CN102918762B - 电压控制的步进电动机驱动器 - Google Patents

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Abstract

步进电动机驱动器系统包括：数字信号控制器，其配置成数字地合成当被施加到一对步进电动机绕组时将引起步进电动机的期望速度的合成模拟电压信号；以及电压放大器，其通信地耦合到数字信号控制器，配置成放大所述合成模拟电压信号以产生放大的模拟电压信号并输出放大的模拟电压信号；其中数字信号控制器配置成通过根据步进电动机的期望速度影响模拟电压信号中的每个的相位或幅度中的至少一个来合成模拟电压信号。

Description

电压控制的步进电动机驱动器
技术领域
本发明大体上涉及步进电动机系统，且特别涉及一种步进电动机驱动器系统及控制步进电动机的方法。
背景
用于摇动(pan)/俯仰(tilt)/变焦(zoom)(PTZ)监视摄像机的步进电动机定位系统具有几个严格的期望特征。首先，没有位置反馈，这样的系统在停下来时应具有非常准确的定位，即，静态定位准确性。其次，系统在不稳定的机械系统中移动时应具有低速的非常平稳的运动，即，小的角速度变化。一般步进电动机和电动机负载具有在特定的角速度处被激励的高Q谐振的多个频率。第三，系统应能够实现高速正/负加速度分布图以快速改变位置。第四，系统应是非常功率有效的，因为PTZ摄像机的安全圆顶具有有限的可用功率和用于耗散在电动机和电动机驱动器中产生的热能的有限装置。
参考图7，一般PTZ步进电动机驱动器100是电动机绕组电流控制的驱动器。电流控制的电动机驱动器100包含迫使电流进入电动机绕组110、112的数字脉冲宽度调制(PWM)模块102、104和H桥106、108、测量绕组电流的、与每个电动机绕组串联的分流电阻器114、116、以及将绕组电流反馈回模块102、104来改变PWM模块102、104的占空比以在电动机绕组110、112中实现期望的瞬时电流的比较器118、120。比较器118、120比较基准/控制信号与横跨分流电阻器114、116产生的电压。驱动器100控制瞬时峰值电流，而不是平均电流。因此，当横跨电阻器114、116的电压与基准电压交叉时，PWM信号切换。这使电流以锯齿状模式斜升和斜降，锯齿状模式的水平取决于部件值和特征，例如寄生现象。H桥106、108可被调节以帮助减小该锯齿状模式的摆动，但该摆动导致位置不准确性以及在驱动器100所驱动的电动机中的振动和噪声。
对于一般步进电动机驱动器，绕组电流分流电阻器的欧姆值具有冲突利益。增加电流分流电阻器的值产生信噪比的增加，这提供绕组电流的更准确的测量，导致电动机驱动器的静态定位准确性的增加。然而，减小电流分流电阻器的值通过减小由于经过分流电阻器的大电动机电流而引起的功率损耗和消耗而增加了电动机驱动器的效率。因此，即使不是不可能，优化效率和静态定位准确性也是很难的。
此外，当两个电动机绕组由于PWM发生器输出而从一个轨道切换到另一轨道时，使用分流器测量绕组电流并不实际。因此，在一般单极电流控制的驱动器中，分流器放置在单极电源返回线中。在电流的每个过零点，驱动器切换绕组电流极性。这引起在每个基本(cardinal)步长(由例如具有在正交驱动波形的完整周期中的四个基本步长的绕组驱动波形中的增加引起的运动)附近的大的输出误差，其中绕组电流之一过零，导致比正常情况大的静态定位误差。这也减小了低角速度的运动的平稳性，因为在每个基本步长处在驱动器的扭矩中有误差凸点(bump)。
仍然进一步地，在电动机绕组中的电阻从机械系统谐振处的能量去耦，因而对高Q谐振提供很少阻尼或没有阻尼。该驱动器由于未经阻尼的高Q机械谐振而倾向于不受控制的振荡。一般，使用电流控制的驱动器，设计者利用构造的设备使用建模和/或试错法来确定引起系统谐振的电动机速度。设计者使用所确定的谐振来实现预防措施以帮助确保系统在那些速度处不停留。设计者可实现在引起系统谐振的速度附近的“不宜进行的(no-go)”速度区域，例如通过在可行时和不可行时使控制软件和/或固件将速度保持在这些区域之外(例如，恰好在区域之上或之下)，以足够快地穿越这些区域来避免振荡。
而且，电流控制的驱动器将大PWM电压施加到电动机绕组，这使涡流在电动机金属结构中流动，增加了功率损耗并在电动机部件中产生热。
赞同电流控制的驱动器，且不再考虑电压控制的驱动器，因为步进电动机位置由绕组电流指示。因此，使用电流来驱动确保电动机位置，而使用电压来驱动可能导致未知的电流和因而导致未知的电动机位置。
概述
步进电动机驱动器系统的例子包括：数字信号控制器，其配置成数字地合成当被施加到一对步进电动机绕组时将引起步进电动机的期望速度的合成模拟电压信号；以及电压放大器，其通信地耦合到数字信号控制器，配置成放大所述合成模拟电压信号以产生放大的模拟电压信号并输出放大的模拟电压信号；其中数字信号控制器配置成通过根据步进电动机的期望速度影响模拟电压信号中的每个的相位或幅度中的至少一个来合成模拟电压信号。
