Bununla birlikte, biyometrik algoritmaların düzgün çalışması için kamera konumlandırma sistemlerinin, kamera hareket halindeyken istenmeyen görüntü bozulmasını önlemek için sorunsuz çalışması gerekir. Takdir yetkisinin veya uzaktan erişimin gereklilik olduğu birçok uygulama, sistemin kompakt ve enerji açısından verimli olmasını da gerektirir.

Doğrusal servo motor konumlandırma sistemleri, gereken sorunsuz çalışmayı sağlayabilir, ancak daha yüksek güç ve yüksek çözünürlüklü kodlayıcılar ve hassas devre ihtiyacı pahasına gelirler. Alternatif olarak, adım motorları, video gözetimi konumlandırması için, dururken tam tork, mükemmel başlatma, durdurma ve ters tepki süreleri, hata birikimi olmadan hareketin tekrarlanabilirliği ve sabit adım boyutuyla basit açık döngü kontrolü dahil olmak üzere çeşitli çekici özelliklere sahiptir.

Bununla birlikte, sabit adım boyutu bir sınırlamadır - 200 adımlı / dönüşlü bir motor bile yüksek çözünürlüklü video için yeterince pürüzsüz olmayan 1.8 ° adım boyutuna sahip olacaktır. Bu, mikro adımlarla aşılabilir ve yeni mikro adımlı sürücü IC'leri, tasarımcıların kompakt, yüksek çözünürlüklü, düşük güçlü konumlandırma sistemlerini hızlı bir şekilde gerçekleştirmelerini sağlar.

Step motor temelleri

Kademeli motor, tam dönüşü eşit sayıda kademeye bölen fırçasız bir DC motordur. Stator, sabit sayıda yara elektromıknatıs içerir. Üç tür rotor yapısı vardır - kalıcı mıknatıs (PM), değişken relüktans (VR) ve hibrit. PM motorları, rotor çevresi etrafına gömülü alternatif kuzey-güney sabit mıknatıslara sahiptir. VR rotorları yumuşak bir manyetik malzemeden yapılmıştır ve içlerinde dişler kesilmiştir (uçtan bakıldığında rotor bir dişliye benzemektedir). VR motorları, minimum isteksizliğin minimum boşlukla oluşması prensibiyle çalışır, böylece rotor dişleri stator mıknatıs kutuplarına doğru çekilir.

Hibrit step, VR motor gibi dişli bir rotora ve şaftı etrafında eksenel olarak mıknatıslanmış eşmerkezli bir mıknatısa sahiptir. Bu düzenleme, VR motoruna benzer adım boyutları (olası diş sayısı, PM rotordaki olası mıknatıs sayısından daha fazladır) ve gelişmiş tork özellikleri sağlar.

Statordaki faz sargılarının sayısı genellikle ikidir, ancak üç ve beş fazlı motorlar da mevcuttur. Motorlar iki şekilde sarılabilir - tek kutuplu veya iki kutuplu. Şekil 1 ve 2, iki fazlı bir motordaki iki seçeneği göstermektedir.

Şekil 1: İki fazlı tek kutuplu bir sargıda, orta kademe motor voltajına bağlanır ve faz ayakları akım akışının yönünü değiştirmek için toprağa geçer. (Digi-Key Scheme-It kullanılarak çizilen diyagram )

Tek kutuplu sargı, bir merkez musluğu ile faz başına bir sargıya sahiptir. Merkez musluk genellikle motor voltaj beslemesine bağlanır ve her sargının iki ucu, o sargı tarafından sağlanan alanın yönünü tersine çevirmek için dönüşümlü olarak topraklanır. Bu, motorun kontrol edilmesini kolaylaştırır, ancak bir seferde sargıların yalnızca yarısı kullanıldığından motor verimliliği daha düşüktür.

