红外热像仪多电机控制电路

193 编辑：管理员来源：中国电子科技集团公司第十一研究所

2024-03-12 16:55:02

权利要求书： 1.一种红外热像仪多电机控制电路，其特征在于，包括：现场可编辑逻辑门阵列FPGA、成像电路、电机控制模块和温度传感器，其中，所述成像电路、所述电机控制模块和所述温度传感器均分别与所述FPGA连接；

所述成像电路与所述FPGA通过串口通信电路连接，所述FPGA通过所述串口通信电路接收所述成像电路的控制命令，并通过所述串口通信电路将所述FPGA接收到的状态信息实时反馈给所述成像电路，以使所述成像电路根据所述状态信息通过所述FPGA控制相应的电机完成调焦、切换视场，所述状态信息包括电机的状态信息以及所述温度传感器的温度信息；

所述电机控制模块为多个，且每个电机控制模块均对应一个电机，所述FPGA通过所述电机控制模块控制与相应的电机的工作，并接收电机的编码器信息；

所述FPGA接收所述温度传感器的温度信息，并根据所述温度信息以及编码器信息来控制电机控制模块，以对相应的电机的工作状态进行调整。

2.根据权利要求1所述的红外热像仪多电机控制电路，其特征在于，所述控制电路还包括：多个光电开关，所述光电开关设置在电机组件上；

所述光电开关监测电机的电机组件的位置信息，并将监测到的位置信息反馈给所述FPGA，以使所述FPGA控制与该光电开关对应的电机停转运动或反转；

所述电机包括直流电机和交流电机。

3.根据权利要求1所述的红外热像仪多电机控制电路，其特征在于，所述电机控制模块为三个，且每个电机控制模块均通过电机转接小板与所述FPGA连接。

4.根据权利要求3所述的红外热像仪多电机控制电路，其特征在于，三个所述电机控制模块并排设置在所述电机控制模块上。

5.根据权利要求3所述的红外热像仪多电机控制电路，其特征在于，所述电机转接小板采用双列直排可拆卸接插件形式。

6.根据权利要求5所述的红外热像仪多电机控制电路，其特征在于，所述电机转接小板的两排插针数量不同，以防反插。

7.根据权利要求1所述的红外热像仪多电机控制电路，其特征在于，按照功能需求，将所述电机的接口划分为电机驱动、对外接口、通用电机三个区域，并以预设间距采用分区域走线以规范线缆，并采用预设间距以规范线缆将各个区域进行连接。

8.根据权利要求7所述的红外热像仪多电机控制电路，其特征在于，所述预设间距为1.27mm。

9.根据权利要求1所述的红外热像仪多电机控制电路，其特征在于，所述FPGA上设有：CPU、节拍器和多个电机控制模块，其中，所述电机控制模块是与电机相一一对应的；

各个电机控制模块在CPU的控制和节拍器的同步下各自并行工作。

10.根据权利要求1所述的红外热像仪多电机控制电路，其特征在于，所述FPGA还用于接收所述成像电路控制信号进行连续变倍、视场定位、连续变倍曲线模式切换、温度补偿及曲线修正，并控制电机进行电复位及零位标定、故障检测及异常处理。

说明书：一种红外热像仪多电机控制电路技术领域[0001] 本实用新型涉及红外探测技术领域，特别是涉及一种红外热像仪多电机控制电路。

背景技术[0002] 近年来随着红外成像技术的发展，红外变焦距系统被广泛运用于监控、红外前视及目标识别等领域。与传统变焦系统相比，连续变焦距系统可以无突变的实现搜索和跟踪

视场两者之间的转换，在视场转换过程中能够保持像面位置稳定，能较好的实现快速精准

的追踪和测量目标等功能。

[0003] 在红外热像仪领域，硬件电路以PPGA为处理器的成像电路为核心，电机控制一般为以ARM、MCU为处理核心，需统一处理器类型以减少软硬件开发种类、节约开发资源。同时