示例性步进电动机驱动器系统的实现可包括下列特征中的一个或多个。数字信号控制器包括相位补偿模块，相位补偿模块包括相位补偿值和相应的期望步进电动机速度值的非线性查找表。数字信号控制器包括幅度模块，幅度模块包括幅值定标值和相应的期望步进电动机速度值的非线性幅值定标查找表。数字信号控制器包括相位补偿模块，相位补偿模块包括相位补偿值和相应的期望步进电动机速度值的非线性相位补偿查找表；数字信号控制器包括波形模块，波形模块包括准正弦波形值和相应的位置值的波形查找表；以及，数字信号控制器配置成：确定当前期望步进电动机速度；使用相位补偿查找表确定相应于当前期望步进电动机速度的当前相位补偿值；将当前相位补偿值应用于当前位置值，以产生相位校正的位置值；使用波形查找表确定相应于相位校正的位置值的波形值；使用幅值定标查找表确定相应于当前期望步进电动机速度的当前幅值定标值；以及使用当前幅值定标值来按比例调整(scale)波形值以产生放大的模拟电压信号。
此外或可选地，示例性步进电动机驱动器系统的实现可包括下列特征中的一个或多个。电压放大器是由供电电压馈电的D类放大器；数字信号处理器包括相应的多个偏压源和相应的多个数模转换器(DAC)；且偏压源耦合和配置成偏置输入到DAC的信号，使得放大的模拟电压信号被偏置到供电电压的中点。放大的模拟电压信号具有准正弦形状。系统还包括通信地耦合到电压放大器的步进电动机，电压放大器由布置成两对的四个电压放大器组成，每对电压放大器配置并耦合成横跨步进电动机的相应绕组。
步进电动机系统的例子包括：步进电动机，其包括第一和第二绕组以及铁转子；合成装置，其用于数字地合成相对于彼此正交的第一准正弦模拟电压信号；放大装置，其通信地耦合到合成装置和步进电动机，用于放大准正弦模拟电压信号以产生第二放大的准正弦模拟电压信号，并用于向步进电动机的第一和第二绕组提供第二准正弦模拟电压信号。
这样的步进电动机系统的实现可包括下列特征中的一个或多个。合成装置还用于给第一准正弦模拟电压信号补偿步进电动机所产生的反电动势。合成装置包括用于通过根据转子的速度影响第一准正弦模拟电压信号中的每个的相位或幅度中的至少一个来给第一准正弦模拟电压信号补偿步进电动机所产生的反电动势的补偿装置。合成装置包括用于通过根据转子的速度影响第一准正弦模拟电压信号中的每个的相位和幅度两者来给第一准正弦模拟电压信号补偿步进电动机所产生的反电动势的补偿装置。补偿装置包括：相位补偿值和相应的期望步进电动机速度值的非线性相位补偿查找表；幅值定标值和相应的期望步进电动机速度值的非线性幅值定标查找表；以及包括准正弦波形值和相应的位置值的波形查找表的波形模块。
控制步进电动机的方法的例子包括：产生相对于彼此相位正交的第一和第二补偿的模拟电压波形；放大第一和第二模拟电压信号以产生第一和第二模拟绕组驱动电压波形；以及将第一和第二模拟绕组驱动电压波形分别应用于步进电动机的第一和第二绕组；其中根据步进电动机的转子的速度给第一和第二补偿的模拟电压波形补偿相位或幅度中的至少一个。
这样的方法的实现可包括下列特征中的一个或多个。根据步进电动机的转子的速度给第一和第二补偿的模拟电压波形补偿相位和幅度两者。产生第一和第二补偿的模拟电压波形包括：数字地合成步进电动机速度指示和相应的步进电动机位置指示；基于相应的步进电动机速度指示来改变步进电动机位置指示以产生相位补偿的位置指示；基于相位补偿的位置指示来数字地合成第一和第二未按比例调整(unscaled)的准正弦电压波形，第一和第二未按比例调整的准正弦电压波形相对于彼此相位正交；基于相应于步进电动机速度指示的幅值定标值来按比例调整第一和第二未按比例调整的电压波形以产生第一和第二按比例调整的准正弦电压波形；以及将第一和第二按比例调整的准正弦波形从数字转换到模拟以产生第一和第二按比例调整的准正弦模拟波形作为第一和第二补偿的模拟电压波形。该方法还可包括放大第一和第二按比例调整的准正弦模拟波形以产生第一和第二模拟绕组驱动电压波形。
本文所述的术语和/或技术可提供下列能力以及未提到的其它能力中的一个或多个。
电压控制的驱动器未设置有反馈回路，其是100％开放式回路，比电流控制的驱动器更快地起作用和提供更准确的输出。用于摇动/俯仰/变焦(PTZ)监视摄像机的步进电动机驱动器提高了位置准确性并减小了功率损耗，同时也在机械系统中提供对高Q谐振的电阻阻尼，增加了定位系统在系统谐振出现的角速度附近和该角速度上的稳定性。阻尼驱动器提供较容易的系统设计和提高的性能，并可在没有“不宜进行的”电动机速度区域的情况下被使用。
