郭志潔

【摘 要】 作者描述了作為高速球型攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要執(zhí)行元件——步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)原理和控制方案。報(bào)告應(yīng)用基于模型的技術(shù)，分析了步進(jìn)電機(jī)的特性，設(shè)計(jì)了一種在單芯片（SoC，System On Chip）上實(shí)現(xiàn)的新型高速球型攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)控制的電子系統(tǒng)級(jí)方案。該方案針對(duì)步進(jìn)電機(jī)高精度驅(qū)動(dòng)控制設(shè)計(jì)需求，建立了運(yùn)動(dòng)控制電子系統(tǒng)各個(gè)設(shè)計(jì)層次上的模型，通過(guò)仿真探索其系統(tǒng)架構(gòu)及性能優(yōu)化。文章分兩篇組織，系統(tǒng)分析篇（設(shè)計(jì)目標(biāo)，系統(tǒng)分析）和系統(tǒng)綜合篇（系統(tǒng)設(shè)計(jì)）。

【關(guān)鍵詞】 高速球型攝像機(jī) 步進(jìn)電機(jī) 驅(qū)動(dòng)控制 建模 仿真

高速球型攝像機(jī)匯集了攝像機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制、嵌入式計(jì)算機(jī)及以通訊技術(shù)，在安全防范領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。行業(yè)和技術(shù)生態(tài)的一個(gè)明顯趨勢(shì)是：監(jiān)視和控制系統(tǒng)中更多的智能將分布到狹小封閉空間的系統(tǒng)前端，因此技術(shù)創(chuàng)新必須要關(guān)注多種技術(shù)的融合。

1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

1.1 關(guān)鍵需求

步進(jìn)電機(jī)是開(kāi)環(huán)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的執(zhí)行元件，在球型攝像機(jī)中的應(yīng)用還將有很大的潛力和優(yōu)勢(shì)，但高速運(yùn)動(dòng)與精確位置控制是關(guān)鍵需求。

1.2 系統(tǒng)級(jí)方案

SoC（System on Chip），在芯片上實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、處理和I/O等功能。當(dāng)SoC集成模擬電子部件時(shí)，它進(jìn)一步為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的嵌入式應(yīng)用建立了系統(tǒng)平臺(tái)，這有益于系統(tǒng)級(jí)技術(shù)融合。

2 系統(tǒng)分析

高速球型攝像機(jī)的位置控制系統(tǒng)使用SoC系統(tǒng)級(jí)資源，就能在芯片級(jí)和PCB板級(jí)很小的空間內(nèi)達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。芯片級(jí)SoC上有MCU、FPGA和模擬系統(tǒng)。PCB上分布的則是作為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)執(zhí)行部件的步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器，控制系統(tǒng)的分析將始于這兩個(gè)主要的被控對(duì)象。

2.1 步進(jìn)電機(jī)領(lǐng)域知識(shí)

2.1.1 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)

控制勵(lì)磁電流在混合型步進(jìn)電機(jī)定子中按相位順序產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，由于磁場(chǎng)強(qiáng)制磁通沿著磁阻最小的路徑閉合，轉(zhuǎn)子將因切向磁力的推動(dòng)產(chǎn)生繞軸旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩T與保持轉(zhuǎn)矩TH，定子旋轉(zhuǎn)磁通角θs，轉(zhuǎn)子位置角θr的關(guān)系為：

T=THsin（θs-θr）

2.1.2 轉(zhuǎn)矩

轉(zhuǎn)矩T與電流激勵(lì)時(shí)的磁通密度H成比例：T∝H，H與激勵(lì)和磁芯的構(gòu)造有關(guān)，即，磁通密度及由此產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與線圈匝數(shù)和激勵(lì)電流成正比而與磁通路徑的長(zhǎng)度成反比。由導(dǎo)線的功耗又可知激勵(lì)電流與線圈匝數(shù)成反比，故轉(zhuǎn)矩T∝H，與線圈匝數(shù)幾乎無(wú)關(guān)。

定子繞組線圈匝數(shù)n與線圈的電阻R有關(guān)，R與n2成正比，而繞組線圈的電感L也與n2成正比，故線圈繞組的阻尼時(shí)間Tc=L/R為一常數(shù)。所以，在相同定子結(jié)構(gòu)條件下，增加繞組的線圈匝數(shù)可以提高輸出轉(zhuǎn)矩，而不會(huì)增加電流消耗和時(shí)間常數(shù)。

2.1.3 相數(shù)、極數(shù)和步距角

最常見(jiàn)混合型微型步進(jìn)電機(jī)是兩相（雙極）定子線圈繞組的。混合型步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的步距角為：