Şekil 2: İki fazlı iki kutuplu bir sargıda, faz akımları bir H-köprü sürücüsü kullanılarak ters çevrilerek, toplam sargıya bir kerede enerji verilmesine izin verilir. (Digi-Key Scheme-It kullanılarak çizilen diyagram )

İki kutuplu düzenleme, tüm faz sargısını kullanır, ancak tahrik akımını değiştirmek daha karmaşıktır. Tipik olarak bu, sargıdaki akımı da kontrol edebilen bir H-köprü sürücüsü ile yapılır (motor torku akımla orantılıdır).

Gözetim kameralarında kullanılan step motorlar tipik olarak iki fazlı hibrit veya PM bipolar çeşididir. İki fazlı bir motorda, statordaki elektromıknatıs çiftleri hafifçe dengelenir, böylece bir sargının enerjisi kesilir ve bir sonraki sargı açıldığında, dişler bir sonraki konuma çekilir. Bu, adım sayısının rotor dişlerinin sayısının dört katı olmasını sağlar. Bu nedenle, 50 dişli bir rotor, dönüş başına 200 adım veya adım başına 1.8 ° 'ye sahiptir.

Adım sıralama

Bipolar step motorların iki sargısı vardır. Rotor, sargılardaki akımı sırayla değiştirerek hareket ettirilir. Bunu görselleştirmenin uygun bir yolu, bir faz diyagramıdır.

Şekil 3, Şekil 2'de bulunan çift kutuplu sargıyı kullanan tam aşamalı işlemi göstermektedir.

Şekil 3: Tam adımlı bir çalışmada, her sargıdaki faz akımı -I max veya + I max'dır . Her durum değişikliği motoru bir adım hareket ettirir. (Kaynak: Digi-Key)

Tam adımlı çalışmada, her sargıdaki akım -I max veya + I max'dır . Şekil 3 zamanlama diyagramında gösterilen faz akımlarındaki değişiklik, Şekil 3 faz diyagramı konum sırasına neden olacaktır. Faz diyagramı etrafındaki her 90° durum değişikliği motoru bir adım hareket ettirir. Faz diyagramı okunun (fazör) uzunluğu EQ1'de gösterilmiştir:

Tork, akımla doğru orantılıdır (manyetik doygunluğa kadar) ve fazör uzunluğu güç çekişinin bir göstergesini verir. Elbette bu ideal durumdur ve sarım özelliklerinin anlık etkilerini ihmal eder.

Şekil 4, yarım aşamalı işlemi göstermektedir. Burada her bir sargıdaki akımın -I max , 0 veya + I max olmasına izin verilir . Bu, tam adımlar arasında "yarım adımlara" izin verir ve böylece devir başına adım sayısını iki katına çıkararak daha hassas konumlandırma sağlar. Ancak ödenmesi gereken bir bedel var. Bir sargı değeri 0 olduğunda, fazör uzunluğunun eksende daha kısa (yaklaşık% 70) olduğuna dikkat edin. Bu tork dalgalanması, diğer sargıdaki akımı artırarak bir şekilde hafifletilebilir.

Şekil 4: Yarım adımlı çalışmada, her sargıdaki akım -I max , 0 veya + I max'dır . Bu adım sayısını iki katına çıkarır ancak akım ve tork dalgalanması vardır. (Kaynak: Digi-Key)

Şekil 5'te gösterildiği gibi yarım adımlama kavramını biraz daha ileri taşır ve sargılardaki akımın sabit fazör uzunluğuna sahip sinüzoidal bir AC dalga formunu simüle edecek şekilde değişmesine izin verirseniz, düşük ile çok daha ince çözünürlük elde edebilirsiniz. tork dalgalanması. Bu genellikle sinüs-kosinüs mikro adımlama olarak adlandırılır. Şekil 5'te tam bir adımdaki mikro adım sayısı dörttür. Bu, dörde bölünmüş mikro adımlama olarak bilinir.

Şekil 5: Dört sinüs kosinüs mikro adımlamada, simüle edilmiş bir sinüzoidal AC dalga formundaki faz akımlarını değiştirerek tork dalgalanması azaltılır . (Kaynak: Digi-Key)

256'ya bölme mikro adımı destekleyebilen sürücüler varken, pratikte minimum adım boyutu ve adım tekrarlanabilirliği, yük dinamiğinin, motor sargı özelliklerinin ve sürücü voltajı ve akım kapasitesinin bir fonksiyonudur.