在固定位置处的静态电动机绕组电流通过驱动电压除以电动机绕组电阻来给出。因为电动机绕组电阻在值上比一般电流控制的驱动器分流电阻器大得多，静态电动机绕组电流的准确度在本文所述的电压控制的驱动器中常常高得多，导致在电压控制的驱动器中的静态定位准确度比在电流控制的驱动器中可实现的静态定位准确度准确一个数量级。
本文所述的电压控制的驱动器没有与电动机绕组串联的分流器。因此，与具有分流电阻器的电流控制的驱动器比较，功率消耗减小了，且功率效率增加了。
本文所述的电压控制的驱动器未将大PWM电压施加到电动机绕组。因此，与电流控制的驱动器比较，功率消耗减小了，且功率效率增加了，因为未引起涡流损耗。
因为本文所述的电压控制的驱动器产生完全线性的双极输出(与具有过零误差的电流控制的驱动器不同)，本文所述的电压控制的驱动器没有过零点处的误差。因此，避免了在低速时的过零静态定位误差和过零扭矩凸点。
本文所述的电压控制的驱动器具有非常低的几乎短路的输出阻抗。当步进电动机速度接近机械谐振时，在谐振频率处的大量功率开始在电气系统和机械系统之间振荡。在电气侧上，谐振使反电动势电压在谐振频率处在电动机绕组中产生。因为电动机驱动器输出呈现非常低的阻抗，这个谐振反电动势电压将大量能量泵送到电动机绕组电阻中，这于是消耗谐振能量的相当大一部分成为在电动机绕组中的热，使谐振减弱。净效应是，与电压控制的驱动器输出的低阻抗结合的电动机绕组的电阻阻尼使机械谐振减弱，导致在机械谐振频率附近的稳定操作。
上述效应由除了所述方式以外的方式实现是可能的，且所述项目/技术可能不一定产生所述效应。此外，本文讨论的或从本文的讨论可推出的至少一些实现可能并不提供所讨论的能力中的一个或多个。
通过下面的详细描述，其它能力和应用将变得明显。
附图的简要描述
图1是视频监视系统的方框图。
图2是图1所示的摇动驱动器的数字信号处理器微控制器的方框图。
图3是图1所示的摇动驱动器的放大器和步进电动机的示意图。
图4是使用模拟电压信号驱动图3所示的步进电动机的过程的方框流程图。
图5是产生图4所示的补偿的正交模拟电压波形的方框流程图。
图6A-6B是当由电流控制的步进电动机驱动器(图6A)驱动时的步进电动机绕组电流和当由电压控制的步进电动机驱动器(图6B)驱动时的步进电动机绕组电流的实验结果。
图7是电流控制的步进电动机驱动器的方框图。
详细描述
提供了用于使用电压输入来控制步进电动机的技术。电动机可用在各种应用中，例如可移动的监视摄像机中。提供了用于摇动/俯仰/变焦(PTZ)监视摄像机的步进电动机驱动器，其包括向四个有效的D类电压放大器提供电压控制信号的数字信号处理器(DSP)微控制器。放大器使用DSP微控制器中的四个数模转换器驱动两个步进电动机绕组。系统优选地是没有反馈的开环回路。驱动D类放大器的DSP微控制器在静态和低角速度时使用非常精细的微步精度，其中期望非常准确的定位。当角速度增加且定位准确度容差增加时，DSP微控制器可例如以与角速度成比例的连续速率减小微步精度，直到在高速度时，由于在连续的样本之间的驱动波形中的大增加，微步精度非常低。优选地，在微步精度水平上没有分立的变化，只有对角速度的连续变化。当电动机慢下来时，微步精度逐渐增加，一旦电动机停止就达到全精度。
DSP控制器采用在当前位置寄存器中产生的电动机电流信号，并将该信号转换成施加到电动机绕组的电压信号。电流到电压转换是基于电动机绕组电阻、电动机绕组电感和电动机绕组反EMF(电动势)的非线性矢量函数(包括幅度和相位)。反电动势与电动机速度线性地成比例，相对于角速度的伏特输出随电动机参数、设计和构造而变化，且一般由电动机的制造商提供。DSP控制器使用两个精细精度非线性查找表(LUT)实现非线性电流到电压转换，一个表用于幅值定标，而一个表用于相移补偿。DSP控制器还包含第三非线性表，以针对电动机的基本步长之间的电动机部分的非线性行为来校正施加到电动机绕组的正弦驱动信号，提供良好的静态位置准确性和在低速时的电机运动的平稳性。
参考图1，视频监视系统10包括视频监控系统12和摄像机系统14。系统12、14为了双向通信而由通信线14例如以太网电缆如第5类(CAT5)电缆连接。摄像机系统14在本例中是可移动的，摇动/俯仰/变焦(PTZ)系统包括摄像机16、摇动驱动器18、俯仰驱动器20、控制电路22。摄像机系统14可布置在保护圆顶(未示出)中。摄像机16可例如是百万像素摄像机并包括由从控制电路22接收的控制信号可控制的变焦特征。摇动驱动器18包括物理地连接到摄像机16并配置成在水平面中旋转摄像机16的摇动电动机。俯仰驱动器20包括物理地连接到摄像机16并配置成在垂直面中旋转摄像机16的俯仰电动机，水平面和垂直面彼此正交并相对于摄像机16的默认方向而被限定。摇动和俯仰电动机是步进电动机，具有由提供到每个电动机的两个绕组的电流中的差异确定的电动机位置。控制电路22配置成响应于通过通信线14从视频监控系统12接收的信号来给摇动驱动器18和俯仰驱动器20提供控制信号。摇动驱动器18和俯仰驱动器20中的每个优选地包括电压控制的微步电动机驱动器，以分别在水平面和垂直面中移动摄像机16。
