更平滑的恒流步進控制提供更清晰的安防視頻

摘要：本文介紹了步進電機在安防視頻系統(tǒng)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，不僅使步進電機如在伺服拓撲模式一樣平滑地移動，還有助于確保前后一致的位置精度和出色的分辨率。

　　運動和定位應用(如平移和傾斜安防攝像機)可通過采用步進電機或伺服控制的有刷/無刷直流電機來實現(xiàn)。可通過計步的方式來控制步進電機。由于無需位置反饋，控制系統(tǒng)可被更容易地設計和更便宜地生產(chǎn)。采用步進電機/驅(qū)動器/控制器實現(xiàn)系統(tǒng)設計，假定步進電機將遵循數(shù)字指令。步進電機的一個重要方面是無需反饋就能保持位置的控制，這將步進電機歸類為開環(huán)系統(tǒng)。

步進電機和控制策略

　　根據(jù)轉(zhuǎn)子結(jié)構，步進電機有3種基本類型?？勺兇抛桦姍C(VR)具有齒的轉(zhuǎn)子和繞組定子，往往適用于低扭矩應用，如定位微機制;永磁步進電機(PM)通常較可變磁阻電機更便宜，并結(jié)合一個采用南北極交替磁化的轉(zhuǎn)子;還有混合動力電機(HB)，具有一個轉(zhuǎn)子，被磁化并由齒以引導磁通產(chǎn)生整體更強的轉(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和雙極步進。本文將介紹雙極步進。

　　步進電機有自己的步進角。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。步進角是由電機的磁極數(shù)確定的。例如，電機的磁極數(shù)為48時，步進角為7.5°;磁極數(shù)為400時，步進角為0.9°。本文在討論全步、半步或微步時，需要參照圖1所示的定子磁鏈的電角度，并需要將它和步進角區(qū)分開來。

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

　　同時，步進角指電機以全步運行時轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動角度的步幅。例如，當電機全步運行時，采用7.5°步進角將以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，步進電機可通過勵磁模式采用更小角度步進(=微步分辨率)，如表1所示。因此，微步可減少振動或噪聲，即使電機更便宜，且步進角不是很小。

　　安裝在戶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時可避免死角，如圖2所示。過去，設計人員采用齒輪減速電機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中更為嚴重。采用微步控制電機可克服這一問題。

實現(xiàn)更平滑運動的控制方式

　　該控制器集成4H橋用于控制步進電機相位，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雙極步進電機，4H橋提供足夠的通道以控制兩個雙極電機。電機線圈電流是根據(jù)外部電阻和基準電壓來設定的。專有的無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，在充電階段對線圈施加電壓，直到電流達到預設的最大值。這可在圖3的時序圖中(1.CHARGE)看到，其中A=高，B=低。在狀態(tài)3這一點，控制器進入緩慢衰減階段，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)時間，以防止H橋開關轉(zhuǎn)換時的擊穿。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)市場的擴張，對小尺寸的監(jiān)控攝像機/網(wǎng)絡攝像機的需求已越來越高。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，較替代方案進一步提升能效。此外，該控制器在空轉(zhuǎn)時進入低功耗待機模式。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置，有助于簡化應用開發(fā)。

結(jié)論

　　監(jiān)控攝像機是全世界安防工作的支柱。運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，基于步進電機來移動攝像頭的低成本機制已難以實現(xiàn)這需求。步進控制的最新進展，如恒流PWM模式，令低成本運動控制能提供平滑的攝像頭移動獲取更清晰的圖片。

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，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。