一種帶有限位功能的步進(jìn)電機控制器

步進(jìn)電機是一種將電脈沖轉換為角位移或直線(xiàn)運動(dòng)的執行設備。在非超載的情況下，電機轉速和停止位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，因此步進(jìn)電機廣泛應用于精密控制場(chǎng)合[1]。
在基于圖像處理評價(jià)函數的調焦系統中，常用的調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]。根據爬山搜索的原理，在開(kāi)始搜索時(shí)，先復位調焦鏡頭到起始搜索位置，在搜索焦點(diǎn)的過(guò)程中，要防止由于圖像噪聲等干擾造成程序判斷錯誤，導致調焦鏡頭越出調焦范圍邊界。
為了適應這種控制需求，對通用步進(jìn)電機控制器進(jìn)行了改進(jìn)，使其在具有自動(dòng)和手動(dòng)控制功能的同時(shí)，引入限位信號反饋控制。電機控制器使用硬件描述語(yǔ)言(HDL)編寫(xiě)，而限位信號則由位置感應電路中的光電開(kāi)關(guān)器件自動(dòng)反饋。
1 步進(jìn)電機驅動(dòng)原理
步進(jìn)電機與直流電機的驅動(dòng)方式不同，它需要邏輯控制器與功率驅動(dòng)電路配合使用。具有位置感應電路的步進(jìn)電機驅動(dòng)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(shí)檢測位置感應電路反饋的限位信號，然后向功率驅動(dòng)單元傳遞驅動(dòng)邏輯，功率驅動(dòng)單元轉換這些驅動(dòng)邏輯，并輸出功率脈沖驅動(dòng)步進(jìn)電機運行。
2 步進(jìn)電機控制器
通用步進(jìn)電機控制器主要用于輸出驅動(dòng)邏輯信號，控制步進(jìn)電機的運行方向、速度、步數和停止。本文的步進(jìn)電機控制器要求具有手動(dòng)和自動(dòng)控制功能，同時(shí)加入復位和限位處理模塊，控制目標為一種二相四線(xiàn)制步進(jìn)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(dòng)運行的步數，HOLD控制電機停止，MANUAL為手動(dòng)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(jìn)電機的輸出邏輯，用于四線(xiàn)制步進(jìn)電機的驅動(dòng)控制。通過(guò)控制輸出邏輯的頻率DRI_CLK可以控制步進(jìn)電機運行速度，而輸出邏輯的轉換方向則控制了步進(jìn)電機的運行方向[3]。
2.1 模塊實(shí)現
步進(jìn)電機在具有一定轉換方向的驅動(dòng)脈沖下運行，據此將電機控制器劃分為方向控制和邏輯輸出兩個(gè)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(shí)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(dòng)和手動(dòng)三個(gè)邏輯處理模塊，在邏輯輸出的實(shí)現方式上，復位、自動(dòng)和手動(dòng)通過(guò)一定的優(yōu)先級邏輯，通過(guò)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)生驅動(dòng)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(guò)程中，自動(dòng)和手動(dòng)請求無(wú)效。
(2)自動(dòng)控制
步進(jìn)電機控制器的步數數據接收端DATA在接收到指令單元傳入的運行步數后，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(shí)傳入的方向信號輸出指定步數的驅動(dòng)邏輯；否則忽略本次自動(dòng)控制請求。
(3)手動(dòng)微調
手動(dòng)微調在控制器中作為一種輔助控制手段，允許人工微調調焦鏡頭的位置。每啟動(dòng)一次手動(dòng)微調，電機就按照設定的運行方向，運行一段固定的微調距離?？刂破髟诓东@到手動(dòng)輸入信號后，同時(shí)讀取手動(dòng)運行方向DIRECTION的設置值，如果當前電機空閑，則按照手動(dòng)輸入的方向信號輸出固定步數的驅動(dòng)邏輯；否則手動(dòng)請求無(wú)效。
(4)方向和限位處理
當控制器運行在手動(dòng)微調或自動(dòng)控制時(shí)，需要防止調焦鏡頭越出邊界。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(jìn)電機反方向運行，實(shí)現限位要求。當控制器沒(méi)有收到限位信號反饋時(shí)，則讀取DIRECTION端口的方向，傳遞給邏輯輸出模塊，用于控制驅動(dòng)邏輯的轉換方向。
(5)邏輯輸出
邏輯輸出模塊內置邏輯發(fā)生器，邏輯發(fā)生器按照電機請求和方向信號輸出驅動(dòng)邏輯。方向信號用于控制驅動(dòng)邏輯的轉換方向；自動(dòng)和手動(dòng)模塊的核心是計數器，電機請求信號是步數計數器的輸出，因此電機請求信號的有效時(shí)間表示允許邏輯發(fā)生器運行的時(shí)鐘周期數。
2.2 邏輯發(fā)生器
邏輯發(fā)生器的輸出邏輯與步進(jìn)電機的驅動(dòng)方式密切相關(guān)。本文控制目標的驅動(dòng)方式為二相雙四拍式。標記步進(jìn)電機的兩相繞組為：A(+)、B(-)、C(+)、D(-)，AB為一相，CD為另一相，則二相雙四拍的驅動(dòng)方式為AC-AD-BD-BC[4]。二相雙四拍的驅動(dòng)方式是指電機輸入線(xiàn)的通電方式，也即功率驅動(dòng)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動(dòng)單元的轉換方式。
功率驅動(dòng)單元可以使用MOS管等分立元件或專(zhuān)用集成電路實(shí)現[5]。為了減少電路規模，采用專(zhuān)用驅動(dòng)芯片BA6845FS完成功率轉換。該芯片具有四路電平轉換，支持二相雙四拍驅動(dòng)方式；輸出飽和電壓低、內置節電和過(guò)熱保護電路，可以降低電路功耗，同時(shí)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(méi)有接到電機運行指令時(shí)，可以設置邏輯發(fā)生器的輸出B/D為0，使步進(jìn)電機的繞組處于開(kāi)路狀態(tài)，防止電機發(fā)熱。

根據表1的功率轉換方式，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(jìn)電機都會(huì )轉動(dòng)一個(gè)步距角，即移動(dòng)一步，所以可以通過(guò)控制驅動(dòng)邏輯轉換的次數來(lái)控制步進(jìn)電機轉動(dòng)的步數。邏輯發(fā)生器按照脈沖計數的順序，從1到4循環(huán)輸出驅動(dòng)邏輯時(shí)，繞組按照二相雙四拍的方式通電，驅動(dòng)步進(jìn)電機正向轉動(dòng)，反之實(shí)現反向轉動(dòng)。