Kurtarma için entegre sürücüler

Gözetim kamerası konumlandırma sistemleri genellikle birkaç dereceden 200° / saniyeye kadar kaydırma hızları ve saniyede 5° ila 10° eğme hızları gerektirir. Mekanizma tork aralığı genellikle yaklaşık 10 oz-inçtir ve motor giriş voltajı tipik olarak 12 V ila 40 V arasındadır.

Microstepping, gözetim kamera sistemleri için gereken sorunsuz adım özelliği, hızlı kaydırma, eğme ve yakınlaştırma oranları ve doğru konumlandırma sağlar. Ancak, bu gereksinimleri karşılayan sürücü elektroniği karmaşıktır. Neyse ki, piyasada işi büyük ölçüde basitleştiren iyi entegre sürücü ürünleri var.

A5984 gelen Allegro Microsystems , hem tek-eksenli kamera pozisyonlandırma uygulamalara uygun çevirmen bir mikrostep sürücüdür. 32'ye bölmek için tam, yarım ve mikro adımlı modlar sağlayabilir. 8-40 V DC çalışma voltajı aralığına sahiptir ve faz başına 2 A'ya kadar kaynak ve batma yapabilir. Küçük form faktörlü konumlandırma sistemlerine kolayca uyması için 24 pimli QFN veya TSSOP paketleri halinde gelir. Paketlerin her ikisinde de termal yönetime yardımcı olmak için açıkta pedler bulunur.

Şekil 6, A5984'ün fonksiyonel blok şemasını göstermektedir. DIR pimi motor yönünü belirler ve STEP pimi, MSx pinlerine bağlı olarak motoru tam veya kesirli adımlarla ilerletir. MSx pinleri tam adım, yarım adım veya 4'e bölme, 8, 16 veya 32 mikro adımlı modları seçer. Çevirmen, bu modları uygulamak için gereken faz sıralamasıyla ilgilenir. Kontrol yazılımının sadece her hareket artışı için yönü ayarlaması ve STEP pinini atması gerekir. Bu, basit, düşük maliyetli, düşük güçlü bir MCU'nun kullanımına izin verir.

Şekil 6: Allegro Microsystems A5984 çeviricili mikro adımlama sürücüsünde, dahili çift H-köprü sürücüleri, kullanım kolaylığı için bir çevirmen, dahili kontrol mantığı ve sabit bir kapalı zamanlı darbe genişliği modülasyonu (PWM) sürücüsü tarafından kontrol edilir. (Kaynak: Allegro Microsystems)

Her fazdaki akımlar, sabit bir kapalı zaman darbe genişlik modülasyonlu (PWM) kontrol aracılığıyla düzenlenir. Özel bir özellik, uyarlanabilir yüzde hızlı zayıflama (APFD) akım kontrol modudur. APFD, akım kontrol kıyıcı devresindeki bozulma miktarını adım adım otomatik olarak ayarlar. Bu, sıfıra kadar akım devamlılığı sorununu ortadan kaldırır ve bu da yavaş hızlarda atlanan adımlara neden olabilir (Şekil 7 ve 8). Bu özellik, kamera konumlandırma sistemlerinde önemlidir, çünkü kaçırılan darbeler hareket sarsıntısı olarak görünür. APFD ayrıca sistemdeki genel dalgalanmayı azaltarak sorunsuz çalışmayı geliştirir. 

Şekil 7: Sabit kıyıcı zayıflama süreleri, yavaş adım hızlarında sıfır geçişte atlamaların kaçırılmasına neden olabilir. (Kaynak: Allegro Microsystems)

Şekil 8: Uyarlanabilir Yüzde Hızlı Azalma (APFD), mevcut süreksizlikleri ve düşük hızlarda kaçırılan darbeleri ortadan kaldırmak için darbe başına uygun miktarda hızlı zayıflama ekler. (Kaynak: Allegro Microsystems)

Motor çıkışları, çıkışları devre dışı bırakarak, kısa yükten ve kısa devrelerden aküye veya toprağa otomatik olarak korunur. Bu hatalar nFAULT pini aracılığıyla rapor edilir. Ek koruma için düşük gerilim kilitlemesi ve termal kapatma da sağlanmıştır.

