云台电机驱动模块以及云台系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了云台驱动模块和云台系统。云台驱动模块包括：云台主控、复合驱动单元以及三组电机驱动反馈单元；复合驱动单元分别与各电机驱动器相连，用于为各电机驱动器提供驱动控制信号；电机驱动器，用于根据驱动控制信号，产生电机驱动信号，以驱动电机工作；驱动信号反馈电路的一端与电机驱动器相连，另一端与云台主控相连，用于将电机驱动器的工作状态反馈至云台主控；云台主控，分别与复合驱动单元以及驱动信号反馈电路相连，用于控制复合驱动单元产生驱动控制信号，以及接收驱动信号反馈电路反馈回的信号。本实用新型实施例优化了现有的三轴云台驱动方式，减小了布板面积，实现了小型化、轻量化的云台设计目标。
【专利说明】
云台电机驱动模块以及云台系统
技术领域
[0001]本实用新型实施例涉及电路技术，尤其涉及一种云台电机驱动模块以及云台系统。
【背景技术】
[0002]通常，云台是用于安装摄像机、照相机等成像装置的支撑工作台。将成像装置固定在云台上之后，通过对云台的调整，可以实现对成像装置的镜头的调整，进而可以实现对目标物的正确定位并进行拍摄的目的。典型的，将云台搭载在飞行器、轮船等运载体上，可实现大范围扫描、拍摄或者监控。目前，应用于飞行器上的云台主要为三轴云台。三轴云台简单的理解就是通过对x、Y和Z三个轴向的控制，使得成像装置在视频拍摄中成像平稳。
[0003]在图1中示出了现有技术中的三轴云台的驱动装置的结构图。如图1所示，三轴云台主要通过三个电机驱动板驱动三个电机驱动器，进而控制三个方向上的电机进行转动。其中，每一个电机驱动板上均需要使用一颗控制芯片(典型的，单片机)，各控制芯片上联云台主控，接收云台主控的指令，输出控制信号至对应的电机驱动器。同时，采样电路采样电机驱动器的输出信号，送入电机驱动板上的控制芯片，使得控制芯片根据采集电路的信号采集结果，对电机驱动器进行进一步的控制。
[0004]现有技术的主要缺陷在于:由于采用三个电机驱动板对三个电机驱动器进行分布式控制，各个电机都需要自带电机驱动板，导致云台体积无法做小，云台重量无法进一步做轻。使得小型化、轻量化的云台设计出现瓶颈环节。
【实用新型内容】
[0005]有鉴于此，本实用新型实施例提供一种云台电机驱动模块以及云台系统，以优化现有的三轴云台驱动方式，减小布板面积，实现小型化、轻量化的云台设计目标。
[0006]第一方面，本实用新型实施例提供了一种云台电机驱动模块，包括，云台主控、复合驱动单元以及三组电机驱动反馈单元，其中，所述电机驱动反馈单元包括电机驱动器以及驱动信号反馈电路；
[0007]所述复合驱动单元分别与各组电机驱动反馈单元中的所述电机驱动器相连，用于为各所述电机驱动器提供驱动控制信号；
[0008]所述电机驱动器，用于根据所述驱动控制信号，产生电机驱动信号，以驱动电机工作；
[0009]所述驱动信号反馈电路的一端与电机驱动器相连，另一端与所述云台主控相连，用于将电机驱动器的工作状态反馈至所述云台主控；
[0010]所述云台主控，分别与所述复合驱动单元以及所述驱动信号反馈电路相连，用于控制所述复合驱动单元产生驱动控制信号，以及根据所述驱动信号反馈电路反馈回的信号进行闭环电机驱动控制。
[0011]第二方面，本实用新型实施例还提供了一种云台系统，包括:本实用新型实施例所述的云台电机驱动模块、与所述云台电机驱动模块中的各所述电机驱动器分别相连的三个电机，以及一端与所述电机相连，另一端与所述云台电机驱动模块中的所述云台主控相连的三个磁编码器。
[0012]本实用新型实施例通过将现有技术的三轴云台驱动方式中所使用的三个电机驱动板集成至同一复合驱动单元中，实现了将分布式的电机驱动控制优化为集中式的电机驱动控制，在减少了电机驱动板的使用数量，减少了布板面积，节约了电路成本的同时，实现小型化、轻量化的云台设计目标，提高了整个云台系统的可靠性。
【附图说明】
[0013]图1是现有技术的一种三轴云台的驱动装置的结构图；
[0014]图2是本实用新型第一实施例的一种云台电机驱动模块的结构示意图；
[0015]图3是本实用新型第一实施例的一种驱动信号反馈电路的结构示意图；
[0016]图4是本实用新型第一实施例的一种采样子电路的实际电路图；
[0017]图5是本实用新型第一实施例的一种放大子电路的实际电路图；