S=360/（Nph Ph）=360/N

這里，Nph為定子每相具有的等效磁極數(shù)，Ph是步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)，N為全相擁有的磁極總數(shù)。球型攝像機(jī)常用的混合式步進(jìn)電機(jī)的步距角是1.8°或0.9°。

2.1.4 步距角精確度

典型步進(jìn)電機(jī)具有3-5%的步進(jìn)角精度，位置誤差并不會(huì)在步距之間累積。

2.1.5 載荷、摩擦力和慣量

摩擦載荷的增加會(huì)降低峰值速度與加速度并增大位置誤差，慣性載荷也將限制最大自啟動(dòng)脈沖速率，轉(zhuǎn)子的震動(dòng)還會(huì)與摩擦和慣量載荷一起變化，這通常是通過(guò)合理驅(qū)動(dòng)策略來(lái)解耦的。

2.1.6 步進(jìn)電機(jī)的特性

（1）轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)角特性。位移角度由下式?jīng)Q定：

θ=（2π）-1 Z sin（Ta/Th）

這里，Z是轉(zhuǎn)子齒弧角，Ta為負(fù)荷轉(zhuǎn)矩，Th為電機(jī)額定保持轉(zhuǎn)矩，θ是位移角度。轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)角的關(guān)系為：

T=-H sin（（π/2）/S）θ）

H是保持轉(zhuǎn)矩，S是步距角，θ為角位移（弧度）。它的電氣轉(zhuǎn)角 θel和機(jī)械轉(zhuǎn)角θmech之間的關(guān)系為：

θel=（M/4）θmech

這里的M是轉(zhuǎn)子軸每轉(zhuǎn)一周全步角的數(shù)量。

（2）轉(zhuǎn)矩-速率特性。步進(jìn)速率影響電機(jī)轉(zhuǎn)矩的輸出能力。轉(zhuǎn)矩-速度特性是為選擇合適電機(jī)和驅(qū)動(dòng)方法的關(guān)鍵，隨電機(jī)、激勵(lì)和驅(qū)動(dòng)器類(lèi)型而變化。

（3）階躍響應(yīng)和共振。給步進(jìn)電機(jī)施加階躍脈沖時(shí)，其轉(zhuǎn)子的響應(yīng)行為跟隨過(guò)渡特性曲線，階躍時(shí)間t依賴(lài)于轉(zhuǎn)子軸慣量（載荷）；大步矩增加將會(huì)造成過(guò)沖或振鈴并存在一個(gè)穩(wěn)定時(shí)間Ts，通過(guò)適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)控制策略可以減小它們。

電機(jī)還經(jīng)常在確定的步進(jìn)速率上現(xiàn)出共振，它也依賴(lài)于載荷條件，也是通過(guò)用先進(jìn)的驅(qū)動(dòng)模式來(lái)減輕其影響。

（4）繞組屬性對(duì)電機(jī)性能的限制。激勵(lì)電壓v（t）作用到定子繞組，當(dāng)v（t）=E（電源電壓）時(shí)，線圈內(nèi)的激勵(lì)電流則為：

i（t）=（E/R）（1-e-（R/L）t）

顯然，步進(jìn)電機(jī)線圈繞組電路行為本質(zhì)上是步進(jìn)信號(hào)的低通濾波器，步進(jìn)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與激勵(lì)源的關(guān)系也隨之呈現(xiàn)這個(gè)規(guī)律。

線圈繞組的電阻是電源功耗的主要因素。為了最有效地工作，首先電機(jī)應(yīng)當(dāng)選擇使用在它最大功耗的條件下。

電感使繞組抵抗電流的變化，因而也對(duì)高速運(yùn)行產(chǎn)生限制。由于R-L電路的慣性，激勵(lì)產(chǎn)生的磁通乃至轉(zhuǎn)矩輸出也只按指數(shù)律粗略接近輸入。

2.2 驅(qū)動(dòng)控制

2.2.1 驅(qū)動(dòng)電路

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)需求有兩個(gè)主要功能：

（1）改變相繞組內(nèi)電流的方向。步進(jìn)控制需獨(dú)立地在每相繞組內(nèi)通過(guò)改變電流方向來(lái)改變磁通的方向。雙極混合型步進(jìn)電機(jī)需要兩個(gè)H橋（4個(gè)晶體管開(kāi)關(guān)組）作為換相開(kāi)關(guān)部件。endprint

