手持云台的核心算法在于利用 FOC 电机方案,实现云台三个维度的精细调节。对于三路 BLDC,MCU 通过位置环,速度环,电流环实时监控电机的位置状态信息,以及电机的安全运作。以保证在身体走动,外界抖动过程中,在极低误差范围内,手机保持水平。因此,手持云台的控制框架:
运动控制:1-3 颗带有 FPU,浮点运算单元的 MCU,用于处理 FOC 算法,X,Y,Z 三个维度每路各一颗步进电机,每路步进电机需要 1 片三相半桥驱动芯片,或者 6 片 MOSFET 构成的 H 桥,控制电机转速以及换向。
反馈机制:在电机位置检测时,一般需要霍尔元件或者磁编码器实现电机位置检测,从而实时调整电机状态。为确保每路步进电机运行过程中的正常工作,还需要利用运放采集电机驱动芯片的电流,以确保电机正常运作,或是停滞,防止故障后损坏机器。
人机交互控制:目前市面上大致用三类,线控,BLE,WIFI,由于手机端标配 BLE,所以云台人机交互控制采用 BLE 方案居多,但是 BLE 数据带宽较低,不适合高清数据高速传输。因此也有部分厂家采用 WIFI,实现视频流的高速传输。
供电系统:云台的供电系统:一般为锂电池供电,一路升压的 24V 左右,为电机驱动芯片或者 MOSFET 提供电压,确保电机运作,一路升降压到 3.3V 或者 5V 给 MCU 供电。
话不多说,看图更直观。
图 1 云台框架
1、主控单元:
主要完成完成三个事情:
(1)电机控制。读取姿态传感器信号确定云台当前姿态,即采样定子电流电流,先后经过 Clark,Park 运算,PI 运算计算需要调整的参数,经过 Clark,Park 逆运算,转化输出为励磁电流,然后与转速环相比较,控制输出 PWM,从而控制电机,MCU 需要完成 FOC 速度控制模式算法,PID 算法。
(2)无线数据交互。MCU 需要通过蓝牙链接手机等平台摄像设备,控制拍照,完*机交互。
(3)协*制云台系统。
GD32F4XX 系列 MCU,200Mhz 主频,3MB Flash 256K Ram,同时自带硬件 FPU,对于需要较大 RAM 的处理 FOC,PID 算法的电机控制系统很具优势,同时具备电机控制的高级定时器,正交编码器接口,霍尔传感器接口,可以采集电机速度,位置,以及电流形成闭环控制,可编程 PWM 模式,可以灵活控制三相电机实现电机快速实现响应。
2、电机驱动
电机驱动:可以采用集成驱动 IC 或者分立 MOS 自行搭建集:
集成 IC:控制简单,集成度更高,IC 自带欠压保护,短路保护,死区控制,但是由于 MOS 内部集成,散热差,驱动能力一般。
分立驱动方案:集成度较低,分立 MOS 一般具有较大电流,散热好,驱动能力较好,MCU 一般在输出 PWM 时自带死区控制,但是在短路,过热,欠压等状态提醒略显不足
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