[0018]图6是本实用新型第二实施例的一种云台系统的结构图；
[0019]图7是本实用新型第二实施例的一种云台系统的局部器件连接关系图；
[0020]图8是本实用新型第二实施例的一种具体应用场景下的云台系统的器件连接关系图。
【具体实施方式】
[0021]为了使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本实用新型具体实施例作进一步的详细描述。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部内容。
[0022]第一实施例
[0023]图2是本实用新型第一实施例的一种云台电机驱动模块的结构示意图。如图2所示，所述云台电机驱动模块包括:
[0024]云台主控11、复合驱动单元12以及三组电机驱动反馈单元，S卩:第一电机驱动反馈单元13、第二电机驱动反馈单元14以及第三电机驱动反馈单元15。其中，所述电机驱动反馈单元包括电机驱动器以及驱动信号反馈电路，图2中仅示出了第一电机驱动反馈单元13包括第一电机驱动器131以及第一驱动信号反馈电路132。相应的，第二电机驱动反馈单元14包括第二电机驱动器以及第二驱动信号反馈电路，第三电机驱动反馈单元15包括第三电机驱动器以及第三驱动信号反馈电路。
[0025]复合驱动单元12分别与第一电机驱动反馈单元13、第二电机驱动反馈单元14以及第三电机驱动反馈单元15中的电机驱动器相连，用于为所述电机驱动器提供驱动控制信号；
[0026]所述电机驱动器，用于根据所述驱动控制信号，产生电机驱动信号，以驱动电机工作；
[0027]所述驱动信号反馈电路的一端与电机驱动器相连，另一端与所述云台主控11相连，用于将电机驱动器的工作状态反馈至所述云台主控11;
[0028]所述云台主控11，分别与所述复合驱动单元12以及所述驱动信号反馈电路相连，用于控制所述复合驱动单元产生驱动控制信号，以及接收所述驱动信号反馈电路反馈回的信号。
[0029]其中，在图2中仅示出了第一电机驱动反馈单元13与云台主控11之间的结构连接关系，可以理解的是，第二电机驱动反馈单元14、第三电机驱动反馈单元15与云台主控11之间的结构连接关系，与第一电机驱动反馈单元13与云台主控11之间的结构连接关系相同。
[0030]通过与图1进行比较可知，在本实施例中，使用了一个复合驱动单元12，代替了现有技术中的三个电机驱动板，减少了电机驱动板的使用数量，减少了布板面积，节约了电路成本。
[0031]同时，现有的电机驱动板为了使得电机驱动器驱动电机正常工作，每一个电机驱动板均需要产生3路PWM(Pulse Width Modulat1n，脉宽调制)信号作为驱动控制信号，进而使得电机驱动器控制电机转动。
[0032]因此，为了使得复合驱动单元12能够同时兼顾三个电机驱动板的功能，在本实施例的一个优选的实施方式中，所述复合驱动单元12具体可以包括:集中控制芯片;所述集中控制芯片，用于产生9路PWM信号作为所述驱动控制信号，提供给所述三组电机驱动反馈单元;其中，所述集中控制芯片的每3路PffM信号的输出端与一个电机驱动器的3个驱动控制信号的输入端相连，以使一个电机驱动器产生3路电机驱动信号，其中，所述3路电机驱动信号用于控制一个电机工作状态。
[0033]其中，所述集中控制芯片可以为专用的多路CTM产生芯片，例如，MBI5030芯片，也可以为MCU(Mi croprocessor Control Uni t，微控制器)芯片或者FPGA(Fi eId-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)芯片，本实施例对此并不进行限制。
[0034]优选的，复合驱动单元12与各组电机驱动反馈单元中的各电机驱动器可以通过FPC(Flexible Printed Circuit，柔性线路板)软线相连，以进一步减小布板面积。
[0035]如前所述，由于复合驱动单元12代替了现有技术中的三个电机驱动板，实现了对三个电机驱动器的集中控制。因此，在电路设计时，该复合驱动单元12可以独立于所述三个电机驱动器配置，优选的，该复合驱动单元12可以集成于云台主控11中，例如，与云台主控11配置于同一块电路板中，另外，为了尽量减少对原有云台系统的电路改造，所述复合驱动单元还可以和所述云台主控11配置于不同的电路板中，两者通过FPC软板相连，本实施例对此并不进行限制。