也参考图2，摇动驱动器18包括数字信号处理器(DSP)微控制器30、一组(32)四个电压放大器34、以及步进电动机36。虽然图2所示的驱动器是摇动驱动器18，同一驱动器也可用作俯仰驱动器20。此外，图2所示的驱动器可用于步进电动机目前所用于的其它应用，例如用于外科手术设备、3D打印机、工业自动化控制装置、机床、医疗输液泵、其它流体分配设备等，或用于在未来发展的步进电动机的应用。DSP微控制器30提供四个模拟输出，其中，在幅度和相位上给这四个模拟输出补偿电动机36的速度相关的效应。DSP微控制器30的输出连接到四个电压放大器34以有差别地驱动数对放大器34，且这些对电压放大器34横跨电动机36的相应的第一和第二绕组38、39而连接。绕组38、39布置成相邻于铁转子41，使得绕组38、39的选择性激励将使转子41由于转子41到绕组38、39的变化的吸引而旋转。电压驱动器18对电动机36呈现低的接近零(接近短路)的阻抗，而电流驱动器将对电动机36呈现非常高(理想地，无限的)阻抗。电压驱动器的低阻抗帮助抵抗电动机速度中的异常，因为速度和位置的扰动将被对抗。
DSP微控制器30除了别的以外还包括运动轨迹控制逻辑40、加速度寄存器42、速度寄存器44、位置寄存器46、相位校正或补偿模块48、四象限(完整周期)准正弦波形模块50、幅度模块52、DC源54、数模转换器(DAC)56和硬件乘法器58。因为模块48、50、52分别包括相位补偿查找表(LUT)、准正弦(伪正弦)LUT和幅值定标LUT，模块48、50、52可被称为LUT，虽然模块包括固件或使用如所述的LUT的其它实体。控制器30包括配置成实现所述功能的硬件、固件和软件(例如，存储在控制逻辑40的存储器中)。DSP微控制器30配置成处理或产生摄像机16的期望运动的指示，并提供电压输出以引起电动机36的期望的相应运动。
控制器30提供直接数字合成(DDS)，使用数字数据处理来产生频率可调谐的、相位可调谐的信号。微控制器30在固件中实现DDS正交波形发生器。波形形状在波形LUT50中给出并应用于DAC56，DAC56重构模拟波形。LUT50包括存储在微控制器存储器中的整数常数的表。整数常数可被选择来按需要提供任意波形。DDS技术的数字域控制可用于控制电压输出信号的波形、幅度、频率和相位。波形频率确定步进电动机的角速度。通过调节DDS“调谐字(tuning word)”来控制电动机速度。在这里是速度寄存器44的值的调谐字设定了合成器贯穿波形LUT50序列化的速率。较大的调谐字导致贯穿LUT50的较快循环，并因此导致因而产生的波形的较高频率。波形的形状由如根据相位累加器值选择的LUT50中的值指示。位置寄存器值将地址提供到相位累加器47中。相位累加器通过将速度变量(“调谐字”)加到在前的相位值来累加(增加或更新)在每个采样时刻的相位。累加的相位被提供给LUT50，其使用当前相位调节的位置获取波形的当前幅度，并将幅度呈送到DAC56。
DSP微控制器30配置成通过调节驱动绕组38、39的电压的相位和幅度作为电动机速度的非线性函数来补偿电动机36所引起的反电动势。控制器30补偿电动机36的速度相关的效应。当电动机36的速度增加时，绕组38、39的反电动势和电抗增加。如果未被补偿，这又将引起扭矩的减小。控制器30补偿这些效应以在绕组38、39中引起实质上平稳的、实质上无噪声的绕组电流。DSP控制器30配置成选择所产生的波形的相位和幅度以产生电流来导出转子41的位置，其匹配位置寄存器46所指示的确定的期望位置。
参考图4，进一步参考图1-3，使用模拟电压信号驱动步进电动机36的过程80包括所示的步骤。然而过程80仅仅是例子而不是限制性的。在步骤82，产生补偿的正交模拟电压波形。DSP微控制器产生正交的模拟电压波形，以及在相位和幅度上给模拟电压信号补偿电动机36的速度。在步骤84，补偿的波形由放大器34放大。在步骤86，放大的信号施加到电动机绕组38、39以引起转子41的运动。
也参考图5，产生补偿的正交模拟电压波形的步骤82包括所示的步骤。然而这些步骤仅仅是示例性过程而不是限制性的。
