应用电视技术 赵坚勇第10章 电动云台和变焦镜头控制

第10章电动云台和变焦镜头控制第10章电动云台和变焦镜头控制10.1基本驱动电路10.2串行传送控制信号10.3单片机解码器10.4硬件解码器10.5控制器和解码器的连接第10章电动云台和变焦镜头控制10.1基本驱动电路在控制室，除了要对视频信号进行切换，在视频信号上叠加地点、日期、时间等附加信息外，还要对摄像机的电动云台和变焦镜头进行控制。电动云台通常有水平旋转和俯仰旋转两个电机可以进行正、反向旋转，四个动作分别称为上、下、左、右。电动云台的电机大部分是交流电机，这种电机有两个绕组，两个绕组有一个公共端，当一个绕组接交流电压时，第10章电动云台和变焦镜头控制另一绕组经移相电容接入交流电压，当交流电压分别从两个绕组接入时，可使电机作正向或反向旋转。两个电机的公共端接在一起，一共有五根控制线。变焦镜头通常连接有光圈、聚焦和变倍三个控制电机，可以正、反向旋转。六个动作分别称为光圈大、光圈小、聚焦远、聚焦近、变倍进、变倍出。变焦镜头的电机大部分是直流电机，直流电机加正向电压后正转，加反向电压后就会倒转。三个电机共用一个接地端，共有四根控制线。第10章电动云台和变焦镜头控制在摄像机离控制室比较近的情况下，可用多芯电缆将10个动作的控制电压从控制室传到摄像机处。图10―1是用多芯电缆传送电动云台和变焦镜头控制电压的电路图。在控制室利用琴键开关将交直流电压加到电机的控制线上。电动云台虚线框内的线路中4个常闭触点是4个限位开关，当云台旋转到压住限位开关后，常闭触点断开，云台不再往该方向旋转。这种电路使用很多机械开关，因电机启动时的大电流和电机断开时的高反压，开关容易损坏，目前已很少采用这种电路。在控制器大都采用单片机的情况下，要用锁存的TTL电平去控制云台和镜头。第10章电动云台和变焦镜头控制图10―1用多芯电缆传送电动云台和变焦镜头控制电压电路图MM电动云台公共端M光圈M聚焦M变倍变焦镜头光圈大光圈小聚焦远聚焦近变倍进变倍出地U＋U－上下左右U～控制器第10章电动云台和变焦镜头控制10.1.1电动云台的驱动单片机用锁存器输出的TTL电平来控制电动云台。通常有继电器驱动和双向可控硅驱动两种方法。1.继电器驱动用继电器驱动云台的电路如图10―2所示。当输入控制信号D3～D0的电平是0001B时，继电器J0吸合，云台向右旋转；当D3～D0的电平是0010B时，继电器J1吸合，云台向左旋转；当D3～D0的电平是0100B时，继电器J2吸合，云台向下旋转；当D3～D0的电平是1000B时，继电器J3吸合，云台向上旋转。第10章电动云台和变焦镜头控制图10―2继电器电动云台驱动电路M公共端电动云台上下左M右J3J2J1J0D3U＋U～D2D1D0MC1413第10章电动云台和变焦镜头控制常用来驱动云台的继电器有JZC―22FA型。其体积为22.5mm×16.5mm×16.5mm,触点负荷为220V(AC)、3A或28V(DC)、10A,JZC―22FA有005、006、009、012、024等五种规格,其额定电压分别是5V、6V、9V、12V、24V(DC)；线圈电阻分别是70Ω、100Ω、220Ω、400Ω、1600Ω；吸合电压分别为4V、4.8V、7.2V、9.6V、19.2V；释放电压分别为0.5V、0.6V、0.9V、1.2V、2.4V。第10章电动云台和变焦镜头控制2.双向可控硅驱动与继电器相比，可控硅驱动有体积小、重量轻、寿命长、价格低廉等优点。所以，目前较多的产品是用双向可控硅来控制电动云台的。图10―3是双向可控硅和电路符号。面对双向可控硅正面，左边的引脚是主电极MT1或称A1，中间的引脚是主电极MT2或称A2，右边的引脚是控制极G或称门极。触发信号加在MT2和G两极之间。第10章电动云台和变焦镜头控制图10―3(a)是双向可控硅的常用引脚排列。比如，BTA06C就是这种排列，也可能会有与此图不同的排列。