[0036]本实用新型实施例通过将现有技术的三轴云台驱动方式中所使用的三块电机驱动板集成至同一复合驱动单元中，实现了将分布式的电机驱动控制优化为集中式的电机驱动控制，在减少了电机驱动板的使用数量，减少了布板面积，节约了电路成本的同时，实现小型化、轻量化的云台设计目标，提高了云台系统的可靠性。
[0037]由于各组电机驱动反馈单元的结构均相同，为了后文叙述方便，在本实用新型各实施例中，仅以一组电机驱动反馈单元为例进行详细介绍。
[0038]如图3所示，所述驱动信号反馈电路可以包括，采样子电路31以及放大子电路32，其中:
[0039]采样子电路31，与所述电机驱动器相连，用于采集电机驱动器的3路电机驱动信号输出端的回流电压；
[0040]放大子电路32，一端与所述采样子电路31相连，另一端与所述云台主控相连，用于将所述采样子电路31采集的回流电压进行放大，并将放大结果反馈至所述云台主控。
[0041]在本实施例中，为了实现实时的闭环控制，云台主控需要获知电机驱动器所输出的3路电机驱动信号的实时值。通过采样子电路31以及放大子电路32的共同配合，可以实现将与所述电机驱动器的3路电机驱动信号对应的3路回流电压进行取样、放大，并最终反馈至所述云台主控。
[0042]在本实施例的一个优选的实施方式中，可以通过采样电阻构成采样子电路31，通过放大器构成放大子电路32。
[0043]在图4中示出了一种所述采样子电路31的实际电路图，如图4所示，所述采样子电路31具体可以包括:第一采样电阻Rl、第二采样电阻R2、第三采样电阻R3、第一电容C17、第二电容C13以及第三电容C18，其中:
[0044]第一采样电阻Rl的第一端与所述电机驱动器的第一保护地PGNDl端以及第一电容C17的第一端相连，第一采样电阻Rl的第二端与第一电容C17的第二端以及公共接地端相连；
[0045]第二采样电阻R2的第一端与所述电机驱动器的第二保护地PGND2端以及第二电容C13的第一端相连，第二采样电阻R2的第二端与第二电容C13的第二端以及公共接地端相连；
[0046]第三采样电阻R3的第一端与所述电机驱动器的第三保护地PGND3端以及第三电容C18的第一端相连，第三采样电阻R3的第二端与第三电容C18的第二端以及公共接地端相连。
[0047]优选的，选取第一采样电阻R1、第二采样电阻R2以及第三采样电阻R3的阻值为0.1Ω，选取第一电容C17、第二电容C13以及第三电容C18的容值为InF。
[0048]在本优选实施方式中，所述电机驱动器使用的是市面上常用的电机驱动芯片，其中，在电机驱动芯片的第一保护地PGNDl端、第二保护地PGND2端以及第三保护地PGND3端输出的信号即为与该电机驱动芯片的3路电机驱动信号对应的3路回流电压信号。通过在上述第一保护地PGNDI端、第二保护地PGND2端以及第三保护地PGND3端中连接采样电阻，即可在采样电阻的两端获得与回流电压信号对应的压差值，也即:通过将第一电阻R1、第二电阻R2以及第三电阻R3两端分别接入放大子电路中，即:如图4所示，将Currentl_lP、Currentl_lN两端，Current 1_2P、Current 1_2N两端，以及Current 1_3P、Current 1_3N两端分别接入一个放大子电路中，即得到云台主控所需的反馈信号。
[0049]需要说明的是，由于电机驱动芯片的3路电机驱动信号对应的3路回流电压信号可以构成三角形，理论上说，云台主控仅需获取2路回流电压的放大信号，即可根据余弦定理计算得到第3路回流电压信号的放大信号。
[0050]相应的，所述放大子电路32具体可以包括，第一放大器以及第二放大器，其中:
[0051 ] 所述第一放大器的第一输入端与所述第一米样电阻Rl的第一端(Currentl_lP端)相连，所述第一放大器的第二输入端与所述第一采样电阻Rl的第二端(CurrentlJN端)相连，所述第一放大器的输出端与所述云台主控的第一模数转换输入端相连；
[0052]所述第二放大器的第一输入端与所述第二采样电阻R2的第一端(CUrrentl_2P端)相连，所述第二放大器的第二输入端与所述第二采样电阻R2的第二端(Currentl_2N端)相连，所述第二放大器的输出端与所述云台主控的第二模数转换输入端相连。