在步骤90，DSP控制器30数字地合成步进电动机速度指示和步进电动机位置指示。加速度寄存器42、速度寄存器44和位置寄存器46的值分别按照加速度、速度和位置表示电动机36的当前状态。DSP控制器30是每个采样时间间隔改变一次状态的状态机。采样时间是设计变量，且是提供到控制器30以引起控制器30的状态的更新的周期性信号。例如，在驱动器18中，控制器30的内部定时器/计数器用于产生到处理器核心的中断信号。核心通过执行中断服务例程(ISR)来作出响应，中断服务例程执行操作以更新驱动波形输出。在每个采样时间间隔，通过将速度寄存器44的以前的值与加速度寄存器值求和来更新速度寄存器44，以及通过将位置寄存器的以前的值与速度寄存器值求和来更新位置寄存器46。运动轨迹控制逻辑40通过在特定的采样时间将加速度寄存器42设定为正值、负值或零来控制电动机36的运动。控制逻辑40也可按需要设定速度寄存器44的值，但将优选地只实现速度的小变化，以帮助避免使电动机36停止运转。也可提供加加速度(jerk)寄存器，加速度寄存器值是以前的加速度寄存器值加上加加速度寄存器值。加加速度寄存器值因此指示电动机36的加速度的加速度。当电动机36的速度增加时，加加速度寄存器值可以由控制逻辑40例如从零改变到正值，或甚至增加的正值。这帮助避免从零速度起的突然加速，同时提供具有增加的速度的增加的加速度。
位置寄存器42的值被控制以实现连接到电动机36的负载的期望位置。命令由控制电路22提供到运动轨迹控制逻辑40。逻辑40确定移动(顺时针或逆时针)电动机36的方向，并实现适当的运动轨迹以使速度斜升和斜降，直到如电动机36的位置所指示的负载的当前位置处于期望目标位置。电动机36的角精度是设计参数，在这里非常精细，其是步进电动机36的基本步长的1/256，基本步长是步进电动机36的驱动波形的周期的1/4。精度由波形的相位的分辨率，即，在LUT50中的条目的数量(更多的条目提供更精细的分辨率，且因此提供更小的微步尺寸，增加了实现波形的完整周期的单独步长的数量)确定。较小的步长尺寸可减小抖动，特别是在较慢的速度时。
在步骤92，LUT48基于来自速度寄存器44的速度指示在相位上改变来自位置寄存器46的位置指示。因为反电动势和绕组电抗随着电动机速度而改变，在绕组电流和绕组电压之间的转换随着电动机速度而非线性地改变。在每个速度值处，具有在绕组电流和横跨电动机绕组38、39施加的电压信号之间的固定相移角。因此，DSP微控制器30包括非线性相位补偿LUT48。LUT48提供依赖于电动机36的特征(例如，(由于以伏特/弧度/秒给出的所产生的电动机角速度和电压)电动机36的反电动式因子、绕组电阻和绕组电感电抗)和电动机36的速度的相移。对于应用优选地在标称绕组电流水平处为特定的电动机36校准非线性LUT48(例如，以抵消在每个转子速度处的引起的相位角度)。这可在实验上或通过使用电动机36的所提供的特征来完成。对不同的电动机36和/或不同的标称绕组电流水平使用不同的LUT，即，具有不同的条目值。LUT48在位置指示被输入到LUT50之前在相位上改变位置指示，以影响由LUT50输出的波形的形状。
在位置寄存器46的输出处，在准正弦LUT50之前应用由LUT48提供的相移转换。基于速度寄存器44的当前值，相位补偿值从非线性相位补偿LUT48读取，且这个相位补偿值被加到位置值以使两个绕组信号相移，从而补偿由电动机36的运动引起的反电动势。
相位改变的位置指示分裂成正交指示。因为绕组38、39中的电流是正交的，即，相对于彼此异相90度，第一和第二绕组38、39的电流值是不同的。为了找到第二绕组39的绕组电流值，用于找到第一绕组38的电流值的位置寄存器46的位置值在被应用于非线性准正弦查找表50之前被移动了一个基本步长。位置指示被分裂(复制)，且90°相移被引入到位置指示之一，以产生相对于彼此正交的两个相位改变的位置指示。相位改变的正交位置指示被输入到LUT50。
在步骤94，LUT50使用相位改变的位置指示来数字地合成未按比例调整的准正弦正交波形。为了将位置寄存器值转变为该位置的电动机绕组电流值，非线性准正弦LUT50被使用。LUT50是保持驱动波形的所采样的整数表示的波形LUT，即，存储在程序存储器中的常数表。样本的数量(记录长度)和位的数量(分辨率)是被调整成适应于应用的要求的设计变量。LUT50用于基于绕组电流和转子位置的已知关系，来将步长和微步坐标转变成接近正弦的绕组电流值以引起转子41的相应的期望运动。在这里，作为例子，LUT50包括对完整的360度波形的幅度值编码的1,024个10位条目。例如对于在四个象限中对称的波形，其它实现是可能的，可使用用于90°的波形的条目，两位代码用于指示信号的极性和穿过表前进的方向。使用位置和LUT50找到的绕组电流值将用于向电动机36的第一绕组38提供电压。LUT50的输出51是指示将被施加到绕组38、39的模拟准正弦电压信号的准正弦数字绕组驱动器信号。
到目前为止讨论的转变是在采样时从期望位置到基于位置寄存器46的状态而计算的期望绕组电流的转变。然而，步进电动机36由具有模拟电压波形的电压放大器34驱动。因此，DSP微控制器30配置成将绕组电流信号转换成在这里在LUT50和乘法器58中的电压信号。
电流到电压的转换是非线性的，且基于绕组38、39的电阻、绕组38、39的电感以及电动机36的反电动势电压。对于电动机36的恒定速度状态，绕组电流IM的幅值由下式给出：