初次使用时最好用多用表判别，方法如下：先找MT2极，多用表置于R×100挡，将黑表笔接任意一个电极，用红表笔碰另外两个电极，如果表针都不动，说明黑表笔接的是MT2极。剩下两电极间有2～10Ω的正反向电阻差，可用多用表R×10挡或R×1挡来量，电阻小时，接黑表笔的是MT1极，红表笔接的是G极。因为电阻差很小，要仔细观察才能判别出来。第10章电动云台和变焦镜头控制图10―4是触发电路。其中，光电耦合器MOC3021是一种双向可控硅输出结构的光电耦合器，用来触发双向可控硅时电路最简单，而且能将单片机系统与可控硅、电机、市电隔离开来，以免电机启动时的感应电动势和火花影响单片机工作。表10―1是MOTOROLA公司MOC3000系列光电耦合器的主要参数。第10章电动云台和变焦镜头控制图10―3(a)引脚排列；(b)电路符号A2A1G3CTA1A2G第10章电动云台和变焦镜头控制图10―4双向可控硅触发电路BTA06600C220V～RLR136064MOC302112TTL电平MC1413＋5VR300第10章电动云台和变焦镜头控制表10―1MOC3000第10章电动云台和变焦镜头控制对MOC3021，有下列典型值：·输入端电流II=10～15mA。·发光管上的电压降U12=1.2～1.5V。·最大输出电流Ip=1A。·MOC3021的输入端限流电阻R1225IVUURI(10―1)当MC1413输出V2为低电平0.4V时，要求MOC3021导通，这时51.50.430010VVVRmV第10章电动云台和变焦镜头控制式中,Up为交流电压峰值，交流电压为220V，波动10%，最高电压有效值为242V，峰值电压为。·限流电阻R1用来限制MOC3021的输出电流Ip不要超过极限值1A。1ppURI(10―2)2422V124223421R可取R1=360Ω。第10章电动云台和变焦镜头控制·最小触发电压UT：由于串入电阻R1，使触发电路有一个最小触发电压，低于这个电压时，双向可控硅不导通。UT按下式计算：UT=R1×IGT+UGT+UTM式中:IGT为双向可控硅最小触发电流；UGT为双向可控硅最小触发电压；UTM为MOC3021输出端压降,典型值1.8V，最大值3V。第10章电动云台和变焦镜头控制对常用的双向可控硅BTA06C，在第1～3象限触发时，IGT为25mA；在第4象限触发时（A2电压为负，G触发电流为正），IGT为50mA，而UGT为1.5V。UT=360×0.025+1.5+3=13.5V·最小控制角α13.5arcsinarcsin2.26342TPUU(10―3)第10章电动云台和变焦镜头控制对于电动云台，控制角在2.26°以下时，双向可控硅不导通不会影响云台的转动。当双向可控硅所带的负载是较大的电感时，电感在接通与断开瞬间的感应电动势容易引起光耦与双向可控硅的误触发。图10―5是防止误导通的双向可控硅保护电路。第10章电动云台和变焦镜头控制图10―5防止误导通的双向可控硅保护电路220V～R2R16412TTL电平MC1413＋5VRR3C1R4C2第10章电动云台和变焦镜头控制双向可控硅一旦导通，控制极对双向可控硅就不起控制作用。要关断双向可控硅，必须使流过可控硅中的电流小于保持可控硅导通所需的电流，即维持电流。导通的可控硅从一个方向过零进入反向阻断状态只是一个十分短暂的时间,由于电机是感性负载，电流滞后于电压，有可能会使得电压在过零时电流仍然存在而导致双向可控硅失控。在这种情况下，可在双向可控硅主电极MT1和MT2之间并联RC串联回路以减小电压上升率dU／dt，常常R取51Ω，C取0.1μF。第10章电动云台和变焦镜头控制在阻断状态下，双向可控硅的PN结相当于一个电容，如果突然受到正向电压，充电电流流过控制极PN结时，起了触发电流的作用，易造成MOC3021输出可控硅的误导通，在MOC3021的输出回路中加R2和C1，组成的RC回路，可降低电压上升率dU／dt。一般情况下，R2为470Ω～1kΩ，C1为0.05～0.15μF。