（2）驅(qū)動(dòng)可控制的電流通過(guò)線圈繞組。盡可能使電流的上升和下降的時(shí)間縮短以獲得高速性能，這涉及控制繞組的電流。

2.2.2 電流控制方法的演變

有兩種基本的控制繞組電流的方法：

（1）阻抗和高電壓驅(qū)動(dòng)方案。限制電流的阻抗。用一個(gè)外加電阻Rext串聯(lián)到線圈繞組中限制電流：IM=E/（R+Rext）。這使時(shí)間常數(shù)Te=L/（R+Rext）變小了，可提升電機(jī)高速性能，但功耗大，不適合狹小空間應(yīng)用。分級(jí)電壓驅(qū)動(dòng)，也可改善高速響應(yīng)：先用高電壓電源驅(qū)動(dòng)定子，電流迅速建立后再將線圈切換到第二個(gè)正常使用的電源。缺點(diǎn)：系統(tǒng)復(fù)雜，成本高。

（2）電流衰減的路徑控制方案。另一個(gè)非常重要的方案是考慮在相位更替點(diǎn)，改變感生電流衰減的路徑，目的是使下一次的激勵(lì)電流迅速建立，見(jiàn)圖1，開(kāi)關(guān)管上并聯(lián)的二極管并非只是保護(hù)器件。換相時(shí)關(guān)閉全部晶體管，感生電流就直接向電源釋放，電流下降的速率比較快，呈現(xiàn)快衰減效應(yīng)，這對(duì)高速驅(qū)動(dòng)策略是很重要的；若電流換向后只讓一個(gè)晶體管仍然保持導(dǎo)通的狀態(tài)，則感生電流沿二極管、晶體管、繞組線圈構(gòu)成的閉合回路釋放能量，衰減時(shí)間較長(zhǎng)，故此電流路徑呈現(xiàn)慢衰減效應(yīng)。結(jié)合快衰減和慢衰減成為一種混合衰減模式，已經(jīng)被開(kāi)發(fā)以最終改善電機(jī)的控制性能。

2.2.3 恒定電流斷路控制方案

斷路控制驅(qū)動(dòng)器對(duì)于電流快速建立和換向以及恒定都是優(yōu)選方案。首先，它用比電機(jī)額定電壓VM幾倍高的電源激勵(lì)繞組，以加快過(guò)渡過(guò)程；而通過(guò)斷路器的占空比控制，使繞組中的平均電壓和電流等于正常電壓和合適建立的電流。這通常被配置成為恒定電流調(diào)節(jié)方式，見(jiàn)圖2，通過(guò)繞組電流峰值采樣以及PWM（脈寬調(diào)制）調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

恒定電流控制優(yōu)點(diǎn)是輸出轉(zhuǎn)矩得到精確控制，不受電源電壓變化的影響。同時(shí)，定子電流的建立和反轉(zhuǎn)時(shí)間盡可能很短，由于用開(kāi)關(guān)方式供電，因此定子功率消耗被最小化。

2.3 驅(qū)動(dòng)控制的模式

步進(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和運(yùn)動(dòng)控制的性能與驅(qū)動(dòng)策略的設(shè)計(jì)有很大的關(guān)系。混合型雙極步進(jìn)電機(jī)有三種基本工作模式。

2.3.1 全步驅(qū)動(dòng)

全步模式：雙極步進(jìn)電機(jī)的全步模式在每一步內(nèi)兩個(gè)繞組都被通電激勵(lì)。雙倍電流通過(guò)電機(jī)，比每一步只有一個(gè)繞組被激勵(lì)的驅(qū)動(dòng)方式要多供出40% 的轉(zhuǎn)矩輸出。兩相同時(shí)激勵(lì)的驅(qū)動(dòng)方式，電機(jī)轉(zhuǎn)子每一步的平衡位置在定子磁極中間。

圖3是全步驅(qū)動(dòng)模式的物理-空間矢量-邏輯的圖解。圖3（a）是兩相步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖，圖3（b）是驅(qū)動(dòng)激勵(lì)的空間矢量關(guān)系圖。圖3（c）是全步模式驅(qū)動(dòng)波形圖。Phase A（紅色）和Phase B（藍(lán)色）分別是兩相繞組通電的狀態(tài)，邏輯高表示該相繞組被激勵(lì)驅(qū)動(dòng)；這兩個(gè)波形的相位差為90°。IMA和IMB分別為兩個(gè)相繞組中電流的激勵(lì)狀態(tài)，邏輯高表示電流在圖中指示的相繞組里的約定方向，邏輯低表示電流反向。ΦA(chǔ)和ΦB分別表示定子內(nèi)的磁通方向，它們用箭頭表示的方向與圖3（a）中磁芯里標(biāo)出的方向應(yīng)該是一致的。Pos表示轉(zhuǎn)子的各個(gè)角位置。它們與圖3（a）、圖3（b）里的位置數(shù)字是對(duì)應(yīng)的。1、3、5、7這些位置是轉(zhuǎn)子在全步模式中的平衡位置。Dis可以對(duì)各個(gè)相的通電激勵(lì)加以輔助控制，但在此全步模式中忽略它們的邏輯關(guān)聯(lián)。