| I M | 2 = [ V D - V BY ] 2 + V BX 2 R M 2 + X M 2 - - - ( 1 )
其中：
VD是施加到绕组的电动机驱动器的输出电压；
VBX是与驱动电压同相的电动机反电动势的分量；
VBY是与驱动电压正交的电动机反电动势的分量；
RM是在考虑中的电动机绕组的电阻；以及
XM是在考虑中的电动机绕组的电抗。
在步骤96，LUT52基于来自速度寄存器44的速度指示来按比例调整来自LUT50的未按比例调整的准正弦正交波形。如同上面讨论的相移一样，在每个速度值处，具有在绕组电流和横跨电动机绕组38、39的电压准正弦信号之间的固定幅值增益。因此，DSP微控制器30包括非线性幅度转换LUT52。LUT52提供依赖于电动机36的特征(包括电动机36的绕组电阻、绕组电感和反电动势)和电动机36的速度的幅度调节，以根据速度(波形频率)将绕组电流保持在目标水平处。对于应用优选地在标称绕组电流水平处为特定的电动机36校准非线性LUT52。对不同的电动机36和/或不同的标称绕组电流水平使用不同的LUT，即，具有不同的条目值。
在准正弦LUT50之前应用幅度转换。基于速度寄存器44的当前值，幅值定标值从非线性幅值定标LUT52读取。这个幅值定标值应用于乘法器58，以使定标值乘以准正弦LUT50的两个正交输出51中的每个，以产生按比例调整的正交电压信号59。信号59根据方程(1)提供适当的电压，以引起使用LUT50确定的电流。
使用停止或低速度时的电动机，相位补偿为零，且幅值定标因子等于常数，其等于电动机绕组电阻。在停止或低速度时，绕组电流到电压转换随着速度非常恒定，且非常准确。因此在停止或低速度时，在位置寄存器46和实际电动机角位置之间的误差非常小，大约几毫度。
使用应用于位置信号的相位补偿和应用于正交绕组电流信号51的幅值定标转换，产生一对正交绕组电压信号59。这两个电压信号59用于在每个采样时间将电压施加到电动机绕组38、39，以产生期望的电动机绕组电流，从而帮助在每个采样时期保持电动机角位置与位置寄存器46同步。
因为电动机绕组38、39中的每个与两个电压放大器有差别地被驱动，DSP微控制器30配置成为电动机绕组38、39中的每个产生第二反向的电压信号。通过取2的补数(在被128除之后，如所示)来反转信号591、592中的每个。此外，控制器30将来自DC源541-544中的每个的DC偏压施加到电压信号和反向的电压信号。DC偏压被选择成在单极电源的中点处偏置放大器34的输出中的每个。
在步骤98，DC偏置的信号从数字转换到模拟形式，用于施加到绕组38、39。DC偏置的电压由DAC561-564从数字转换到模拟形式，从DSP微控制器30提供四个模拟输出电压信号601-604。
再次参考图4，在步骤84，来自控制器30的补偿的波形被放大以产生模拟绕组驱动电压波形。由控制器30输出的波形60被提供到放大器34中的各个放大器。在这里，放大器34是D类放大器。放大器34的输入是穿过分流电阻的模拟信号60。放大器34将信号调制为接通和断开，以放大输入信号。经调制的信号被滤波，提供平稳的准正弦模拟输出电压信号62。
在步骤86，由D类放大器电路34放大并作为信号62输出的信号被施加到电动机绕组38、39。与使用电流控制的驱动器不同，图2的电压控制的驱动器不使用与电动机绕组38、39串联的分流器。
实验结果
图6A-6B示出比较电流控制器的驱动器的绕组信号波形和驱动器18的绕组信号波形的实验结果。如在图6A中看到的，严重的谐波畸变存在于该电流控制的驱动器中，引起不稳定的位置控制，且因而引起位置不准确性、以及电动机中的噪声和振动。相反，如在图6B中看到的，驱动器18提供平稳的一致地间隔开的正交驱动器信号，导致电动机36的准确的位置控制和平稳运动。
其它考虑因素
对所给出的特定例子进行变化和修改，而不偏离本公开或权利要求的范围。本文所公开的特定例子不是对下面的权利要求的限制。例如，虽然上面的描述将合成波形的相位和幅度的补偿描述为随步进电动机速度而变化，但通过移除上面讨论的相应部件，可使用补偿相位或幅度但不是两者的实现。
其它例子和实现在本公开和所附权利要求的范围和精神内。例如，由于软件的性质，可使用由处理器、硬件、固件、硬接线或这些中的任意项的组合所执行的软件来实现上述功能。实现功能的特征也可物理地位于不同的位置处，包括被分布成使得功能的部分在不同的物理位置处实现。此外，如本文所使用的，包括在权利要求中，在以“...的至少一个”开始的项目的列表中使用的“或”指示分离性的列表，使得例如“A、B或C中的至少一个”的列表意指A或B或C或AB或AC或BC或ABC(即，A和B和C)。
可根据特定的要求做出对所述配置的实质变化。例如，也可使用定制的硬件，和/或特定的元件可在硬件、软件(包括便携式软件，例如小应用程序等)或两者中实现。此外，可使用到其它计算设备例如网络输入/输出设备的连接。
