更平滑的恒流步進(jìn)控制提供更清晰的安防視頻

摘要：本文介紹了步進(jìn)電機(jī)在安防視頻系統(tǒng)上的應(yīng)用及控制策略，并介紹了LV8714控制器的優(yōu)越性。

　　一種新的控制策略，不僅使步進(jìn)電機(jī)如在伺服拓?fù)淠Ｊ揭粯悠交匾苿?dòng)，還有助于確保前后一致的位置精度和出色的分辨率。

　　運(yùn)動(dòng)和定位應(yīng)用(如平移和傾斜安防攝像機(jī))可通過采用步進(jìn)電機(jī)或伺服控制的有刷/無刷直流電機(jī)來實(shí)現(xiàn)?？赏ㄟ^計(jì)步的方式來控制步進(jìn)電機(jī)。由于無需位置反饋，控制系統(tǒng)可被更容易地設(shè)計(jì)和更便宜地生產(chǎn)。采用步進(jìn)電機(jī)/驅(qū)動(dòng)器/控制器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，假定步進(jìn)電機(jī)將遵循數(shù)字指令。步進(jìn)電機(jī)的一個(gè)重要方面是無需反饋就能保持位置的控制，這將步進(jìn)電機(jī)歸類為開環(huán)系統(tǒng)。

步進(jìn)電機(jī)和控制策略

　　根據(jù)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，步進(jìn)電機(jī)有3種基本類型?？勺兇抛桦姍C(jī)(VR)具有齒的轉(zhuǎn)子和繞組定子，往往適用于低扭矩應(yīng)用，如定位微機(jī)制;永磁步進(jìn)電機(jī)(PM)通常較可變磁阻電機(jī)更便宜，并結(jié)合一個(gè)采用南北極交替磁化的轉(zhuǎn)子;還有混合動(dòng)力電機(jī)(HB)，具有一個(gè)轉(zhuǎn)子，被磁化并由齒以引導(dǎo)磁通產(chǎn)生整體更強(qiáng)的轉(zhuǎn)矩特性。此外，根據(jù)電磁線圈的繞組排列，它們被歸類為單極步進(jìn)和雙極步進(jìn)。本文將介紹雙極步進(jìn)。

　　步進(jìn)電機(jī)有自己的步進(jìn)角。一般情況下，PM為7.5°~15°，HB為0.9°~3.6°。相較PM，HB的成本很高。步進(jìn)角是由電機(jī)的磁極數(shù)確定的。例如，電機(jī)的磁極數(shù)為48時(shí)，步進(jìn)角為7.5°;磁極數(shù)為400時(shí)，步進(jìn)角為0.9°。本文在討論全步、半步或微步時(shí)，需要參照圖1所示的定子磁鏈的電角度，并需要將它和步進(jìn)角區(qū)分開來。

　　圖1顯示在微步中磁極間有16電角度。步進(jìn)角(磁極間的角度)取決于電機(jī)，因此，我們顯示的這些數(shù)字指電機(jī)的磁極處于90°的數(shù)字。在這種情況下，θ 0~θ 16直接顯示轉(zhuǎn)子位置。如果步進(jìn)角為7.5°，則應(yīng)該將數(shù)字從90°轉(zhuǎn)為7.5°。

　　同時(shí)，步進(jìn)角指電機(jī)以全步運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)角度的步幅。例如，當(dāng)電機(jī)全步運(yùn)行時(shí)，采用7.5°步進(jìn)角將以48步旋轉(zhuǎn)360°。它是半步步幅的兩倍多，是1/4步幅的4倍多。

　　換句話說，步進(jìn)電機(jī)可通過勵(lì)磁模式采用更小角度步進(jìn)(=微步分辨率)，如表1所示。因此，微步可減少振動(dòng)或噪聲，即使電機(jī)更便宜，且步進(jìn)角不是很小。

　　安裝在戶外的安防攝像機(jī)要求更小的步幅控制，因?yàn)閿z像機(jī)需要高功率的縮放。從而當(dāng)攝像機(jī)以更小的角度移動(dòng)時(shí)可避免死角，如圖2所示。過去，設(shè)計(jì)人員采用齒輪減速電機(jī)以便通過全步或半步的更小步來控制。微步可減小齒輪的成本和尺寸。

　　全步或半步產(chǎn)生的振蕩足以影響一臺平移/傾斜安防攝像機(jī)的視頻質(zhì)量，引起圖像模糊。這一問題在采用低成本的圖像傳感器的攝像機(jī)中更為嚴(yán)重。采用微步控制電機(jī)可克服這一問題。

實(shí)現(xiàn)更平滑運(yùn)動(dòng)的控制方式

　　該控制器集成4H橋用于控制步進(jìn)電機(jī)相位，每一H橋輸出到IC的引腳A和引腳B，引腳A和B的設(shè)置用于控制一個(gè)雙極步進(jìn)電機(jī)，4H橋提供足夠的通道以控制兩個(gè)雙極電機(jī)。電機(jī)線圈電流是根據(jù)外部電阻和基準(zhǔn)電壓來設(shè)定的。專有的無損耗電流檢測機(jī)制省去外部電源電阻，從而增強(qiáng)整體能效。

　　在恒流PWM模式下，在充電階段對線圈施加電壓，直到電流達(dá)到預(yù)設(shè)的最大值。這可在圖3的時(shí)序圖中(1.CHARGE)看到，其中A=高，B=低。在狀態(tài)3這一點(diǎn)，控制器進(jìn)入緩慢衰減階段，通過在內(nèi)部對輸出A和B短路(A=低，B=低)，使電流循環(huán)流過橋的低邊。最后，在狀態(tài)5處，施加到線圈的偏置電壓被反轉(zhuǎn)(A=低，B=高)，導(dǎo)致線圈電流的快速衰減?？刂破髟跔顟B(tài)2、4和6處插入處理死區(qū)時(shí)間，以防止H橋開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)的擊穿。圖3中的狀態(tài)3和狀態(tài)5稱為同步整流。

　　由于近來物聯(lián)網(wǎng)市場的擴(kuò)張，對小尺寸的監(jiān)控?cái)z像機(jī)/網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的需求已越來越高。要求更低噪聲、更低功耗和更小的占位面積。

　　LV8714 H橋除了通過無損耗的電流檢測電路實(shí)現(xiàn)節(jié)能，還內(nèi)置極低RDS(ON)的MOSFET和采用同步整流，較替代方案進(jìn)一步提升能效。此外，該控制器在空轉(zhuǎn)時(shí)進(jìn)入低功耗待機(jī)模式。這些特性可幫助由電池供電或以太網(wǎng)(PoE)供電的攝像機(jī)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

　　該控制器還能采用超過256步微步和傳統(tǒng)的半步或全部控制模式。評估套件和易于使用的配置軟件簡化了控制器的設(shè)置，有助于簡化應(yīng)用開發(fā)。

結(jié)論

　　監(jiān)控?cái)z像機(jī)是全世界安防工作的支柱。運(yùn)營商渴望獲取更多的信息，尤其是能從捕獲的圖像識別嫌疑人，要求清晰、高分辨率的圖像。過去，基于步進(jìn)電機(jī)來移動(dòng)攝像頭的低成本機(jī)制已難以實(shí)現(xiàn)這需求。步進(jìn)控制的最新進(jìn)展，如恒流PWM模式，令低成本運(yùn)動(dòng)控制能提供平滑的攝像頭移動(dòng)獲取更清晰的圖片。

本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第6期第13頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。