第10章电动云台和变焦镜头控制MOC3021在输出关断状态下，也有小于或等于400μA的电流，R3可以消除这个电流对外部双向可控硅的影响，防止双向可控硅误触发，提高可靠性。R3一般取300Ω～1kΩ。图10―6是双向可控硅云台控制电路。这里没有画出防止误触发误导通的保护电路，因为在一般情况下没有这些保护电路也能正常工作。在印制板设计时，应留有安装这些保护电路中电阻、电容的位置，当出现误导通现象时再加上这些器件。第10章电动云台和变焦镜头控制图10―6双向可控硅云台控制电路6412360641236064123606412360MC1413D3D0300＋5VMM电动云台220V～MOC3021上下左右第10章电动云台和变焦镜头控制在选取双向可控硅的电流、电压极限值时，应留有较大的余量。云台的电压是220V～，电流不超过200mA。一般取双向可控硅的电流为3～6A，耐压为600～800V。固态继电器是对双向可控硅及其光电隔离电路和附加电路进行了一体化封装的产品，使用起来比分立元件方便。GJH1―L和GJH3―L是常用于云台控制的固态继电器，它们的输入控制电压是3～12V(DC)，15mA，输出负载电压是380V(AC)。GJH1―L的负载电流为1A，适用于小型电动云台；GJH3―L的负载电流为3A，适用于室外云台和防爆云台。第10章电动云台和变焦镜头控制10.1.2变焦镜头的驱动单片机用锁存器输出的TTL电平来控制变焦镜头。常有继电器驱动和运算放大器与晶体管驱动两种方法。1.继电器驱动图10―7是用继电器的变焦镜头驱动电路。当输入控制信号D5～D0的电平是100000B时，J5吸合，U+加到光圈电机正端，光圈变大；当D5～D0的电平是010000B时，J4吸合，U-加到光圈电机正端，光圈变小。当D5～D0的电平是001000B时，J3吸合，U+加到聚焦电机的正端，聚焦变远；第10章电动云台和变焦镜头控制当D5～D0的电平是000100时，J2吸合，U-加到聚焦电机的正端，聚焦变近。当D5～D0的电平是000010B时，J1吸合，U+加到变倍电机的正端，变倍变进；当D5～D0的电平是000001B时，J0吸合，U-加到变倍电机正端，变倍变出。变焦镜头控制常用JRC―5M型超小型密封继电器。第10章电动云台和变焦镜头控制图10―7用继电器的变焦镜头驱动电路光圈变倍变焦镜头MM聚焦MJ0U＋J1U＋J2U＋J3U＋J4U＋J5U＋MC1413地U＋U－D5D0第10章电动云台和变焦镜头控制2.运算放大器与晶体管驱动运算放大器与晶体管驱动与继电器驱动相比，有寿命长，可靠性高和价格便宜等优点。图10―8是用运算放大器与晶体管驱动变焦镜头的实用电路。图中当输入控制信号D5～D0的电平是100000B时，运算放大器N1输出正电压，晶体管V1导通，电压U+加到光圈电机正端，电机正转，光圈变大；当D5～D0的电平是010000B时，运算放大器N1输出负电压，第10章电动云台和变焦镜头控制晶体管V2导通，电压U-加到光圈电机正端，电机反转，光圈变小；当D5～D0的电平是001000B时，运算放大器N2输出正电压，晶体管V3导通，电压U+加到聚焦电机正端，电机正转，聚焦变远；当D5～D0的电平是000100B时，运算放大器N2输出负电压，晶体管V4导通，电压U-加到聚焦电机正端，电机反转，聚焦变近；第10章电动云台和变焦镜头控制当D5～D0的电平是000010B时，运算放大器N3输出正电压，晶体管V5导通，电压U+加到变倍电机正端，电机正转，变倍变进；当D5～D0的电平是000001B时，运算放大器N3输出负电压，晶体管V6导通，电压U-加到变倍电机正端，电机反转，变倍变出。当电机旋转太快，不易对镜头进行精细调节时，可以降低U+、U-的幅度，或在输出电压与电机之间串接电阻来使电机转速降低。第10章电动云台和变焦镜头控制图10―8用运算放大器的变焦镜头驱动电路光圈变焦镜头变倍M聚焦MM