如本文使用的术语“机器可读介质”和“计算机可读介质”指参与提供使机器以特定的方式操作的数据的任何介质。在使用计算机系统实现的实施方式中，各种计算机可读介质可参与向处理器提供指令/代码用于执行，和/或可用于存储和/或携带这样的指令/代码(例如，作为信号)。在很多实现中，计算机可读介质是物理和/或有形存储介质。这样的介质可采取很多形式，包括但不限于非易失性介质、易失性介质和传输介质。非易失性介质包括例如光盘和/或磁盘。易失性介质没有限制地包括动态存储器。传输介质没有限制地包括同轴电缆、铜线和光纤。因此，传输介质也可采取波(没有限制地包括无线电波、声波和/或光波，例如在无线电波和红外数据通信期间产生的那些波)的形式。
物理和/或有形计算机可读介质的一般形式包括例如软盘、柔性盘、硬盘、磁带、或任何其它磁性介质、CD-ROM、任何其它光学介质、穿孔卡、纸带纸条、具有孔的图案的任何其它物理介质、RAM、PROM、EPROM、闪速EPROM、任何其它存储芯片或磁带盒、如下文中描述的载波、或任何其它介质，计算机可从其读取指令和/或代码。
各种形式的计算机可读介质可参与将一个或多个指令的一个或多个序列传送到处理器用于执行。仅作为例子，可最初在远程计算机的磁盘和/或光盘上携带指令。远程计算机可将指令装入其动态存储器中，并通过传输介质发送指令作为信号以由计算机系统接收和/或执行。可以是电磁信号、声信号、光信号和/或类似信号的形式的这些信号都是载波的例子，指令可根据本发明的各种配置在载波上被编码。
上面讨论的方法、系统和设备是例子。各种配置可在适当时省略、代替或添加各种过程或部件。例如，在可选的配置中，可按与所述的顺序不同的顺序执行方法，以及可添加、省略或组合各种步骤。此外，关于某些配置描述的特征可被组合在各种其它配置中。可以用类似的方式组合配置的不同方面和元件。此外，技术逐渐发展，且因此很多元件是例子而不限制本公开或权利要求的范围。
在描述中给出特定的细节以提供对示例性配置(包括实现)的全面理解。然而，可以在没有这些特定细节的情况下实践配置。例如，示出了公知的电路、过程、算法、结构和技术而没有不必要的细节，以便避免使配置难理解。本描述仅提供示例性配置，而不是限制权利要求的范围、适用性或配置。更确切地，配置的前面描述将给本领域技术人员提供用于实现所述技术的可行的描述。可在元件的功能和布置上做出各种改变而不偏离本公开的精神或范围。
此外，前面的描述详述了安全摄像机系统。然而，本文所述的系统和方法可一般适用于其它形式的摄像机系统或其它系统。
此外，可将配置描述为过程，其被描绘为流程图或方框图。虽然每个过程可将操作描述为连续的过程，很多操作可被并行或同时执行。此外，可重新安排操作的顺序。过程可具有未包括在附图中的额外步骤。此外，方法的例子可由硬件、软件、固件、中间件、微代码、硬件描述语言或其任何组合实现。当以软件、固件、中间件或微代码实现时，执行必要的任务的程序代码或代码段可存储在非临时计算机可读介质例如存储介质中。处理器可执行所述任务。
在描述了几个示例性配置后，可使用各种修改、可选的结构和等效形式，而不偏离本公开的精神。例如，上面的元件可以是较大的系统的部件，其中其它规则可优先于或以另外方式修改所讨论的技术的应用。此外，可在考虑上述元件之前、期间或之后着手进行多个步骤。因此，上面的描述不限制权利要求的范围。
此外，可公开多于一个发明。

Claims (11)

1.一种步进电动机驱动器系统，包括：
数字信号控制器，其配置成数字地合成多个合成模拟电压信号，所述多个合成模拟电压信号当被施加到一对步进电动机绕组时将引起步进电动机的期望速度；以及
多个电压放大器，其通信地耦合到所述数字信号控制器，所述多个电压放大器配置成放大所述多个合成模拟电压信号以产生多个放大的模拟电压信号并输出所述放大的模拟电压信号；
其中所述数字信号控制器配置成通过根据所述步进电动机的期望速度影响所述多个合成模拟电压信号中的每个的相位和幅度来合成所述多个合成模拟电压信号；
其中所述数字信号控制器包括：
非线性相位补偿模块，其配置成提供相应于步进电动机速度值的相位补偿值；
非线性幅值定标模块，其配置成提供相应于所述步进电动机速度值的幅值定标值；以及
波形模块，其配置成提供相应于步进电动机位置值的准正弦波形值；
其中所述数字信号控制器配置成：
确定当前期望步进电动机速度；
使用所述相位补偿模块确定相应于所述当前期望步进电动机速度的当前相位补偿值；
将所述当前相位补偿值应用于当前位置值以产生相位校正的位置值；
使用所述波形模块确定相应于所述相位校正的位置值的波形值；
使用所述幅值定标模块确定相应于所述当前期望步进电动机速度的当前幅值定标值；以及