电路为要实现连续变焦必须由多电机协同配合实现，而红外热像仪中的电机种类按电机的

功能划分，分为调焦电机和视场电机，一般由步进电机来实现调焦功能，直流电机来实现视

场切换功能，需要根据红外热像仪的需求来设计步进电机和直流电机的数量和位置，因此

如何同时满足运用多种电机的驱动控制电路是红外热像仪不可或缺的部分。

发明内容[0004] 本实用新型提供了一种红外热像仪多电机控制电路，以解决现有的驱动控制电路不能同时兼容多种电机的问题。

[0005] 本实用新型提供了一种红外热像仪多电机控制电路，包括：现场可编辑逻辑门阵列FPGA、成像电路、电机控制模块和温度传感器，其中，所述成像电路、所述电机控制模块和

所述温度传感器均分别与所述FPGA连接；

[0006] 所述成像电路与所述FPGA通过串口通信电路连接，所述FPGA通过所述串口通信电路接收所述成像电路的控制命令，并通过所述串口通信电路将所述FPGA接收到的状态信息

实时反馈给所述成像电路，以使所述成像电路根据所述状态信息通过所述FPGA控制相应的

电机完成调焦、切换视场，所述状态信息包括电机的状态信息以及所述温度传感器的温度

信息；

[0007] 所述电机控制模块为多个，且每个电机控制模块均对应一个电机，所述FPGA通过所述电机控制模块控制与相应的电机的工作，并接收电机的编码器信息；

[0008] 所述FPGA接收所述温度传感器的温度信息，并根据所述温度信息以及编码器信息来控制电机控制模块，以对相应的电机的工作状态进行调整。

[0009] 可选地，所述控制电路还包括：多个光电开关，所述光电开关设置在电机组件上；[0010] 所述光电开关监测电机的电机组件的位置信息，并将监测到的位置信息反馈给所述FPGA，以使所述FPGA控制与该光电开关对应的电机停转运动或反转；

[0011] 所述电机包括直流电机和交流电机。[0012] 可选地，所述电机控制模块为三个，且每个电机控制模块均通过电机转接小板与所述FPGA连接。

[0013] 可选地，三个所述电机控制模块并排设置在所述电机控制模块上。[0014] 可选地，所述电机转接小板采用双列直排可拆卸接插件形式。[0015] 可选地，所述电机转接小板的两排插针数量不同，以防反插。[0016] 可选地，按照功能需求，将所述电机接口划分为电机驱动、对外接口、通用电机三个区域，并以预设间距采用分区域走线以规范线缆。

[0017] 可选地，所述FPGA上设有：CPU、节拍器和多个电机控制模块，其中，所述电机控制模块是与电机相一一对应的；

[0018] 各个电机控制模块在CPU的控制和节拍器的同步下各自并行工作。[0019] 可选地，所述FPGA还用于接收所述成像电路控制信号进行连续变倍、视场定位、连续变倍曲线模式切换、温度补偿及曲线修正，并控制电机进行电复位及零位标定、故障检测

及异常处理。

[0020] 本实用新型有益效果如下：[0021] 本实用新型的电机控制电路运用于多型红外热像仪上，能够完成热像仪各电机的控制，该电路配合电机控制软件程序，与相关电机、机械结构、光电开关等协同配合和控制，

该设计能够完成时间精度达到0.01微秒级、位置精度达到0.01毫米级的多电机协同控制，

功能多样且采用统型电机接口，以便后续更新与维护，对连续变焦距系统及电机控制的研

究具有重要意义。

[0022] 上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本实用新型的上述和其它目的、特征

和优点能够更明显易懂，以下特举本实用新型的具体实施方式。

附图说明[0023] 通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本实用

新型的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

[0024] 图1是本实用新型实施例提供的控制电路硬件结构示意图；[0025] 图2是本实用新型实施例提供的多电机电路驱动模块的结构示意图；[0026] 图3是本实用新型实施例提供的模块化分立控制型软件架构图；[0027] 图4是现有的控制电路记录的目标位置与实际位置的曲线关系示意图；[0028] 图5是本实用新型实施例提供的控制电路记录的目标位置与实际位置的曲线关系示意图；

[0029] 图6是本实用新型实施例提供的电机控制电路原理框图。具体实施方式[0030] 现有的红外热像仪中硬件电路以PPGA为处理器的成像电路为核心，电机控制一般为以ARM、MCU为处理核心，需统一处理器类型以减少软硬件开发种类、节约开发资源。同时

