線性伺服電機(jī)定位系統(tǒng)簡(jiǎn)化安全攝像機(jī)定位設(shè)計(jì)

全球范圍內(nèi)的安全和安全問(wèn)題導(dǎo)致安全和監(jiān)控?cái)z像頭的使用大幅增加，通常使用高分辨率CCD或CMOS成像器，這些成像器與基于云的視頻分析相結(jié)合，用于生物識(shí)別和面部識(shí)別分析。

然而，為了使生物識(shí)別算法正常工作，攝像機(jī)定位系統(tǒng)必須具有平穩(wěn)的操作，以避免在攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)出現(xiàn)不必要的圖像失真。許多需要謹(jǐn)慎或遠(yuǎn)程訪問(wèn)的應(yīng)用也要求系統(tǒng)緊湊和節(jié)能。

線性伺服電機(jī)定位系統(tǒng)可以提供所需的平穩(wěn)運(yùn)行，但它們的代價(jià)是更高的功率和需求高分辨率編碼器和精密電路。另外，步進(jìn)電機(jī)具有多種吸引人的視頻監(jiān)控定位功能，包括靜止時(shí)的全扭矩，出色的啟動(dòng)，停止和反向響應(yīng)時(shí)間，無(wú)誤差累積的運(yùn)動(dòng)重復(fù)性，以及固定步長(zhǎng)的簡(jiǎn)單開環(huán)控制。

然而，固定步長(zhǎng)是一個(gè)限制 - 即使200步/旋轉(zhuǎn)電機(jī)的步長(zhǎng)為1.8°，對(duì)于高分辨率視頻來(lái)說(shuō)也不夠平滑。這可以通過(guò)微步進(jìn)來(lái)克服，新的微步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器IC使設(shè)計(jì)人員能夠快速實(shí)現(xiàn)緊湊的高分辨率，低功耗定位系統(tǒng)。

步進(jìn)電機(jī)基礎(chǔ)

步進(jìn)電機(jī)是無(wú)刷直流電機(jī)，將完整旋轉(zhuǎn)分成相同數(shù)量的步驟。定子包含固定數(shù)量的纏繞電磁鐵。轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有三種類型 - 永磁（PM），可變磁阻（VR）和混合動(dòng)力。永磁電動(dòng)機(jī)具有圍繞轉(zhuǎn)子圓周嵌入的交替的南北永磁體。 VR轉(zhuǎn)子由軟磁材料制成并切入齒（從末端看，轉(zhuǎn)子看起來(lái)很像齒輪）。 VR電機(jī)的工作原理是在最小間隙時(shí)發(fā)生最小磁阻，因此轉(zhuǎn)子齒被定向磁極吸引。

混合式步進(jìn)電機(jī)有一個(gè)齒形轉(zhuǎn)子，如VR電機(jī)，以及一個(gè)軸向軸周圍的磁化同心磁鐵。這種布置提供了類似于VR電動(dòng)機(jī)的步長(zhǎng)（可能的齒數(shù)大于PM轉(zhuǎn)子中可能的磁體數(shù)量），具有改進(jìn)的扭矩特性。

定子中的相繞組數(shù)通常為兩個(gè)，但也可提供三相和五相電機(jī)。電機(jī)可以兩種方式纏繞 - 單極或雙極。圖1和圖2顯示了兩相電機(jī)中的兩個(gè)選項(xiàng)。

圖1：在兩相單極繞組中，中心抽頭連接到電機(jī)電壓，相腳切換到接地以改變電流方向。 （使用Digi-Key Scheme-It繪制的圖表）

單極繞組每相具有一個(gè)繞組，帶有中心抽頭。中心抽頭通常連接到電動(dòng)機(jī)電壓源，每個(gè)繞組的兩端交替接地，以反轉(zhuǎn)該繞組提供的磁場(chǎng)方向。這使電機(jī)控制簡(jiǎn)單，但電機(jī)效率較低，因?yàn)橐淮沃皇褂靡话肜@組。

圖2 ：在雙相雙極繞組中，使用H橋驅(qū)動(dòng)器反轉(zhuǎn)相電流，允許總繞組立即通電。 （使用Digi-Key Scheme-It繪制的圖表）

雙極布置使用所有相繞組，但切換驅(qū)動(dòng)電流更復(fù)雜。通常，這是通過(guò)H橋驅(qū)動(dòng)器完成的，它也可以控制繞組中的電流（電機(jī)轉(zhuǎn)矩與電流成正比。）

監(jiān)控?cái)z像機(jī)中使用的步進(jìn)電機(jī)通常是兩相混合型或PM雙極型。在兩相電動(dòng)機(jī)中，定子中的電磁鐵對(duì)略微偏移，使得當(dāng)一個(gè)繞組斷電并且下一個(gè)繞組接通時(shí)，齒將被吸引到下一個(gè)位置。這允許步數(shù)為轉(zhuǎn)子齒數(shù)的四倍。因此，50齒轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)200步，或每步1.8°。