Bu sürücü ailesindeki diğer cihazlar, iki eksenli uygulamalar için çift sürücüler dahil mevcuttur.

Ultra pürüzsüz çift sürücü

Konum sistemi hareket kontrolüne başka bir yaklaşım , ON Semiconductor'dan LV8714TA'da bulunabilir . Bu, çift kademeli bir motor sürücüsüdür, böylece hem pan hem de eğme görevlerini yerine getirebilir. Faz başına 1,5 A'ya kadar 8 ila 16 V motorları çalıştırabilir. Yer tasarrufu sağlayan 7 x 7 mm TQFP açık ped paketinde gelir (Şekil 9.)

Şekil 9: ON Semiconductor'dan LV8714TA, çift kademeli motor sürücülerini entegre eder, böylece bir parça hem pan hem de eğimli motorları çalıştırabilir. (Kaynak: ON Semiconductor)

Her motor, iki etkinleştirme pini ve iki giriş pini tarafından kontrol edilir. Giriş pinlerindeki faz giriş sırası Tablo 1'de gösterildiği gibi adımın yönünü belirler.

Tablo 1: LV8714TA adım yönü, motor INx pinlerindeki faz giriş sırası tarafından kontrol edilir. (Kaynak: ON Semiconductor)

Çoğu kademeli motor sürücüsünün aksine, LV8714TA harici akım algılama dirençleri kullanmaz. Bunun yerine, VREFx pimleriyle (motor fazı başına bir tane) kombinasyon halinde bobin akımını izlemek ve kontrol etmek için özel bir dahili akım algılama mekanizması kullanır. Bir fazda istenen maksimum bobin akımı, RCSx pinine bağlı bir direnç tarafından ayarlanır. Bu faz VREFx pini üzerindeki sabit bir değer, bu faza sabit bir akım üretecek ve Tablo 1'e göre her faz geçişinde tam bir adım atılacaktır.

Bununla birlikte, 90° ofset, tam olarak rektifiye edilmiş gerilim sinüs dalgaları - faz girişlerine senkronize edilmiş - bir motor faz çiftinin VREFx pinlerine uygulanırsa, bobin akımı mikro adım oluşturarak adım dizisi boyunca değişecektir. Bu şekilde, 256'ya bölünenden daha fazla mikro adım elde edilebilir ve bu da ultra düzgün çalışma ile sonuçlanır (Şekil 10).

Şekil 10: ON Semiconductor'dan LV8714TA kademeli sürücüde, VREF pinlerindeki INx pinleri ve tam dalga doğrultulmuş sinüs voltaj dalga formları ince mikro adım bobin akımları oluşturmak için birleşir. (Kaynak: ON Semiconductor)

Ana mikro denetleyicinin adım dizisi boyunca hem INx pinlerini hem de VREFx pinlerini kontrol etmesi gerektiğinden, bu performansın değiş tokuşu daha fazla yazılım karmaşıklığıdır. VREFx dalga formları, uygun bir dijital potansiyometre veya dijitalden analoğa dönüştürücü (DAC) ile kontrol edilebilir.

Cihaz, düşük voltaj, aşırı akım ve aşırı sıcaklık koruma özellikleri sunar ve 1 µA (tipik) gibi çok düşük bir bekleme akımına sahiptir.

Sonuç

Gözetim kamerası konumlandırma sistemleri, yüksek çözünürlüklü kameraların ve gelişmiş gözetim yazılımının ihtiyaçlarını karşılamak için sorunsuz ve doğru çalışmaya ihtiyaç duyar. Doğru mikro adımlı kontrolör ile birleştirilmiş bipolar step motorlar, maliyet, enerji verimliliği ve paketleme ihtiyaçlarını karşılarken bu seviyede performans sağlayabilir.