电路为要实现连续变焦必须由多电机协同配合实现，需要设计一种专用的电机驱动电路。

另外红外热像仪中的电机种类按电机的功能划分，分为调焦电机和视场电机，一般由步进

电机来实现调焦功能，直流电机来实现视场切换功能，需要根据红外热像仪的需求来设计

步进电机和直流电机的数量和位置，因此满足运用多种电机的驱动控制电路是红外热像仪

不可或缺的部分。

[0031] 针对现有的红外热像仪中电机控制主要存在以下问题：[0032] 1.电机控制电路采用ARM和MCU作为处理器，与红外成像电路处理电路软硬件架构、设计思路、使用方案有所差异，带来了额外的设计成本；

[0033] 2.在军用武器开发元器件国产化开发的大趋势下，势必要采用国产化集成电路，ARM、MCU这一类处理器类芯片在国内尚未有成熟军用级产品，需统型设计，减少核心处理器

种类；

[0034] 3.针对多种红外热像仪的电机控制需求，电机控制电路一方面要满足两种不同电机的驱动控制，另一方面要满足最多三个电机控制的兼容设计，现有电路无法同时兼容以

上功能；

[0035] 4.现有电机控制软件架构还存在以下问题：由于ARM、MCU处理器的先天原因导致高频次中断响应能力不满足应用要求；机电软件控制模块不够灵活，针对不同的连续变焦

光学系统适应性较差，需大量更改程序。

[0036] 针对上述问题，本实用新型实施例提供了一种红外热像仪多电机控制电路，如图1所示，现场可编辑逻辑门阵列FPGA、成像电路、电机控制模块和温度传感器，其中，所述成像

电路、所述电机控制模块和所述温度传感器均分别与所述FPGA连接；

[0037] 所述成像电路与所述FPGA通过串口通信电路连接，所述FPGA通过所述串口通信电路接收所述成像电路的控制命令，并通过所述串口通信电路将所述FPGA接收到的状态信息

实时反馈给所述成像电路，以使所述成像电路根据所述状态信息通过所述FPGA控制相应的

电机完成调焦、切换视场，所述状态信息包括电机的状态信息以及所述温度传感器的温度

信息；

[0038] 所述电机控制模块为多个，且每个电机控制模块均对应一个电机，所述FPGA通过所述电机控制模块控制与相应的电机的工作，并接收电机的编码器信息；

[0039] 所述FPGA接收所述温度传感器的温度信息，并根据所述温度信息以及编码器信息来控制电机控制模块，以对相应的电机的工作状态进行调整。

[0040] 具体来说，本实用新型实施例的电机控制电路是以FPGA为控制核心，由光电开关或者限位开关反馈位置信息，可同时控制三个或更多的电机控制模块。

[0041] 本实用新型实施例中的电机控制电路通过串口通信与成像电路连接，接收相关控制命令并反馈状态；FPGA连接电机控制模块，控制电机工作并接收编码器信息，同时接收光

电开关、温度传感器等信号，实时监控各类状态。

[0042] 具体实施时，本实用新型实施例的电机控制电路可满足三步进电机、双步进电机单直流单机、三直流电机、双直流电机、单直流电机等多种控制方案。结合电机驱动模式、供

电电压、驱动电流等多种指标要求，本实用新型实施例选取两种电机驱动芯片分别作为双

路直流电机驱动芯片和步进电机驱动芯片。为实现多种电机联动控制方案，两类电机控制

模块可以根据需求不同灵活替换，可兼容电机驱动电路模块如图2所示。

[0043] 具体来说，本实用新型实施例的A、B、C部分为电机转接小板部分，本实用新型实施例中的转接小板均采用双列直排可拆卸接插件形式，两排插针数量不同可防反插。

[0044] 本实用新型实施例中的电机控制电路除了需要驱动电机外，同时还需要接收电机编码器、电机组件位置、环境温度等信号，硬件线缆连接需要较多接插件，如果采用常规互

连方式，会造成接插件数量较多、走线复杂、占用电路板空间大等，基于此考虑，本实用新型

实施例采用1.27mm间距60芯直插标准接插件(图2中电机接口)，同时按照多种功能需求，将

电机接口分为电机驱动、对外接口、通用电机三个部分，规范了线缆连接。

[0045] 所述FPGA上设有：CPU、节拍器和多个电机控制模块，其中，所述电机控制模块是与电机相一一对应的；各个电机控制模块在CPU的控制和节拍器的同步下各自并行工作。