2.3.2 半步驅(qū)動(dòng)

半步模式 控制方法可以轉(zhuǎn)變?yōu)橛糜诋a(chǎn)生半步的旋轉(zhuǎn)：第一個(gè)繞組通電，然后再給第二個(gè)繞組通電，轉(zhuǎn)子就向第二個(gè)定子磁極移動(dòng)半步，可以產(chǎn)生較高的位置精度。

圖4是半步驅(qū)動(dòng)模式的圖解，圖4（a）和（b）與全步模式相同。不同的是圖4（c）：在全步模式中，位置2、4、6、8是不穩(wěn)定平衡點(diǎn)，轉(zhuǎn)子不會(huì)在這個(gè)位置停留；因?yàn)檫@個(gè)時(shí)刻有一相繞組正在切換電流的方向，它的磁通在這些個(gè)位置還沒(méi)有穩(wěn)定建立，所以轉(zhuǎn)子由于慣性會(huì)滑過(guò)這一點(diǎn)。當(dāng)該繞組在新的電流激勵(lì)方向很快地建立起了磁通，轉(zhuǎn)子就向著下一個(gè)平衡位置運(yùn)動(dòng)并停留在那里。如果讓該換相的繞組推遲一點(diǎn)時(shí)間再建立磁通，那么另外一個(gè)繞組所保持的磁通將使位置2、4、6、8成為穩(wěn)定平衡點(diǎn)，此時(shí)停留轉(zhuǎn)子的磁極性和定子的是異磁極性的且空間上是對(duì)準(zhǔn)靠近的，轉(zhuǎn)子會(huì)穩(wěn)定停留；當(dāng)那個(gè)原來(lái)準(zhǔn)備換相的繞組在這段時(shí)間過(guò)去之后于新的方向開(kāi)始被激勵(lì)，這時(shí)候又出現(xiàn)兩個(gè)定子繞組同時(shí)被激勵(lì)的狀態(tài)，就像全步模式那樣，轉(zhuǎn)子就會(huì)進(jìn)入位置1、3、5、7這些個(gè)穩(wěn)定點(diǎn)，轉(zhuǎn)子磁極處于定子相鄰磁極之間。如果每相繞組在需要換相時(shí)都受到一個(gè)抑制信號(hào)的控制（見(jiàn)圖4（c） 中的Dis A和Dis B）而關(guān)閉激勵(lì)電流，步進(jìn)電機(jī)就可以獲得比全步模式多一倍的平衡位置點(diǎn)；原來(lái)的一步驅(qū)動(dòng)就變?yōu)閮蓚€(gè)半步驅(qū)動(dòng)，穩(wěn)定位置由原來(lái)的一個(gè)步距細(xì)分為1/2步距，位置精度自然就提高了一倍。這就是“一相導(dǎo)通”與“兩相導(dǎo)通”交替運(yùn)用的半步控制方法。需要注意的是，由于在一個(gè)驅(qū)動(dòng)周期內(nèi)每一相都有兩次處于不同時(shí)激勵(lì)的狀態(tài)，總的轉(zhuǎn)軸上輸出的轉(zhuǎn)矩有時(shí)候只是由一相磁通產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩貢獻(xiàn)，這就說(shuō)明轉(zhuǎn)矩輸出不是一個(gè)常數(shù)。

改變步進(jìn)電機(jī)控制算法為半步驅(qū)動(dòng)模式，同樣步距角1.8°的混合式雙極型步進(jìn)電機(jī)，得到了高一倍的定位精度，這相當(dāng)于使用了一款價(jià)格更高的0.9°步距的步進(jìn)電機(jī)。半步驅(qū)動(dòng)策略的行為分析使用了基于模型的仿真技術(shù)，圖5給出了半步模式驅(qū)動(dòng)的各個(gè)子系統(tǒng)的模型和它們?cè)诳刂泼钭饔孟碌男袨榈姆抡娼Y(jié)果。

