揭密高端无刷云台控制器的技术开发

雪花

所谓的高端无刷云台，是指能达到像素级稳定效果的，采用MAXON无刷电机、光电码盘、驱动器、控制器组合成的稳定云台。一直以来，某款云台被过分神话了，我们从技术的角度，来分析无刷云台的技术含量、成本，为大家DIY提供方向。 如下：本方案实现的5D2无刷直驱云台效果，5D2含17~40mm内变焦镜头重1.6kg，含云台一共3.2kg。 MAXON电机图 光电码盘图 首先，为了达到很高的稳定效果，采取闭环方式控制是必要的，因此，需要有一个高精度、高采样率的3轴陀螺（不包含加速度计）。和飞行需要较大的行程不同，我们采用了ADXRS623，最大行程150度/秒，每度每秒会产生12mV的电压，精度高。A/D方面，采用AD7606作为采样，16位的采样精度（相当于0.006度/秒的角速度分辨率），一般来说，做好陀螺的带宽配置、低通滤波，然后每秒5000次左右的采样就足够用了。 原理图如下： 而每一个无刷电机的控制，需要一个高精度的码盘和高刷新率的驱动器。目前市面没有专门针对云台而设计的小巧、精干的驱动器，因此驱动器的设计，是云台电子部分的一个重要部分。 目前结构小巧、精度较高的是CUIINC的码盘。码盘的结构如下：         码盘在一圈的转动中，能产生2048个脉冲。而A\B脉冲根据先后顺序，又可以提高精度到8192。即每一圈360度，可分为8192个刻度，于是位置测量精度为360/8192约=0.04度。         码盘的作用，不仅仅在于后期对各个轴角度的测量，而在于对电机换相的精确控制。对于高稳定性云台，根据陀螺的角速度反馈，需要给电机施加指定的恒定力矩，因此恒力矩的控制非常关键。在无刷控制方式中，我们通常采用SVPWM（空间电压矢量调制）技术，根据码盘确定的位置，对电机施加对应正交的换相信号，以保持指定的恒定力矩。 关于SVPWM的资料，百度上可以找到很多： http://wenku.baidu.com/view/f60180c0d5bbfd0a795673cf.html 以及dsPIC30F这个芯片的datasheet里，甚至有很详细的源代码。 因此，驱动器的方案就确定下来了，使用CPLD（复杂可编程逻辑器件），对码盘的脉冲进行精确计数处理，与ARM7处理器STM32进行通讯，并且将STM32计算好的脉冲PWM，输出到自举和MOS管器件。同时，还有数据通信的总线，也可以由CPLD轻松完成。 原理图如下： 关于数据通信的总线，此处单独说一下。在3轴云台中，包含IMU一个，驱动器三个，以及控制器（一般由YS-X4的主控板来完成），一共五个部件。每个控制周期中，IMU要将3个陀螺的角速度、温度信息传送到控制器，每个驱动器也要将当前的码盘位置传送到控制器（用于各轴角度计算、投影），控制器也要将每个驱动器要达到的目标转动力矩发送到各个驱动器。而总线为了避免占用更多滑环，只能使用时钟、信号两根线。为了到达很高的传输速率（完成所有传输为一个周期，每秒至少5000次），采用FPGA自己搭建状态机而实现总线是最合适的方案，可以大大优化有效时钟。从目前来看，自己搭建专用总线的传输速率和传输效率，高于CAN总线等通用总线。 最后，控制器由YS-X4主板即可完成（原理图、PCB即将提供下 载），用户在开源的EVA项目中，即可完成各个轴的投影、PID控制等实现。由于底层已经由FPGA和驱动器的CPLD完成了所有的基础工作，开发者只需要关注功能上的应用即可。 最后成本大家自己算，MAXON电机1000出头点，码盘小一百块，电子电路部分taobao可以查。 今天因为要出差，先简单写到这里。有空了继续深入剖析云台技术，欢迎交流！ 无刷云台IMU原理图.pdf 无刷云台驱动器上板原理图.pdf 无刷云台驱动器下板原理图.pdf