一種帶有限位功能的步進電機控制器

步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)換為角位移或直線運動的執(zhí)行設備。在非超載的情況下，電機轉(zhuǎn)速和停止位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，因此步進電機廣泛應用于精密控制場合[1]。
在基于圖像處理評價函數(shù)的調(diào)焦系統(tǒng)中，常用的調(diào)焦策略包括斐波那契搜索法和爬山搜索法，其中又以爬山搜索法應用最為廣泛[2]。根據(jù)爬山搜索的原理，在開始搜索時，先復位調(diào)焦鏡頭到起始搜索位置，在搜索焦點的過程中，要防止由于圖像噪聲等干擾造成程序判斷錯誤，導致調(diào)焦鏡頭越出調(diào)焦范圍邊界。
為了適應這種控制需求，對通用步進電機控制器進行了改進，使其在具有自動和手動控制功能的同時，引入限位信號反饋控制。電機控制器使用硬件描述語言(HDL)編寫，而限位信號則由位置感應電路中的光電開關(guān)器件自動反饋。
1 步進電機驅(qū)動原理
步進電機與直流電機的驅(qū)動方式不同，它需要邏輯控制器與功率驅(qū)動電路配合使用。具有位置感應電路的步進電機驅(qū)動原理圖如圖1所示。

電機控制器接受指令單元的控制指令，同時檢測位置感應電路反饋的限位信號，然后向功率驅(qū)動單元傳遞驅(qū)動邏輯，功率驅(qū)動單元轉(zhuǎn)換這些驅(qū)動邏輯，并輸出功率脈沖驅(qū)動步進電機運行。
2 步進電機控制器
通用步進電機控制器主要用于輸出驅(qū)動邏輯信號，控制步進電機的運行方向、速度、步數(shù)和停止。本文的步進電機控制器要求具有手動和自動控制功能，同時加入復位和限位處理模塊，控制目標為一種二相四線制步進電機。加入限位信號（LIMIT）控制功能的控制器頂層信號如圖2所示。

圖2中DATA為電機自動運行的步數(shù)，HOLD控制電機停止，MANUAL為手動觸發(fā)信號，DIRECTION用于控制運行方向，RESET_TRI為爬山搜索復位信號，四路OUT信號為步進電機的輸出邏輯，用于四線制步進電機的驅(qū)動控制。通過控制輸出邏輯的頻率DRI_CLK可以控制步進電機運行速度，而輸出邏輯的轉(zhuǎn)換方向則控制了步進電機的運行方向[3]。
2.1 模塊實現(xiàn)
步進電機在具有一定轉(zhuǎn)換方向的驅(qū)動脈沖下運行，據(jù)此將電機控制器劃分為方向控制和邏輯輸出兩個部分。限位信號用于復位和限定運行方向，因此在方向控制部分同時處理限位；在邏輯輸出部分，按照控制需求再次劃分為復位、自動和手動三個邏輯處理模塊，在邏輯輸出的實現(xiàn)方式上，復位、自動和手動通過一定的優(yōu)先級邏輯，通過發(fā)送電機占用請求復用邏輯輸出模塊。圖3為控制器模塊劃分示意圖。