圖5（a）顯示指令模型根據(jù)控制協(xié)議發(fā)出的控制命令，圖5（b） 顯示按協(xié)議將控制要求解釋為在1秒鐘時(shí)刻以前用40 Hz的步進(jìn)頻率發(fā)送0.5秒的脈沖（20個(gè)），然后停止0.5秒鐘；接著在1秒鐘時(shí)刻改變步進(jìn)電機(jī)的方向。在1秒鐘時(shí)開(kāi)始以同樣的 40Hz 的步進(jìn)頻率發(fā)送0.5秒的脈沖（也是20個(gè)），然后停止步進(jìn)。示波器圖形顯示脈沖的密度將比全步模式高一倍，這是為了要驅(qū)動(dòng)相當(dāng)于期望的0.9°步距的電機(jī)。圖5（c）中的模型將脈沖串和方向控制指令用半步驅(qū)動(dòng)策略來(lái)實(shí)現(xiàn)，從該圖的示波器顯示明顯不同于全步模式下的相電流波形。圖5（d）可見(jiàn)半步模式的驅(qū)動(dòng)使使輸出轉(zhuǎn)角以0.9°的步幅在步進(jìn)脈沖的作用下遞增或遞減，然而執(zhí)行的電機(jī)模型并沒(méi)有更換。圖5（d）的這部分可以看到在相同的時(shí)間內(nèi)，全步模式實(shí)際用了10步定位在18°而半步模式卻可以用20步定位在同樣的停止位置，位置精度確實(shí)提高了一倍。圖形的細(xì)節(jié)部分也顯示步進(jìn)脈沖階躍響應(yīng)的過(guò)沖振蕩幅度較之全步模式要小，波形也平滑；所以可以較少地出現(xiàn)由于共振現(xiàn)象帶來(lái)的問(wèn)題，而這種現(xiàn)象當(dāng)轉(zhuǎn)矩失步或者高速步進(jìn)時(shí)會(huì)顯得嚴(yán)重些。所以，半步模式也是作為克服共振問(wèn)題的一種策略。圖5（c）中相位A和B的電流波形看上去是兩個(gè)粗糙的正弦/余弦曲線。如果將這兩個(gè)波形換成理想的正弦/余弦曲線，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角輸出將會(huì)是怎樣的？endprint

雖然半步模式可以產(chǎn)生比全步模式較高的位置精度，但是，不能提供一周都保持轉(zhuǎn)矩為常數(shù)。在只有一相導(dǎo)通位置上的轉(zhuǎn)矩貢獻(xiàn)是兩相導(dǎo)通的70%。

圖5還顯示了半步驅(qū)動(dòng)模式控制策略開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)測(cè)試的結(jié)果。由于相電流波形的樣式（圖5（c））非常像粗糙的正弦/余弦曲線，如果使用純正弦/余弦規(guī)律的電流來(lái)激勵(lì)步進(jìn)電機(jī)，仿真會(huì)給出怎樣的結(jié)果？微步驅(qū)動(dòng)模式正式在這樣的背景下被啟發(fā)的。

2.3.3 微步驅(qū)動(dòng)

微步模式：微步模式是半步工作模式的擴(kuò)展，這種模式是在微小的步距角內(nèi)激勵(lì)電流按比例縮放。通過(guò)縮放兩個(gè)繞組疊加所貢獻(xiàn)的轉(zhuǎn)矩矢量比例而產(chǎn)生轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)。當(dāng)兩相都通電并且每一相的激勵(lì)電流又不相同，相電流的比率就決定了轉(zhuǎn)子的位置。改變兩相電流比率的方法將在轉(zhuǎn)軸上產(chǎn)生每個(gè)全步角距內(nèi)若干個(gè)細(xì)分的離散角位移。此時(shí)，步距1.8°的步進(jìn)電機(jī)并沒(méi)有升級(jí)，但是通過(guò)微步驅(qū)動(dòng)策略可以得到2-m的全步角距的細(xì)分（m是細(xì)分級(jí)數(shù)），這樣可以得到超平滑的微步驅(qū)動(dòng)而不必考慮所選擇電機(jī)的步距大小，大大提高了系統(tǒng)的性能/價(jià)格比。當(dāng)然，微步驅(qū)動(dòng)模式還增加了步進(jìn)角的準(zhǔn)確度和精確度。微步模式也減小了其他控制模式表現(xiàn)出來(lái)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)現(xiàn)象和共振條件，這在很多應(yīng)用場(chǎng)合都是需要認(rèn)真考慮的問(wèn)題。

從實(shí)現(xiàn)微步驅(qū)動(dòng)技術(shù)的角度來(lái)分析，利用SoC芯片上豐富的資源可以產(chǎn)生可編程邏輯硬件的狀態(tài)機(jī)作為協(xié)處理器來(lái)驅(qū)動(dòng)微步控制邏輯；可以利用可編程PWM（脈寬調(diào)制）部件和模擬比較器來(lái)構(gòu)建恒定電流斷路器；還可以利用可配置邏輯部件來(lái)實(shí)現(xiàn)定子繞組感生電流的衰減路徑模式的控制。其它集成形式的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)專(zhuān)用控制器很難具有這種方案的靈活及便利性。所以，微步模式的混合型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器的解決方案將將會(huì)被選擇實(shí)現(xiàn)這個(gè)高速球型攝像機(jī)位置控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