[0053]在实际应用中，所述第一放大电路以及第二放大器可以通过双运算放大器芯片以及匹配网络实现;所述匹配网络与所述双运算放大器芯片的指定管脚相连，用于配置所述双运算放大器芯片的所述第一放大器以及所述第二放大器的放大倍数;其中，所述匹配网络包括至少两个电阻以及至少两个电容。
[0054]其中，在图5中示出了一种放大子电路的实际电路图。如图5所示，所述第一放大电路以及所述第二放大器通过双运算放大器芯片0PA2374实现。其中，通过C23、R14以及C27、R25共同构成的匹配网络，可以实现所述第一放大器的放大倍数为5倍;通过C24、R13以及C28、R27共同构成的匹配网络，可以实现所述第二放大器的放大倍数为5倍；
[0055]综上，通过上述采样子电路以及放大子电路的共同配合，在一个电机驱动器输出的3路电机驱动信号驱动电机正常工作后，通过采样电阻上形成的压差获取该电机驱动器的回流电压信号，放大子电路通过检测采样电阻上的压差，然后经过5倍放大后送入所述云台主控进行ADC(Analog-to_Digital Converter，模拟转数字)采样，在所述云台主控中即可折算出电机的驱动电流以及3路电机驱动信号的相位差，从而实现电机的实时闭环控制。
[0056]第二实施例
[0057]图6是本实用新型第二实施例的一种云台系统的结构图，如图6所示，所述云台系统包括:本实用新型各实施例所述的云台电机驱动模块61、与所述云台电机驱动模块61中各所述电机驱动器分别相连的第一电机621，第二电机622、以及第三电机623、以及一端与电机相连，另一端与所述云台电机驱动模块61中的所述云台主控相连的第一磁编码器631、第二磁编码器632以及第三磁编码器633。
[0058]其中，为了叙述方便，仅以云台电机驱动模块61中的一组电机驱动反馈单元对一个电机的驱动过程为例(即:一个电机驱动器、一个驱动信号反馈电路、一个电机以及一个磁编码器)，介绍云台系统中各器件的连接关系，可以理解的是，三组电机驱动反馈单元的结构、与电机的连接关系以及工作原理完全一致。
[0059]在图7中示出了本实用新型第二实施例的一种云台系统的局部器件连接关系图。如图7所示，复合驱动单元产生的驱动控制信号(IN1-3)以及使能信号(EN1-3)输入电机驱动器后，电机驱动器会相应产生3路电机驱动信号(0UT1-3)驱动电机正常工作，同时，通过采样子电路对电机驱动器的PGND1、PGND2以及PGND3三端的回流电压信号的采样，以及放大子电路对其中两路回流电压信号的放大并最终反馈给所述云台主控，可以实现云台主控对电机的实时闭环控制。
[0060]同时，磁编码器再根据电机的工作状态(电机转动位置、轴位置等)确定电机的转速后，产生对应的编码信号并将编码信号通过I2C总线反馈至云台主控，云台主控可以根据电机的工作状态对复合驱动单元输出的驱动控制信号进行进一步的调整。
[0061]图8是本实用新型第二实施例的一种具体应用场景下的云台系统的器件连接关系图。
[0062]如图8所示，云台主控选取微控制芯片TMS320F28377作为处理器，磁编码器选取AS5600芯片实现。
[0063]在本实施例中，所述云台主控包括两种类型的上行通信接口，用于与飞控进行数据通信，即:串行接口和USB(Universal Serial Bus，通用串行总线)接口。
[0064]通过图8可知，通过将复合驱动单元独立于三个电机驱动器进行配置，并将复合驱动单元集成于云台系统中，可以使得整个云台系统的电源系统进一步简化，只需要两路电源进行供电；
[0065]此外，相对于现有技术中每一个电机驱动板上均需要使用一颗控制芯片，各控制芯片需要通过CAN(Controller Area Network,控制器局域网)线连接到云台主控，云台主控再通过CAN线上联飞控的设计，在本实施例中，复合驱动单元获取的反馈信号可以直接传输至其所集成的云台主控中，云台主控可以通过串行接口或者USB接口直接与飞控通信，收发双向，控制集中，且省去了CAN口的驱动，进一步节省了电路面积。
[0066]同时，由于减少了整个云台系统的连接线路，可以进一步提高整个云台系统的可靠性。
