全球范圍內(nèi)的安全和安全問題導(dǎo)致安全和監(jiān)控攝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，用于生物識別和面部識別分析。

然而，為了使生物識別算法正常工作，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)動時出現(xiàn)不必要的圖像失真。許多需要謹(jǐn)慎或遠(yuǎn)程訪問的應(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，包括靜止時的全扭矩，出色的啟動，停止和反向響應(yīng)時間，無誤差累積的運(yùn)動重復(fù)性，以及固定步長的簡單開環(huán)控制。

然而，固定步長是一個限制 - 即使200步/旋轉(zhuǎn)電機(jī)的步長為1.8°，對于高分辨率視頻來說也不夠平滑。這可以通過微步進(jìn)來克服，新的微步進(jìn)驅(qū)動器IC使設(shè)計人員能夠快速實現(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）和混合動力。永磁電動機(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)子看起來很像齒輪）。 VR電機(jī)的工作原理是在最小間隙時發(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)有一個齒形轉(zhuǎn)子，如VR電機(jī)，以及一個軸向軸周圍的磁化同心磁鐵。這種布置提供了類似于VR電動機(jī)的步長（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，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)中的兩個選項。

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繞組，帶有中心抽頭。中心抽頭通常連接到電動機(jī)電壓源，每個繞組的兩端交替接地，以反轉(zhuǎn)該繞組提供的磁場方向。這使電機(jī)控制簡單，但電機(jī)效率較低，因為一次只使用一半繞組。

圖2 ：在雙相雙極繞組中，使用H橋驅(qū)動器反轉(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)動電流更復(fù)雜。通常，這是通過H橋驅(qū)動器完成的，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)控攝像機(jī)中使用的步進(jìn)電機(jī)通常是兩相混合型或PM雙極型。在兩相電動機(jī)中，定子中的電磁鐵對略微偏移，使得當(dāng)一個繞組斷電并且下一個繞組接通時，齒將被吸引到下一個位置。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)有兩個繞組。通過順序改變繞組中的電流來移動轉(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，每個繞組中的相電流為-Imax或+ Imax。每次狀態(tài)變化都會使電機(jī)向前移動一步。 （來源：Digi-Key）

在全步操作中，每個繞組中的電流為-Imax或+ Imax。圖3時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90?狀態(tài)變化都會使電機(jī)向前移動一步。相圖箭頭（相量）的長度顯示在EQ1中：

轉(zhuǎn)矩與電流（直到磁飽和）和相量長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影響。

圖4顯示了半步進(jìn)操作。這里允許每個繞組中的電流為-Imax，0或+ Imax。這允許在整個步驟之間進(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。請注意，當(dāng)一個繞組值為0時，軸上的相量長度較短（約70％）。通過增加另一個繞組中的電流可以稍微減輕該轉(zhuǎn)矩脈動。

圖4：在半步操作中，每個繞組中的電流為-Imax，0或+ Imax。這使步數(shù)加倍，但存在電流和轉(zhuǎn)矩波動。 （來源：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度的正弦交流波形的方式變化，如圖5所示，您可以通過低扭矩紋波實現(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，通過改變模擬正弦交流波形中的相電流來減小轉(zhuǎn)矩脈動。 （來源：Digi-Key）

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

救援的集成驅(qū)動器

監(jiān)控攝像機(jī)定位系統(tǒng)通常需要從幾度到超過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)控攝像系統(tǒng)所需要的。然而，滿足這些要求的驅(qū)動電子設(shè)備是復(fù)雜的。幸運(yùn)的是，市場上有很好的集成驅(qū)動器產(chǎn)品可以大大簡化工作。

Allegro Microsystems的A5984是一款帶有轉(zhuǎn)換器的微步驅(qū)動器，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)實現(xiàn)這些模式所需的相序。控制軟件只需為每次移動增量設(shè)置方向和脈沖STEP引腳。這允許使用簡單，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)動器中，內(nèi)部雙H橋驅(qū)動器由轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部控制邏輯和恒定關(guān)斷時間脈沖寬度調(diào)制（PWM）驅(qū)動器控制，易于使用。 （來源：Allegro Microsystems）

每相的電流通過固定的關(guān)斷時間脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制進(jìn)行調(diào)節(jié)。一個特殊功能是自適應(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)性通過零的問題，這可能導(dǎo)致在低速時錯過步驟（圖7和8）。此功能在相機(jī)定位系統(tǒng)中很重要，因為錯過的脈沖顯示為運(yùn)動抖動。 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：固定斬波器衰減時間可導(dǎo)致零交叉處錯過脈沖以踩踏速度慢。 （來源：Allegro Microsystems）

圖8：自適應(yīng)百分比快速衰減（APFD）為每個脈沖添加適當(dāng)數(shù)量的快速衰減，以消除電流不連續(xù)性和慢速錯過脈沖。 （來源：Allegro Microsystems）

通過禁用輸出，電機(jī)輸出可自動保護(hù)，免受短路負(fù)載和電池短路或接地短路。這些故障通過nFAULT引腳報告。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)動器。

超平滑雙驅(qū)動器

定位系統(tǒng)運(yùn)動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)動器，因此可以處理平移和傾斜任務(wù)。它可以驅(qū)動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)動器，因此一部分可以驅(qū)動平移和傾斜電機(jī)。 （來源：安森美半導(dǎo)體）

每個電機(jī)由兩個使能引腳和兩個輸入引腳控制。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。 （來源：安森美半導(dǎo)體）

與大多數(shù)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器不同，LV8714TA不采用外部電流檢測電阻。相反，它使用專有的內(nèi)部電流檢測機(jī)制來結(jié)合VREFx引腳（每個電機(jī)相位一個）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，并且每個相變將采用一個完整的步驟，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)相對的VREFx引腳，線圈電流將通過步進(jìn)順序變化，從而產(chǎn)生微步進(jìn)。通過這種方式，可以實現(xiàn)大于256分頻的微步進(jìn)，從而實現(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，因為主機(jī)微控制器需要在整個步驟序列中控制INx引腳和VREFx引腳。 VREFx波形可通過適當(dāng)?shù)?a href="http://www.brongaenegriffin.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，過流和過溫保護(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)控攝像機(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，同時滿足成本，能源效率和包裝需求。