制系统是本领域技术人员需要解决的技术难题。

技术实现要素：

本实用新型针对现有技术中云台控制不够精准的难题，而提供一种云台步进机构的高精度闭环控制系统。

本实用新型为解决上述技术问题，采用以下技术方案来实现：

设计一种云台步进机构的高精度闭环控制系统，包括云台本体、安装底座以及固定支架，所述云台本体的下端通过竖直设置的第一转轴与安装底座的上端转动连接，所述云台本体的一侧通过水平设置的第二转轴与固定支架的一侧转动连接；所述云台本体内设有用于驱动第一转轴转动的第一步进电机和用于驱动第二转轴转动的第二步进电机,所述的第一步进电机与第一步进电机驱动器连接，其由第一步进电机驱动器驱动运行；所述的第二步进电机与第二步进电机驱动器连接，其由第二步进电机驱动器连接；所述的第一步进电机驱动器和第二步进电机驱动器与FPGA芯片连接,所述的FPGA芯片还与第一编码器、第二编码器以及单片机连接；所述的单片机用于输入控制第一步进电机和第二步进电机工作的指令信息；所述的第一编码器通过皮带与第一步进电机连接，所述的第二编码器通过皮带与第二步进电机连接，所述的第一编码器用于根据第一步进电机的转动情况来计算云台本体在水平方向上移动的位置信息，所述的第二编码器用于根据第二步进电机的转动情况来计算云台本体在垂直方向上移动的位置信息；所述的FPGA芯片包括PID控制器，其用于根据第一编码器的位置信息以及单片机输入的指令信息来触发第一步进电机驱动器工作，或用于根据第二编码器的位置信息以及单片机输入的指令信息来触发第二步进电机驱动器工作。

优选的，所述的第一编码器和第二编码器均为绝对式编码器。

优选的，所述的第一步进电机与第一转轴之间以及第二步进电机与第二转轴之间均设有减速机构。

优选的，所述的第一步进电机与第二步进电机、第一步进电机驱动器与第二步进电机驱动器结构相同。

本实用新型采用上述结构后，有益效果在于：

(1)本实用新型的位置信息输入信息通过单片机传递至到FPGA芯片，FPGA芯片在接收到目标位置数据的同时采集第一编码器或第二编码器的位置信息，并通过第一编码器或第二编码器中的PID控制器解算出对应第一步进电机或第二步进电机的速度，由于第一步进电机驱动器和第二步进电机驱动器只能接收位置信息，FPGA芯片把解算出来的速度信息根据时间换算为位置信息，最终驱动第一步进电机或第二步进电机转动实现末端位置的精确控制；

(2)本实用新型对步进电机进行闭环控制，有利于实现输出端位置的平滑精确控制；另外，利用编码器实时检测感知绝对位置，提高了系统的精确度。

附图说明

下面结合附图中的实施例对本实用新型作进一步的详细说明，但并不构成对本实用新型的任何限制。

图1是本实用新型云台的立体结构示意图；

图2是本实用新型云台步进机构的高精度闭环控制系统的结构示意图。

图中：云台本体1、安装底座2、固定支架3、第一步进电机4、第二步进电机5、第一步进电机驱动器6、第二步进电机驱动器7、FPGA芯片8、第一编码器9、第二编码器10、单片机11。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。

参阅附图1-附图2所示，本实用新型的一种云台步进机构的高精度闭环控制系统，包括云台本体1、安装底座2以及固定支架3，所述云台本体1的下端通过竖直设置的第一转轴与安装底座2的上端转动连接，所述云台本体1的一侧通过水平设置的第二转轴与固定支架3的一侧转动连接；所述云台本体1内设有用于驱动第一转轴转动的第一步进电机4和用于驱动第二转轴转动的第二步进电机5,所述的第一步进电机4与第一步进电机驱动器6连接，其由第一步进电机驱动器6驱动运行；所述的第二步进电机5与第二步进电机驱动器7连接，其由第二步进电机驱动器7连接；所述的第一步进电机驱动器6和第二步进电机驱动器7与FPGA芯片8连接,所述的FPGA芯片8还与第一编码器9、第二编码器10以及单片机11连接；所述的单片机11用于输入控制第一步进电机4和第二步进电机5工作的指令信息；所述的第一编码器9通过皮带与第一步进电机4连接，所述的第二编码器10通过皮带与第二步进电机5连接，所述的第一编码器9用于根据第一步进电机4的转动情况来计算云台本体1在水平方向上移动的位置信息，所述的第二编码器10用于根据第二步进电机5的转动情况来计算云台本体1在垂直方向上移动的位置信息；所述的FPGA芯片8包括PID控制器，其用于根据第一编码器9的位置信息以及单片机11输入的指令信息来触发第一步进电机驱动器6工作，或用于根据第二编码器10的位置信息以及单片机11输入的指令信息来触发第二步进电机驱动器7工作。

所述的第一编码器9和第二编码器10均为绝对式编码器，所述的第一步进电机4与第一转轴之间以及第二步进电机5与第二转轴之间均设有减速机构，所述的第一步进电机4与第二步进电机5、第一步进电机驱动器6与第二步进电机驱动器7结构相同。

工作原理：本实用新型的位置信息输入信息通过单片机11传递至到FPGA芯片8，FPGA芯片8在接收到目标位置数据的同时采集第一编码器9或第二编码器10的位置信息，并通过第一编码器9或第二编码器10中的PID控制器解算出对应第一步进电机4或第二步进电机5的速度，由于第一步进电机驱动器6和第二步进电机驱动器7只能接收位置信息，FPGA芯片8把解算出来的速度信息根据时间换算为位置信息，最终驱动第一步进电机4或第二步进电机5转动实现末端位置的精确控制；本实用新型对步进电机进行闭环控制，有利于实现输出端位置的平滑精确控制。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。