步進(jìn)排序

雙極步進(jìn)電機(jī)有兩個(gè)繞組。通過(guò)順序改變繞組中的電流來(lái)移動(dòng)轉(zhuǎn)子?？梢暬囊环N便捷方法是使用相圖。

圖3顯示了使用圖2中的雙極繞組的全步操作。

圖3：在全步操作中，每個(gè)繞組中的相電流為-Imax或+ Imax。每次狀態(tài)變化都會(huì)使電機(jī)向前移動(dòng)一步。 （來(lái)源：Digi-Key）

在全步操作中，每個(gè)繞組中的電流為-Imax或+ Imax。圖3時(shí)序圖中所示的相電流變化將導(dǎo)致圖3的相圖位置序列。相圖周圍的每個(gè)90?狀態(tài)變化都會(huì)使電機(jī)向前移動(dòng)一步。相圖箭頭（相量）的長(zhǎng)度顯示在EQ1中：

轉(zhuǎn)矩與電流（直到磁飽和）和相量長(zhǎng)度成正比給出了功率消耗的指示。當(dāng)然這是理想情況，忽略了繞組特性的瞬時(shí)影響。

圖4顯示了半步進(jìn)操作。這里允許每個(gè)繞組中的電流為-Imax，0或+ Imax。這允許在整個(gè)步驟之間進(jìn)行“半步”，因此每轉(zhuǎn)的步數(shù)加倍，從而允許更精細(xì)的定位。但是，要付出代價(jià)。請(qǐng)注意，當(dāng)一個(gè)繞組值為0時(shí)，軸上的相量長(zhǎng)度較短（約70％）。通過(guò)增加另一個(gè)繞組中的電流可以稍微減輕該轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

圖4：在半步操作中，每個(gè)繞組中的電流為-Imax，0或+ Imax。這使步數(shù)加倍，但存在電流和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。 （來(lái)源：Digi-Key）

如果你進(jìn)一步采用半步進(jìn)的概念，并允許繞組中的電流以模擬具有恒定相量長(zhǎng)度的正弦交流波形的方式變化，如圖5所示，您可以通過(guò)低扭矩紋波實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的分辨率。這通常被稱為正弦 - 余弦微步進(jìn)。在圖5中，整個(gè)步驟中的微步數(shù)是4。這被稱為四分頻微步進(jìn)。

圖5：在四分頻正弦 - 余弦微步進(jìn)中，通過(guò)改變模擬正弦交流波形中的相電流來(lái)減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。 （來(lái)源：Digi-Key）

雖然有些驅(qū)動(dòng)器可以支持高達(dá)256分頻的微步進(jìn)，但實(shí)際上，最小步長(zhǎng)和步進(jìn)可重復(fù)性是負(fù)載動(dòng)態(tài)的函數(shù)，電機(jī)繞組特性，以及驅(qū)動(dòng)器電壓和電流能力。

救援的集成驅(qū)動(dòng)器

監(jiān)控?cái)z像機(jī)定位系統(tǒng)通常需要從幾度到超過(guò)200度/秒的平移速率以及每秒5?到10?的傾斜速率。機(jī)械扭矩范圍通常約為10盎司 - 英寸，電機(jī)輸入電壓通常在12 V至40 V范圍內(nèi)。

微步進(jìn)提供平滑的步進(jìn)能力，快速平移，傾斜和變焦速率，以及精確定位監(jiān)控?cái)z像系統(tǒng)所需要的。然而，滿足這些要求的驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備是復(fù)雜的。幸運(yùn)的是，市場(chǎng)上有很好的集成驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品可以大大簡(jiǎn)化工作。

Allegro Microsystems的A5984是一款帶有轉(zhuǎn)換器的微步驅(qū)動(dòng)器，非常適合單軸攝像機(jī)定位應(yīng)用。它可以提供全，半和微步進(jìn)模式，最高可達(dá)32分。它的工作電壓范圍為8到40 VDC，每相可以輸出和吸收高達(dá)2 A.它采用24引腳QFN或TSSOP封裝，可輕松適應(yīng)小型定位系統(tǒng)。這些封裝都具有裸露焊盤，有助于熱管理。

圖6顯示了A5984的功能框圖。 DIR引腳決定電機(jī)方向，STEP引腳使電機(jī)以完整或分步的方式前進(jìn)，具體取決于MSx引腳。 MSx引腳選擇全步，半步或4,8,16或32分頻模式。翻譯器負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)這些模式所需的相序?？刂栖浖恍铻槊看我苿?dòng)增量設(shè)置方向和脈沖STEP引腳。這允許使用簡(jiǎn)單，低成本，低功耗的MCU。

圖6：在帶有轉(zhuǎn)換器的Allegro Microsystems的A5984微步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器中，內(nèi)部雙H橋驅(qū)動(dòng)器由轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部控制邏輯和恒定關(guān)斷時(shí)間脈沖寬度調(diào)制（PWM）驅(qū)動(dòng)器控制，易于使用。 （來(lái)源：Allegro Microsystems）

