更平滑的恒流步进控制提供更清晰的安防视频

摘要：本文介绍了步进电机在安防视频系统上的应用及控制策略，并介绍了LV8714控制器的优越性。

　　一种新的控制策略，不仅使步进电机如在伺服拓扑模式一样平滑地移动，还有助于确保前后一致的位置精度和出色的分辨率。

　　运动和定位应用(如平移和倾斜安防摄像机)可通过采用步进电机或伺服控制的有刷/无刷直流电机来实现。可通过计步的方式来控制步进电机。由于无需位置反馈，控制系统可被更容易地设计和更便宜地生产。采用步进电机/驱动器/控制器实现系统设计，假定步进电机将遵循数字指令。步进电机的一个重要方面是无需反馈就能保持位置的控制，这将步进电机归类为开环系统。

步进电机和控制策略

　　根据转子结构，步进电机有3种基本类型。可变磁阻电机(VR)具有齿的转子和绕组定子，往往适用于低扭矩应用，如定位微机制;永磁步进电机(PM)通常较可变磁阻电机更便宜，并结合一个采用南北极交替磁化的转子;还有混合动力电机(HB)，具有一个转子，被磁化并由齿以引导磁通产生整体更强的转矩特性。此外，根据电磁线圈的绕组排列，它们被归类为单极步进和双极步进。本文将介绍双极步进。

　　步进电机有自己的步进角。一般情况下，PM为7.5°~15°，HB为0.9°~3.6°。相较PM，HB的成本很高。步进角是由电机的磁极数确定的。例如，电机的磁极数为48时，步进角为7.5°;磁极数为400时，步进角为0.9°。本文在讨论全步、半步或微步时，需要参照图1所示的定子磁链的电角度，并需要将它和步进角区分开来。

　　图1显示在微步中磁极间有16电角度。步进角(磁极间的角度)取决于电机，因此，我们显示的这些数字指电机的磁极处于90°的数字。在这种情况下，θ 0~θ 16直接显示转子位置。如果步进角为7.5°，则应该将数字从90°转为7.5°。

　　同时，步进角指电机以全步运行时转子转动角度的步幅。例如，当电机全步运行时，采用7.5°步进角将以48步旋转360°。它是半步步幅的两倍多，是1/4步幅的4倍多。

　　换句话说，步进电机可通过励磁模式采用更小角度步进(=微步分辨率)，如表1所示。因此，微步可减少振动或噪声，即使电机更便宜，且步进角不是很小。

　　安装在户外的安防摄像机要求更小的步幅控制，因为摄像机需要高功率的缩放。从而当摄像机以更小的角度移动时可避免死角，如图2所示。过去，设计人员采用齿轮减速电机以便通过全步或半步的更小步来控制。微步可减小齿轮的成本和尺寸。

　　全步或半步产生的振荡足以影响一台平移/倾斜安防摄像机的视频质量，引起图像模糊。这一问题在采用低成本的图像传感器的摄像机中更为严重。采用微步控制电机可克服这一问题。

实现更平滑运动的控制方式

　　该控制器集成4H桥用于控制步进电机相位，每一H桥输出到IC的引脚A和引脚B，引脚A和B的设置用于控制一个双极步进电机，4H桥提供足够的通道以控制两个双极电机。电机线圈电流是根据外部电阻和基准电压来设定的。专有的无损耗电流检测机制省去外部电源电阻，从而增强整体能效。

　　在恒流PWM模式下，在充电阶段对线圈施加电压，直到电流达到预设的最大值。这可在图3的时序图中(1.CHARGE)看到，其中A=高，B=低。在状态3这一点，控制器进入缓慢衰减阶段，通过在内部对输出A和B短路(A=低，B=低)，使电流循环流过桥的低边。最后，在状态5处，施加到线圈的偏置电压被反转(A=低，B=高)，导致线圈电流的快速衰减。控制器在状态2、4和6处插入处理死区时间，以防止H桥开关转换时的击穿。图3中的状态3和状态5称为同步整流。

　　由于近来物联网市场的扩张，对小尺寸的监控摄像机/网络摄像机的需求已越来越高。要求更低噪声、更低功耗和更小的占位面积。

　　LV8714 H桥除了通过无损耗的电流检测电路实现节能，还内置极低RDS(ON)的MOSFET和采用同步整流，较替代方案进一步提升能效。此外，该控制器在空转时进入低功耗待机模式。这些特性可帮助由电池供电或以太网(PoE)供电的摄像机应用实现节能。

　　该控制器还能采用超过256步微步和传统的半步或全部控制模式。评估套件和易于使用的配置软件简化了控制器的设置，有助于简化应用开发。

结论

　　监控摄像机是全世界安防工作的支柱。运营商渴望获取更多的信息，尤其是能从捕获的图像识别嫌疑人，要求清晰、高分辨率的图像。过去，基于步进电机来移动摄像头的低成本机制已难以实现这需求。步进控制的最新进展，如恒流PWM模式，令低成本运动控制能提供平滑的摄像头移动获取更清晰的图片。

本文来源于中国科技期刊《电子产品世界》2016年第6期第13页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。