3 結(jié)語(yǔ)

位置控制系統(tǒng)中的執(zhí)行元件特性決定了控制算法，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)對(duì)系統(tǒng)高速運(yùn)動(dòng)和精確定位的性能提高是非常關(guān)鍵的，好的驅(qū)動(dòng)策略往往可以降低對(duì)步進(jìn)電機(jī)步距精度的要求。

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)科學(xué)和工程給微電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用帶來(lái)了全新的面貌。人們認(rèn)識(shí)電磁規(guī)律的手段也發(fā)生了革新；基于電子系統(tǒng)級(jí)的應(yīng)用軟件能夠通過(guò)建模、仿真和設(shè)計(jì)迭代，極大改進(jìn)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)分析階段，仿真技術(shù)能夠幫助設(shè)計(jì)人員理解相關(guān)的領(lǐng)域知識(shí)，并建立起可運(yùn)行的設(shè)計(jì)規(guī)范模型，這些模型成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段的快速原型是很有價(jià)值的參照。系統(tǒng)設(shè)計(jì)將在本文的續(xù)篇（系統(tǒng)綜合篇）描述。

參考文獻(xiàn)：

[1]http：//www.solarbotics.net/library/pdflib/pdf/motorbas.pdf.

[2]Industrial Circuit Application Note：“Stepper motor and driver selection”

[3]COMSOL Tutorial Models. Motors and Drives Models：”Generator in 2D”；”Generator with Mechanical Dynamics and Symmetry”.

[4]G.Kastinger，Robert Bosch GmbH：”Design of a novel transverse flux machine”.

[5]www.mathworks.com.

[6]JMAG Application Catalog：”Analysis of a Hybrid Stepper Motor”，2006-10-31.

[7]Cypress Semiconductor，Document Number：001-56551，"PSoC（R）3 Stepper Motor Control with Precision Microstepping"，October 9， 2009.

[8]Industrial Circuit Application Note： “Half stepping techniques”.

[9]Industrial Circuit Application Note：“Microstepping”.

[10]Alexandru MORAR：”Intelligent Microstepping System for Stepper Motor Control”.

[11]J.B.Grimbleby：”Stepping Motors”，October，2007.

[12]http：//en.wikipedia.org/wiki/Finite-state machine.

[13]James R.Armstrong，F(xiàn).Gail Gray："VHDL Design Representation and Synthesis，Second Edition".ISBN 7-111-09539-1.

[14]http：//www.actel.com.

[15]Allegro MicroSystems，Inc.29319.34 Rev.2 “Dual DMOS Full-Bride Microstepping PWM Motor Driver”.endprint

雖然半步模式可以產(chǎn)生比全步模式較高的位置精度，但是，不能提供一周都保持轉(zhuǎn)矩為常數(shù)。在只有一相導(dǎo)通位置上的轉(zhuǎn)矩貢獻(xiàn)是兩相導(dǎo)通的70%。

圖5還顯示了半步驅(qū)動(dòng)模式控制策略開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)測(cè)試的結(jié)果。由于相電流波形的樣式（圖5（c））非常像粗糙的正弦/余弦曲線，如果使用純正弦/余弦規(guī)律的電流來(lái)激勵(lì)步進(jìn)電機(jī)，仿真會(huì)給出怎樣的結(jié)果？微步驅(qū)動(dòng)模式正式在這樣的背景下被啟發(fā)的。

2.3.3 微步驅(qū)動(dòng)

微步模式：微步模式是半步工作模式的擴(kuò)展，這種模式是在微小的步距角內(nèi)激勵(lì)電流按比例縮放。通過(guò)縮放兩個(gè)繞組疊加所貢獻(xiàn)的轉(zhuǎn)矩矢量比例而產(chǎn)生轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)。當(dāng)兩相都通電并且每一相的激勵(lì)電流又不相同，相電流的比率就決定了轉(zhuǎn)子的位置。改變兩相電流比率的方法將在轉(zhuǎn)軸上產(chǎn)生每個(gè)全步角距內(nèi)若干個(gè)細(xì)分的離散角位移。此時(shí)，步距1.8°的步進(jìn)電機(jī)并沒(méi)有升級(jí)，但是通過(guò)微步驅(qū)動(dòng)策略可以得到2-m的全步角距的細(xì)分（m是細(xì)分級(jí)數(shù)），這樣可以得到超平滑的微步驅(qū)動(dòng)而不必考慮所選擇電機(jī)的步距大小，大大提高了系統(tǒng)的性能/價(jià)格比。當(dāng)然，微步驅(qū)動(dòng)模式還增加了步進(jìn)角的準(zhǔn)確度和精確度。微步模式也減小了其他控制模式表現(xiàn)出來(lái)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)現(xiàn)象和共振條件，這在很多應(yīng)用場(chǎng)合都是需要認(rèn)真考慮的問(wèn)題。