每相的電流通過(guò)固定的關(guān)斷時(shí)間脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制進(jìn)行調(diào)節(jié)。一個(gè)特殊功能是自適應(yīng)百分比快速衰減（APFD）電流控制模式。 APFD逐步自動(dòng)調(diào)節(jié)電流控制斬波電路中的衰減量。這消除了電流連續(xù)性通過(guò)零的問(wèn)題，這可能導(dǎo)致在低速時(shí)錯(cuò)過(guò)步驟（圖7和8）。此功能在相機(jī)定位系統(tǒng)中很重要，因?yàn)殄e(cuò)過(guò)的脈沖顯示為運(yùn)動(dòng)抖動(dòng)。 APFD還可以降低系統(tǒng)中的整體電流紋波，從而增強(qiáng)平穩(wěn)運(yùn)行。

圖7：固定斬波器衰減時(shí)間可導(dǎo)致零交叉處錯(cuò)過(guò)脈沖以踩踏速度慢。 （來(lái)源：Allegro Microsystems）

圖8：自適應(yīng)百分比快速衰減（APFD）為每個(gè)脈沖添加適當(dāng)數(shù)量的快速衰減，以消除電流不連續(xù)性和慢速錯(cuò)過(guò)脈沖。 （來(lái)源：Allegro Microsystems）

通過(guò)禁用輸出，電機(jī)輸出可自動(dòng)保護(hù)，免受短路負(fù)載和電池短路或接地短路。這些故障通過(guò)nFAULT引腳報(bào)告。還提供欠壓鎖定和熱關(guān)斷以提供額外保護(hù)。

此驅(qū)動(dòng)器系列中的其他器件可用，包括用于雙軸應(yīng)用的雙驅(qū)動(dòng)器。

超平滑雙驅(qū)動(dòng)器

定位系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制的另一種方法可以在安森美半導(dǎo)體的LV8714TA中找到。這是一款雙步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，因此可以處理平移和傾斜任務(wù)。它可以驅(qū)動(dòng)8至16 V的電機(jī)，每相最高1.5 A.它采用節(jié)省空間的7 x 7 mm TQFP裸露焊盤封裝（圖9）。

圖9：安森美半導(dǎo)體的LV8714TA集成了雙步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，因此一部分可以驅(qū)動(dòng)平移和傾斜電機(jī)。 （來(lái)源：安森美半導(dǎo)體）

每個(gè)電機(jī)由兩個(gè)使能引腳和兩個(gè)輸入引腳控制。輸入引腳上的相位輸入序列決定了步進(jìn)的方向，如表1所示。

INx ENA1，ENA2相位方向0-90 90-180 180-270 270-360 IN1 HLLHH正轉(zhuǎn)IN2 HHLLH IN1 HHLLH反轉(zhuǎn)IN2 HLLHH

表1：LV8714TA步進(jìn)方向由電機(jī)INx引腳上的相位輸入序列控制。 （來(lái)源：安森美半導(dǎo)體）

與大多數(shù)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器不同，LV8714TA不采用外部電流檢測(cè)電阻。相反，它使用專有的內(nèi)部電流檢測(cè)機(jī)制來(lái)結(jié)合VREFx引腳（每個(gè)電機(jī)相位一個(gè)）監(jiān)視和控制線圈電流。相位中所需的最大線圈電流由連接到RCSx引腳的電阻設(shè)置。該相VREFx引腳的恒定值將產(chǎn)生該相的恒定電流，并且每個(gè)相變將采用一個(gè)完整的步驟，如表1所示。

但是，如果90°偏移，則完全整流電壓正弦波 - 與相位輸入同步 - 應(yīng)用于電機(jī)相對(duì)的VREFx引腳，線圈電流將通過(guò)步進(jìn)順序變化，從而產(chǎn)生微步進(jìn)。通過(guò)這種方式，可以實(shí)現(xiàn)大于256分頻的微步進(jìn)，從而實(shí)現(xiàn)超平滑操作（圖10）。

圖10：在安森美半導(dǎo)體的LV8714TA步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器上，VXF引腳上的INx引腳和全波整流正弦電壓波形相結(jié)合，可產(chǎn)生精細(xì)的微步線圈電流。 （來(lái)源：安森美半導(dǎo)體）

這種性能的折衷更多是軟件復(fù)雜性，因?yàn)橹鳈C(jī)微控制器需要在整個(gè)步驟序列中控制INx引腳和VREFx引腳。 VREFx波形可通過(guò)適當(dāng)?shù)?a href="http://wenjunhu.com/tags/數(shù)字電位器/" target="_blank">數(shù)字電位器或數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）進(jìn)行控制。

該器件具有欠壓，過(guò)流和過(guò)溫保護(hù)功能，并具有非常好的功能。低待機(jī)電流1μA（典型值）。

結(jié)論

監(jiān)控?cái)z像機(jī)定位系統(tǒng)需要平穩(wěn)準(zhǔn)確的操作，以滿足高分辨率攝像機(jī)和先進(jìn)監(jiān)控軟件的需求。雙極步進(jìn)電機(jī)與合適的微步進(jìn)控制器相結(jié)合，可以提供這種性能水平，同時(shí)滿足成本，能源效率和包裝需求。