李建：基于单片机的云台控制系统设计
使操作功能下降，而且云台电机、齿轮也会因为长时间超负荷而损坏。云台的实际载重量可以从3Kg到50Kg不等，同一系列的云台产品，侧装时的承载能力要大于顶撞，高速型的承载能力要小于普通型。
（四）云台使用环境指标
室内使用的云台的要求不高，云台的使用环境的各项指标主要针对室外使用的云台。其中包括使用环境温度限制、湿度限制、防尘防水的IP防护等级。一般室外环境使用的云台温度范围为-20℃至+60℃，如果使用在更低温度环境下，可以在云台内部加装温控型加热器。湿度指标一般为95%不凝结。防尘防水的IP等级应达到IP66以上。IP 防护等级的高低反映了设备的密封程度，主要指防尘和液体的侵入。另外在实际使用中应根据环境选择使用相适合的材料和防护层，如铁质外壳不适合使用在潮湿和具有腐蚀性的环境中。
2.1.3云台电机
电机是电动云台中非常重要的元器件之一，选用是否正确将直接影响电动云台的性能与价格。
全方位电动云台需要两个不同方位的旋转自由度，所以都具有两个相互独立的传动机构。电动云台的传动机构主要是由蜗轮、蜗杆和齿轮组合而成，根据电机转速，确定总传动比，然后依据传动装置的总体布置，将传动比合理地分配到各级传动中去。合理分配传动比是设计传动机构的一个重要环节，它将直接影响到传动装置的外形尺寸、重量、润滑条件和减速齿轮的中心距等。各级传动比分配的一般原则是:使各级传动的承载能力接近相等;使减速机构能获得最小的外形尺寸、重量;使传动零件的圆周速度降低。另外，选用微型变速箱的齿轮传动，也可以减小体积、提高效率、减小噪声。
确定电动云台的最大负载，然后选用合适的电机。尽可能选用低压电机。由于全方位电动云台是由垂直和水平两部分独立的传动机构组的，而垂直方向的传动机构是主要承载机构，所以在设计时是以垂直方向的传动机构作为主要承载机构来设计，而水平方向的传动机构只受水平磨擦转矩和电缆拖带等所产生的转矩影响。根据设计经验，水平方向所选用的电机功率一般为垂直方向的一半。
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2.2 步进电机
在工业控制系统中，通常要控制机械部件的平移和转动，这些机械部件的驱动大多都采用交流电机、直流电机、和步进电机。在中三种电机中，步进电机最适合数字控制。本设计中单片机作为数字控制器件，因此在本系统中毫无疑问的选择了步进电机。如何运用步进电机无疑是单片机云台控制系统中的重点。因此需要详细的了解步进电机。
2.2.1步进电机的工作原理
步进电机是数字控制电机，它将电脉冲信号转变成角位移，实质上是一种数字/角度转换器。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度。它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的。步进电机的转子为多级分布，转子上嵌有多相星型连接的控制绕组，由专门电源输入脉冲信号，输出的角位移是断续的，所以又称为脉冲电动机。
步进电机分三种：永磁式（PM） ，反应式（VR）和混合式（HB）。永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度；反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大；混合式步进是混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。
步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由输入脉冲的频率决定。
该步进电机为一四相步进电机，采用单极性直流电源供电。只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动。图2-1是四个开关信号控制四相反应式步进电机工作原理示意图。
开始时，开关SB接通电源，SA、SC、SD断开，B相磁极和转子0、3号齿对齐，同时，转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。当开关SC接通电源，SB、SA、SD断开时，由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用，使转子转动，1、4号齿和C相绕组
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的磁极对齐。而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿，2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。依次类推，A、B、C、D四相绕组轮流供电，则转子会沿着A、B、C、D方向转动。
图2-1 四相步进电机步进示意图
四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。
单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图2-2 a、b、c所示：
a. 单四拍 b. 双四拍 c八拍
图2-2步进电机工作时序波形图
步进电机的驱动电路依据控制信号工作，控制信号由单片机产生，完成以下三种功能： ◆控制换相顺序
通电换向这一过程称为脉冲分配。对于四相步进电机而言，其各相通电顺序如图2.4所示，通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A、B、C、D、A 、
B C、D相的通断。
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◆控制步进电机的转向
如果按给定方向的正序换相通电，步进电机正转；如果按反序通电换相，步进电机反转。
◆控制步进电机的速度
如果给步进电机发送一个控制脉冲，它就转一步，再发送一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转的越快。调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。
2.2.2 步进电机主要技术指标
选择步进电机需要根据实际需要和技术指标综合考虑。步进电机只有在满足额定的工作条件下，才可以正常工作。主要技术指标有：
（1）工作电压：即步进电机工作所需要的工作电压。
绕组电流：只有绕组有电流时，才能建立磁场，且不同相上电流的有无决定步进电机的步进。不同的步进电机，其额定绕组电流也不一样。功率小的有几百毫安，功率大的以安培计。步进电机工作时，应使其工作在此电流下。
（2）转动力矩：转动力矩是指在额定条件下（电压、电流），步进电机的轴上所能产生的转矩，单位通常为牛顿每厘米(N/cm)。转动力矩会随转动的升高而下降，当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势，频率越高反向电动势越大，在它的作用下，电机随频率或速度的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。
（3）保持转矩：保持转矩是指步进电机通电但是没有转动时，定子锁住转子的力矩。通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩岁转速增大而不断衰减，输出功率也随速度增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机的重要参数。
（4）步进角：步进电机每走一步实际上就是转子转一个角度。不同的电机，每步转动的角度不一样。小的有0.5度每步、1.5度每步，大的到15度每步。在应用中可根据用户的需求选用。
（5）精度：一般步进电机的进度为步进角的3～5%，且不积累。采用细分技术可以提高电机的运转精度。细分技术实质上是一种电子阻尼技术，起主要目的
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是减弱或消除步进电机的低频振动，提高电机的运转精度只是细分技术的一个附带功能。
（6）工作频率：即步进电机每秒钟走的额定步数。由于步进电机的走步实际上是转子的机械运动，不可能很快。例如，有的工作频率为500Hz，就意味着每走一步需要2ms。目前频率高的可达10KHz。但是总的来说步进电机的速度是十分慢的。
（7）空载启动频率：即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢失或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要是电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速到高速）。
（8）激励方式：以四相电机为例，驱动它的激励方式有1相、2相、1-2相三种。1相激励方式是指每一时刻4相中只有一相导通，步进电机以此工作方式工作时，温升较高，电源功率功耗小，但是当速度较高时容易产生失步；2相激励方式是指每一时刻4相中都有两相导通，然后按4相的顺序循环；1-2相激励方式是指驱动时一相导通和两相导通交替出现的。
（9）外表温度：步进电机温度过高会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点。
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