[0046] 进一步地，本实用新型实施例中，红外热像仪电机控制软件主要通过FPGA程序控制完成，为保证电机控制算法的灵活性、控制波形的准确性和精度，功能模块由软核CPU及

上层C语言实现。底层驱动是由节拍同步核和电机控制核HDL语言实现，并将其封装成自定

义IP核，由软核CPU通过Avalon总线调用，可根据实际电机数量配置多个实例，在CPU控制和

节拍同步下各自并行进行工作，软件架构图如图3所示。

[0047] 电机控制自定义IP可根据电机数量配置多个实例，在CPU的控制和节拍器的同步下各自并行工作。其中，总线接口负责自定义IP与嵌入式软核之间的通讯，完成自定义IP的

功能控制、数据配置和反馈。在上层控制上加入电机的通用接口以及对外的参数化调整，有

助于机电控制模块更好地适用于不同的光学系统和光学参数。

[0048] 为了适应多功能曲线叠加控制(如变倍、调焦、物距补偿、温度补偿在同一片镜子上按曲线叠加控制)，在机电控制模块加入了外置接口，可随环境、物距及其他应用条件变

化对多组元曲线进行线性或非线性修正。包括增加温度系数的修正，调焦光学零位的修正，

调焦组件的空回修正等等，更好地应用于连续变焦模块或调焦模块的应用功能中(例如：物

距补偿、物距置位等功能)。

[0049] 在直流电机的控制上(尤其是凸轮式的多组元直流电机的连续变焦系统中)，我们推翻了原有的直流电机半闭环控制思想，建立了全新的位置环与速度环的双闭环PID控制

算法，大大提升了直流电机的位置控制精度。首次实现凸轮式的多组元直流电机多曲线变

化叠加的连续变焦光学系统。

[0050] 取1ms的时间间隔采样，记录目标位置与实际位置的关系，选取启动到稳定后的前250ms，得到算法升级前后的曲线关系对比如图4和图5所示。由图4和图5可以看出，电机由

启动到停止都一直追随目标位置的变化，跟随性能较好。

[0051] 具体实施时，本实用新型实施例通过FPGA程序控制完成以下功能：连续变倍过程、视场定位过程、连续变倍曲线模式切换、温度补偿及曲线修正、电机上电复位及零位标定、

故障检测及异常处理等。

[0052] 如图6所示为本实用新型实施例整个电机控制电路的原理框图，根据图6可知，该电路首先将电源进行滤波处理，一路直接供给电机的M电源，另外一路通过DCDC芯片

LMZ14203和LM73606进行电压变换，分别生成5电源和5.5电源，5电源供给光电开关、温

度监测、风扇控制等芯片电源。5.5电源通过多个LDO生成FPGA电源：1.1、2.5、3.3等，3

同时3.3也是FPGA外围配置芯片电源。FPGA通过三个电机控制模块完成对电机的控制，接

收编码器环境温度等反馈信息。该电路配合FPGA程序完成一系列的电机控制功能。

[0053] 本实用新型实施例的电机控制电路是热像仪的重要组成部分，采用与热像仪成像电路相同的处理器FPGA，设计了多电机兼容的控制电路，配合相关软件程序完成热像仪的

调焦、视场切换、电机上电复位及零位标定、温度补偿及曲线修正、故障检测等功能。应用于

多型红外热像仪，连接热像仪内部相关电路及其他部件。

[0054] 总体来说，本实用新型实施例的电机控制电路运用于多型红外热像仪上，能够完成热像仪各电机的控制，该电路配合电机控制软件程序，与相关电机、机械结构、光电开关

等协同配合和控制，该设计能够完成时间精度达到0.01微秒级、位置精度达到0.01毫米级

的多电机协同控制，功能多样且采用统型电机接口，以便后续更新与维护，对连续变焦距系

统及电机控制的研究具有重要意义。

[0055] 尽管为示例目的，已经公开了本实用新型的优选实施例，本领域的技术人员将意识到各种改进、增加和取代也是可能的，因此，本实用新型的范围应当不限于上述实施例。