(1)爬山復位
爬山復位模塊用于復位調(diào)焦鏡頭到爬山搜索的起始位置。電機控制器在捕獲到指令單元的復位信號后，按預定的運行方向產(chǎn)生驅(qū)動邏輯，直至控制器收到限位信號LIMIT的有效反饋后停止。復位過程中，自動和手動請求無效。
(2)自動控制
步進電機控制器的步數(shù)數(shù)據(jù)接收端DATA在接收到指令單元傳入的運行步數(shù)后，首先檢查當前是否有其他電機占用請求，如果電機空閑，就按照同時傳入的方向信號輸出指定步數(shù)的驅(qū)動邏輯；否則忽略本次自動控制請求。
(3)手動微調(diào)
手動微調(diào)在控制器中作為一種輔助控制手段，允許人工微調(diào)調(diào)焦鏡頭的位置。每啟動一次手動微調(diào)，電機就按照設定的運行方向，運行一段固定的微調(diào)距離?？刂破髟诓东@到手動輸入信號后，同時讀取手動運行方向DIRECTION的設置值，如果當前電機空閑，則按照手動輸入的方向信號輸出固定步數(shù)的驅(qū)動邏輯；否則手動請求無效。
(4)方向和限位處理
當控制器運行在手動微調(diào)或自動控制時，需要防止調(diào)焦鏡頭越出邊界。方向模塊在收到有效的限位信號LIMIT后，對正在輸出的方向信號取反，控制步進電機反方向運行，實現(xiàn)限位要求。當控制器沒有收到限位信號反饋時，則讀取DIRECTION端口的方向，傳遞給邏輯輸出模塊，用于控制驅(qū)動邏輯的轉(zhuǎn)換方向。
(5)邏輯輸出
邏輯輸出模塊內(nèi)置邏輯發(fā)生器，邏輯發(fā)生器按照電機請求和方向信號輸出驅(qū)動邏輯。方向信號用于控制驅(qū)動邏輯的轉(zhuǎn)換方向；自動和手動模塊的核心是計數(shù)器，電機請求信號是步數(shù)計數(shù)器的輸出，因此電機請求信號的有效時間表示允許邏輯發(fā)生器運行的時鐘周期數(shù)。
2.2 邏輯發(fā)生器
邏輯發(fā)生器的輸出邏輯與步進電機的驅(qū)動方式密切相關(guān)。本文控制目標的驅(qū)動方式為二相雙四拍式。標記步進電機的兩相繞組為：A(+)、B(-)、C(+)、D(-)，AB為一相，CD為另一相，則二相雙四拍的驅(qū)動方式為AC-AD-BD-BC[4]。二相雙四拍的驅(qū)動方式是指電機輸入線的通電方式，也即功率驅(qū)動單元的輸出通電脈沖，而邏輯發(fā)生器的輸出還要考慮功率驅(qū)動單元的轉(zhuǎn)換方式。
功率驅(qū)動單元可以使用MOS管等分立元件或?qū)Ｓ眉呻娐穼崿F(xiàn)[5]。為了減少電路規(guī)模，采用專用驅(qū)動芯片BA6845FS完成功率轉(zhuǎn)換。該芯片具有四路電平轉(zhuǎn)換，支持二相雙四拍驅(qū)動方式；輸出飽和電壓低、內(nèi)置節(jié)電和過熱保護電路，可以降低電路功耗，同時提高電路可靠性。其真值表如表1所示[6]。從表1中可以看出，當控制器沒有接到電機運行指令時，可以設置邏輯發(fā)生器的輸出B/D為0，使步進電機的繞組處于開路狀態(tài)，防止電機發(fā)熱。

根據(jù)表1的功率轉(zhuǎn)換方式，可以得到邏輯發(fā)生器的輸出邏輯與二相雙四拍繞組通電方式的對應轉(zhuǎn)換關(guān)系，如表2所示。表2中1代表高電平，磁極繞組通電；0代表低電平，磁極繞組不通電。

表2中，繞組任意一次通電方式間的變化（1-2、2-3、3-4、4-1），步進電機都會轉(zhuǎn)動一個步距角，即移動一步，所以可以通過控制驅(qū)動邏輯轉(zhuǎn)換的次數(shù)來控制步進電機轉(zhuǎn)動的步數(shù)。邏輯發(fā)生器按照脈沖計數(shù)的順序，從1到4循環(huán)輸出驅(qū)動邏輯時，繞組按照二相雙四拍的方式通電，驅(qū)動步進電機正向轉(zhuǎn)動，反之實現(xiàn)反向轉(zhuǎn)動。