[0067]以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并不用于限制本实用新型，对于本领域技术人员而言，本实用新型可以有各种改动和变化。凡在本实用新型的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1.一种云台电机驱动模块，其特征在于，包括，云台主控、复合驱动单元以及三组电机驱动反馈单元，其中，所述电机驱动反馈单元包括电机驱动器以及驱动信号反馈电路； 所述复合驱动单元分别与各组电机驱动反馈单元中的所述电机驱动器相连，用于为各所述电机驱动器提供驱动控制信号； 所述电机驱动器，用于根据所述驱动控制信号，产生电机驱动信号，以驱动电机工作；所述驱动信号反馈电路的一端与电机驱动器相连，另一端与所述云台主控相连，用于将电机驱动器的工作状态反馈至所述云台主控； 所述云台主控，分别与所述复合驱动单元以及所述驱动信号反馈电路相连，用于控制所述复合驱动单元产生驱动控制信号，以及接收所述驱动信号反馈电路反馈回的信号。2.根据权利要求1所述的云台电机驱动模块，其特征在于，所述复合驱动单元具体包括:集中控制芯片； 所述集中控制芯片，用于产生9路脉宽调制信号作为所述驱动控制信号，提供给所述三组电机驱动反馈单元； 其中，所述集中控制芯片的每3路脉宽调制信号的输出端与一个电机驱动器的3个驱动控制信号的输入端相连，以使一个电机驱动器产生3路电机驱动信号。3.根据权利要求2所述的云台电机驱动模块，其特征在于，所述驱动信号反馈电路包括，采样子电路以及放大子电路，其中: 所述采样子电路，与所述电机驱动器相连，用于采集电机驱动器的3路电机驱动信号输出端的回流电压； 所述放大子电路，一端与所述采样子电路相连，另一端与所述云台主控相连，用于将所述采样子电路采集的回流电压进行放大，并将放大结果反馈至所述云台主控。4.根据权利要求3所述的云台电机驱动模块，其特征在于，所述采样子电路具体包括，第一采样电阻、第二采样电阻、第三采样电阻、第一电容、第二电容以及第三电容，其中: 第一采样电阻的第一端与所述电机驱动器的第一保护地端以及第一电容的第一端相连，第一采样电阻的第二端与第一电容的第二端以及公共接地端相连； 第二采样电阻的第一端与所述电机驱动器的第二保护地端以及第二电容的第一端相连，第二采样电阻的第二端与第二电容的第二端以及公共接地端相连； 第三采样电阻的第一端与所述电机驱动器的第三保护地端以及第三电容的第一端相连，第三采样电阻的第二端与第三电容的第二端以及公共接地端相连。5.根据权利要求4所述的云台电机驱动模块，其特征在于，所述放大子电路具体包括，第一放大器以及第二放大器，其中: 所述第一放大器的第一输入端与所述第一采样电阻的第一端相连，所述第一放大器的第二输入端与所述第一采样电阻的第二端相连，所述第一放大器的输出端与所述云台主控的第一模数转换输入端相连； 所述第二放大器的第一输入端与所述第二采样电阻的第一端相连，所述第二放大器的第二输入端与所述第二采样电阻的第二端相连，所述第二放大器的输出端与所述云台主控的第二模数转换输入端相连。6.根据权利要求5所述的云台电机驱动模块，其特征在于，所述第一放大电路以及所述第二放大器通过双运算放大器芯片以及匹配网络实现； 所述匹配网络与所述双运算放大器芯片的指定管脚相连，用于配置所述双运算放大器芯片中的所述第一放大器以及所述第二放大器的放大倍数； 其中，所述匹配网络包括至少两个电阻以及至少两个电容。7.根据权利要求1所述的云台电机驱动模块，其特征在于，所述复合驱动单元与各组电机驱动反馈单元中的所述电机驱动器通过柔性线路板FPC软线相连。8.根据权利要求1所述的云台电机驱动模块，其特征在于，所述云台主控与所述复合驱动单元通过FPC软板相连。9.根据权利要求1所述的云台电机驱动模块，其特征在于，所述云台主控包括至少一种上行通信接口； 其中，所述上行通信接口的类型包括:串行接口，和/或通用串行总线USB接口。10.—种云台系统，其特征在于，包括:如权利要求1-9任一项所述的云台电机驱动模块、与所述云台电机驱动模块中的各所述电机驱动器分别相连的三个电机，以及一端与所述电机相连，另一端与所述云台电机驱动模块中的所述云台主控相连的三个磁编码器。
【文档编号】G05D3/12GK205485634SQ201620010275
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年1月5日
【发明人】任献伟, 王超
【申请人】零度智控（北京）智能科技有限公司