使用所述当前幅值定标值来按比例调整所述波形值以产生多个放大的模拟电压信号。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述相位补偿模块包括所述相位补偿值和相应的期望步进电动机速度值的非线性查找表。
3.如权利要求1所述的系统，其中所述幅值定标模块包括所述幅值定标值和相应的期望步进电动机速度值的非线性幅值定标查找表。
4.如权利要求1所述的系统，其中：
所述波形模块包括所述准正弦波形值和相应的期望步进电动机位置值的波形查找表。
5.如权利要求1所述的系统，其中：
所述多个电压放大器是由供电电压馈电的D类放大器；
所述数字信号控制器包括相应的多个偏压源和相应的多个数模转换器DAC；以及
所述偏压源耦合和配置成偏置输入到所述DAC的信号，使得所述放大的模拟电压信号被偏置到所述供电电压的中点。
6.如权利要求1所述的系统，其中所述多个放大的模拟电压信号具有准正弦形状。
7.如权利要求1所述的系统，还包括通信地耦合到所述多个电压放大器的所述步进电动机，所述多个电压放大器由布置成两对的四个电压放大器组成，每对电压放大器横跨所述步进电动机的相应绕组被配置和耦合。
8.一种步进电动机系统，包括：
步进电动机，其包括第一绕组和第二绕组以及铁转子；
合成装置，其用于数字地合成相对于彼此正交的第一准正弦模拟电压信号；以及
放大装置，其通信地耦合到所述合成装置和所述步进电动机，用于放大所述第一准正弦模拟电压信号以产生第二放大的准正弦模拟电压信号，并用于向所述步进电动机的所述第一绕组和所述第二绕组提供所述第二放大的准正弦模拟电压信号；
其中为产生所述第一准正弦模拟电压信号，所述合成装置包括用于以下功能的装置：
数字地合成步进电动机速度指示和相应的步进电动机位置指示；
基于相应的步进电动机速度指示来改变所述步进电动机位置指示以产生相位补偿的位置指示；
基于所述相位补偿的位置指示来数字地合成第一未按比例调整的准正弦电压波形和第二未按比例调整的准正弦电压波形，所述第一未按比例调整的准正弦电压波形和所述第二未按比例调整的准正弦电压波形相对于彼此相位正交；
基于相应于所述步进电动机速度指示的幅值定标值来按比例调整所述第一未按比例调整的准正弦电压波形和所述第二未按比例调整的准正弦电压波形，以产生第一按比例调整的准正弦波形和第二按比例调整的准正弦波形；以及
将所述第一按比例调整的准正弦波形和所述第二按比例调整的准正弦波形从数字的转换为模拟的，以产生第一按比例调整的准正弦模拟波形和第二按比例调整的准正弦模拟波形作为所述第一准正弦模拟电压信号；以及
其中所述放大装置被配置成放大所述第一按比例调整的准正弦模拟波形和所述第二按比例调整的准正弦模拟波形以产生所述第二准正弦模拟电压信号。
9.如权利要求8所述的系统，其中所述合成装置包括：
相位补偿值和相应的步进电动机速度值的非线性相位补偿查找表；
幅值定标值和相应的期望步进电动机速度值的非线性幅值定标查找表；以及
包括准正弦波形值和相应的位置值的波形查找表的波形模块。
10.一种控制步进电动机的方法，所述方法包括：
产生相对于彼此相位正交的第一补偿的模拟电压波形和第二补偿的模拟电压波形；
放大所述第一补偿的模拟电压波形和所述第二补偿的模拟电压波形以产生第一模拟绕组驱动电压波形和第二模拟绕组驱动电压波形；以及
将所述第一模拟绕组驱动电压波形和所述第二模拟绕组驱动电压波形分别应用于步进电动机的第一绕组和第二绕组；
其中根据所述步进电动机的转子的速度给所述第一补偿的模拟电压波形和所述第二补偿的模拟电压波形补偿相位或幅度中的至少一个；
其中产生所述第一补偿的模拟电压波形和所述第二补偿的模拟电压波形包括：
数字地合成步进电动机速度指示和相应的步进电动机位置指示；
基于相应的步进电动机速度指示来改变所述步进电动机位置指示以产生相位补偿的位置指示；
基于所述相位补偿的位置指示来数字地合成第一未按比例调整的准正弦电压波形和第二未按比例调整的准正弦电压波形，所述第一未按比例调整的准正弦电压波形和所述第二未按比例调整的准正弦电压波形相对于彼此相位正交；
基于相应于所述步进电动机速度指示的幅值定标值来按比例调整所述第一未按比例调整的准正弦电压波形和所述第二未按比例调整的准正弦电压波形，以产生第一按比例调整的准正弦波形和第二按比例调整的准正弦波形；以及
将所述第一按比例调整的准正弦波形和所述第二按比例调整的准正弦波形从数字的转换为模拟的，以产生第一按比例调整的准正弦模拟波形和第二按比例调整的准正弦模拟波形作为所述第一补偿的模拟电压波形和所述第二补偿的模拟电压波形。
11.如权利要求10所述的方法，还包括放大所述第一按比例调整的准正弦模拟波形和所述第二按比例调整的准正弦模拟波形以产生所述第一模拟绕组驱动电压波形和所述第二模拟绕组驱动电压波形。
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