從實(shí)現(xiàn)微步驅(qū)動(dòng)技術(shù)的角度來(lái)分析，利用SoC芯片上豐富的資源可以產(chǎn)生可編程邏輯硬件的狀態(tài)機(jī)作為協(xié)處理器來(lái)驅(qū)動(dòng)微步控制邏輯；可以利用可編程PWM（脈寬調(diào)制）部件和模擬比較器來(lái)構(gòu)建恒定電流斷路器；還可以利用可配置邏輯部件來(lái)實(shí)現(xiàn)定子繞組感生電流的衰減路徑模式的控制。其它集成形式的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)專(zhuān)用控制器很難具有這種方案的靈活及便利性。所以，微步模式的混合型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器的解決方案將將會(huì)被選擇實(shí)現(xiàn)這個(gè)高速球型攝像機(jī)位置控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

3 結(jié)語(yǔ)

位置控制系統(tǒng)中的執(zhí)行元件特性決定了控制算法，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)對(duì)系統(tǒng)高速運(yùn)動(dòng)和精確定位的性能提高是非常關(guān)鍵的，好的驅(qū)動(dòng)策略往往可以降低對(duì)步進(jìn)電機(jī)步距精度的要求。

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)科學(xué)和工程給微電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用帶來(lái)了全新的面貌。人們認(rèn)識(shí)電磁規(guī)律的手段也發(fā)生了革新；基于電子系統(tǒng)級(jí)的應(yīng)用軟件能夠通過(guò)建模、仿真和設(shè)計(jì)迭代，極大改進(jìn)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)分析階段，仿真技術(shù)能夠幫助設(shè)計(jì)人員理解相關(guān)的領(lǐng)域知識(shí)，并建立起可運(yùn)行的設(shè)計(jì)規(guī)范模型，這些模型成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段的快速原型是很有價(jià)值的參照。系統(tǒng)設(shè)計(jì)將在本文的續(xù)篇（系統(tǒng)綜合篇）描述。

參考文獻(xiàn)：

[1]http：//www.solarbotics.net/library/pdflib/pdf/motorbas.pdf.

[2]Industrial Circuit Application Note：“Stepper motor and driver selection”

[3]COMSOL Tutorial Models. Motors and Drives Models：”Generator in 2D”；”Generator with Mechanical Dynamics and Symmetry”.

[4]G.Kastinger，Robert Bosch GmbH：”Design of a novel transverse flux machine”.

[5]www.mathworks.com.

[6]JMAG Application Catalog：”Analysis of a Hybrid Stepper Motor”，2006-10-31.

[7]Cypress Semiconductor，Document Number：001-56551，"PSoC（R）3 Stepper Motor Control with Precision Microstepping"，October 9， 2009.

[8]Industrial Circuit Application Note： “Half stepping techniques”.

[9]Industrial Circuit Application Note：“Microstepping”.

[10]Alexandru MORAR：”Intelligent Microstepping System for Stepper Motor Control”.

[11]J.B.Grimbleby：”Stepping Motors”，October，2007.

[12]http：//en.wikipedia.org/wiki/Finite-state machine.

[13]James R.Armstrong，F(xiàn).Gail Gray："VHDL Design Representation and Synthesis，Second Edition".ISBN 7-111-09539-1.

[14]http：//www.actel.com.

[15]Allegro MicroSystems，Inc.29319.34 Rev.2 “Dual DMOS Full-Bride Microstepping PWM Motor Driver”.endprint

雖然半步模式可以產(chǎn)生比全步模式較高的位置精度，但是，不能提供一周都保持轉(zhuǎn)矩為常數(shù)。在只有一相導(dǎo)通位置上的轉(zhuǎn)矩貢獻(xiàn)是兩相導(dǎo)通的70%。

圖5還顯示了半步驅(qū)動(dòng)模式控制策略開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)測(cè)試的結(jié)果。由于相電流波形的樣式（圖5（c））非常像粗糙的正弦/余弦曲線，如果使用純正弦/余弦規(guī)律的電流來(lái)激勵(lì)步進(jìn)電機(jī)，仿真會(huì)給出怎樣的結(jié)果？微步驅(qū)動(dòng)模式正式在這樣的背景下被啟發(fā)的。

2.3.3 微步驅(qū)動(dòng)

