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)電機在安防視頻系統上的應用及控制策略，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)電機如在伺服拓撲模式一樣平滑地移動(dòng)，還有助于確保前后一致的位置精度和出色的分辨率。

　　運動(dòng)和定位應用(如平移和傾斜安防攝像機)可通過(guò)采用步進(jìn)電機或伺服控制的有刷/無(wú)刷直流電機來(lái)實(shí)現?？赏ㄟ^(guò)計步的方式來(lái)控制步進(jìn)電機。由于無(wú)需位置反饋，控制系統可被更容易地設計和更便宜地生產(chǎn)。采用步進(jìn)電機/驅動(dòng)器/控制器實(shí)現系統設計，假定步進(jìn)電機將遵循數字指令。步進(jìn)電機的一個(gè)重要方面是無(wú)需反饋就能保持位置的控制，這將步進(jìn)電機歸類(lèi)為開(kāi)環(huán)系統。

步進(jìn)電機和控制策略

　　根據轉子結構，步進(jìn)電機有3種基本類(lèi)型?？勺兇抛桦姍C(VR)具有齒的轉子和繞組定子，往往適用于低扭矩應用，如定位微機制;永磁步進(jìn)電機(PM)通常較可變磁阻電機更便宜，并結合一個(gè)采用南北極交替磁化的轉子;還有混合動(dòng)力電機(HB)，具有一個(gè)轉子，被磁化并由齒以引導磁通產(chǎn)生整體更強的轉矩特性。此外，根據電磁線(xiàn)圈的繞組排列，它們被歸類(lèi)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)角是由電機的磁極數確定的。例如，電機的磁極數為48時(shí)，步進(jìn)角為7.5°;磁極數為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)角區分開(kāi)來(lái)。

　　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，因此，我們顯示的這些數字指電機的磁極處于90°的數字。在這種情況下，θ 0~θ 16直接顯示轉子位置。如果步進(jìn)角為7.5°，則應該將數字從90°轉為7.5°。

　　同時(shí)，步進(jìn)角指電機以全步運行時(shí)轉子轉動(dòng)角度的步幅。例如，當電機全步運行時(shí)，采用7.5°步進(jìn)角將以48步旋轉360°。它是半步步幅的兩倍多，是1/4步幅的4倍多。

　　換句話(huà)說(shuō)，步進(jìn)電機可通過(guò)勵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，即使電機更便宜，且步進(jìn)角不是很小。

　　安裝在戶(hù)外的安防攝像機要求更小的步幅控制，因為攝像機需要高功率的縮放。從而當攝像機以更小的角度移動(dòng)時(shí)可避免死角，如圖2所示。過(guò)去，設計人員采用齒輪減速電機以便通過(guò)全步或半步的更小步來(lái)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/傾斜安防攝像機的視頻質(zhì)量，引起圖像模糊。這一問(wèn)題在采用低成本的圖像傳感器的攝像機中更為嚴重。采用微步控制電機可克服這一問(wèn)題。

實(shí)現更平滑運動(dòng)的控制方式

　　該控制器集成4H橋用于控制步進(jìn)電機相位，每一H橋輸出到IC的引腳A和引腳B，引腳A和B的設置用于控制一個(gè)雙極步進(jìn)電機，4H橋提供足夠的通道以控制兩個(gè)雙極電機。電機線(xiàn)圈電流是根據外部電阻和基準電壓來(lái)設定的。專(zhuān)有的無(wú)損耗電流檢測機制省去外部電源電阻，從而增強整體能效。

　　在恒流PWM模式下，在充電階段對線(xiàn)圈施加電壓，直到電流達到預設的最大值。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(guò)在內部對輸出A和B短路(A=低，B=低)，使電流循環(huán)流過(guò)橋的低邊。最后，在狀態(tài)5處，施加到線(xiàn)圈的偏置電壓被反轉(A=低，B=高)，導致線(xiàn)圈電流的快速衰減?？刂破髟跔顟B(tài)2、4和6處插入處理死區時(shí)間，以防止H橋開(kāi)關(guān)轉換時(shí)的擊穿。圖3中的狀態(tài)3和狀態(tài)5稱(chēng)為同步整流。

　　由于近來(lái)物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)的擴張，對小尺寸的監控攝像機/網(wǎng)絡(luò )攝像機的需求已越來(lái)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(guò)無(wú)損耗的電流檢測電路實(shí)現節能，還內置極低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，該控制器在空轉時(shí)進(jìn)入低功耗待機模式。這些特性可幫助由電池供電或以太網(wǎng)(PoE)供電的攝像機應用實(shí)現節能。

　　該控制器還能采用超過(guò)256步微步和傳統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(jiǎn)化了控制器的設置，有助于簡(jiǎn)化應用開(kāi)發(fā)。

結論

　　監控攝像機是全世界安防工作的支柱。運營(yíng)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(guò)去，基于步進(jìn)電機來(lái)移動(dòng)攝像頭的低成本機制已難以實(shí)現這需求。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(lái)源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第6期第13頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。