微步模式：微步模式是半步工作模式的擴(kuò)展，這種模式是在微小的步距角內(nèi)激勵(lì)電流按比例縮放。通過(guò)縮放兩個(gè)繞組疊加所貢獻(xiàn)的轉(zhuǎn)矩矢量比例而產(chǎn)生轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)。當(dāng)兩相都通電并且每一相的激勵(lì)電流又不相同，相電流的比率就決定了轉(zhuǎn)子的位置。改變兩相電流比率的方法將在轉(zhuǎn)軸上產(chǎn)生每個(gè)全步角距內(nèi)若干個(gè)細(xì)分的離散角位移。此時(shí)，步距1.8°的步進(jìn)電機(jī)并沒(méi)有升級(jí)，但是通過(guò)微步驅(qū)動(dòng)策略可以得到2-m的全步角距的細(xì)分（m是細(xì)分級(jí)數(shù)），這樣可以得到超平滑的微步驅(qū)動(dòng)而不必考慮所選擇電機(jī)的步距大小，大大提高了系統(tǒng)的性能/價(jià)格比。當(dāng)然，微步驅(qū)動(dòng)模式還增加了步進(jìn)角的準(zhǔn)確度和精確度。微步模式也減小了其他控制模式表現(xiàn)出來(lái)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)現(xiàn)象和共振條件，這在很多應(yīng)用場(chǎng)合都是需要認(rèn)真考慮的問(wèn)題。

從實(shí)現(xiàn)微步驅(qū)動(dòng)技術(shù)的角度來(lái)分析，利用SoC芯片上豐富的資源可以產(chǎn)生可編程邏輯硬件的狀態(tài)機(jī)作為協(xié)處理器來(lái)驅(qū)動(dòng)微步控制邏輯；可以利用可編程PWM（脈寬調(diào)制）部件和模擬比較器來(lái)構(gòu)建恒定電流斷路器；還可以利用可配置邏輯部件來(lái)實(shí)現(xiàn)定子繞組感生電流的衰減路徑模式的控制。其它集成形式的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)專(zhuān)用控制器很難具有這種方案的靈活及便利性。所以，微步模式的混合型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器的解決方案將將會(huì)被選擇實(shí)現(xiàn)這個(gè)高速球型攝像機(jī)位置控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

3 結(jié)語(yǔ)

位置控制系統(tǒng)中的執(zhí)行元件特性決定了控制算法，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)對(duì)系統(tǒng)高速運(yùn)動(dòng)和精確定位的性能提高是非常關(guān)鍵的，好的驅(qū)動(dòng)策略往往可以降低對(duì)步進(jìn)電機(jī)步距精度的要求。

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)科學(xué)和工程給微電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用帶來(lái)了全新的面貌。人們認(rèn)識(shí)電磁規(guī)律的手段也發(fā)生了革新；基于電子系統(tǒng)級(jí)的應(yīng)用軟件能夠通過(guò)建模、仿真和設(shè)計(jì)迭代，極大改進(jìn)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)分析階段，仿真技術(shù)能夠幫助設(shè)計(jì)人員理解相關(guān)的領(lǐng)域知識(shí)，并建立起可運(yùn)行的設(shè)計(jì)規(guī)范模型，這些模型成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段的快速原型是很有價(jià)值的參照。系統(tǒng)設(shè)計(jì)將在本文的續(xù)篇（系統(tǒng)綜合篇）描述。

參考文獻(xiàn)：

[1]http：//www.solarbotics.net/library/pdflib/pdf/motorbas.pdf.

[2]Industrial Circuit Application Note：“Stepper motor and driver selection”

[3]COMSOL Tutorial Models. Motors and Drives Models：”Generator in 2D”；”Generator with Mechanical Dynamics and Symmetry”.

[4]G.Kastinger，Robert Bosch GmbH：”Design of a novel transverse flux machine”.

[5]www.mathworks.com.

[6]JMAG Application Catalog：”Analysis of a Hybrid Stepper Motor”，2006-10-31.

[7]Cypress Semiconductor，Document Number：001-56551，"PSoC（R）3 Stepper Motor Control with Precision Microstepping"，October 9， 2009.

[8]Industrial Circuit Application Note： “Half stepping techniques”.

[9]Industrial Circuit Application Note：“Microstepping”.

[10]Alexandru MORAR：”Intelligent Microstepping System for Stepper Motor Control”.

[11]J.B.Grimbleby：”Stepping Motors”，October，2007.

[12]http：//en.wikipedia.org/wiki/Finite-state machine.

[13]James R.Armstrong，F(xiàn).Gail Gray："VHDL Design Representation and Synthesis，Second Edition".ISBN 7-111-09539-1.

[14]http：//www.actel.com.

[15]Allegro MicroSystems，Inc.29319.34 Rev.2 “Dual DMOS Full-Bride Microstepping PWM Motor Driver”.endprint