世界范围内的安全和安全问题已经大大增加了安全性和监控摄像头的使用，通常使用高分辨率的CCD或CMOS成像仪，它们被绑定到基于云的视频分析中，用于生物识别和面部识别分析。
然而，为了使生物识别算法能够正常工作，相机定位系统必须有平滑的操作，以避免在摄像机运动时产生不必要的图像失真。许多应用程序中，*裁量权或远程访问都要求系统紧凑和节能。
线性伺服马达定位系统可以提供所需的平滑操作，但它们是以更高的功率和高分辨率编码器和精密电路的需要为代价的。另外，步进电机有几个具有吸引力的特点，用于视频监控定位，包括完全转矩、良好的启动、停止和反向响应时间、无误差积累的运动重复性，以及具有固定步长的简单开环控制。
然而,固定步长限制——即使是200步/旋转电机的步长为1.8°,不够光滑高分辨率视频。这可以通过微步来克服，新的微步驱动程序使设计者能够快速实现紧凑的高分辨率，低功率的定位系统。
步进电机基础
步进电机是一种无刷直流电动机，它将一个完整的旋转分解为等量的步骤。定子包含固定数量的绕线电磁铁。有三种类型的转子结构-永磁体(PM)，可变磁阻(VR)和混合。永磁电机在转子的圆周上安装了南北永磁磁体。VR转子是由软磁性材料制成的，并有牙齿切割(从末端看，转子看起来很像齿轮)。虚拟现实电机的工作原理是最小磁阻发生在最小间隙，因此转子齿被吸引到定子磁极。
该混合式步进器有一个类似于VR电机的齿形转子，以及轴上的轴向磁化同心磁铁。这一安排提供了与VR马达相似的步长(可能的牙齿数目大于PM转子中可能的磁体数目)，从而改善了扭矩特性。
定子的相位绕组的数目通常为2，尽管也有3 - 5相电机。电动机可以以两种方式缠绕——单极或双极。图1和图2显示了两相电机的两个选项。
数字密钥方案的图-它的两相单极绕组。
图1:在两相单极绕组中，中心丝锥与电机电压相连，相腿切换到地面以改变电流方向。(使用数字键方案绘制的图)
单极绕组每个阶段有一个绕组。中心抽头通常与电机电压电源相连，每个绕组的两端交替接地，以逆转绕组所提供的磁场方向。这使得电机易于控制，但电机效率较低，因为只有一半的绕组一次使用。
数字密钥方案的图像-双相双极绕组。
图2:在双相双极绕组中，相电流通过h桥驱动器反转，使总绕组一次通电。(使用数字键方案绘制的图)
双极结构采用了所有的相绕组，但转换驱动电流则更为复杂。通常，这是用h桥驱动器完成的，它也可以控制绕组的电流(电机扭矩与电流成正比)。
在监控摄像头中使用的步进电机通常是两相混合或PM双极型。在双相电机中，定子中的电磁铁对稍微偏置，这样当一个绕组被断电时，另一个线圈就会被打开，牙齿就会被下一个位置所吸引。这允许步骤的数目是转子牙齿数目的四倍。因此,50-tooth每旋转转子有200步,每一步或1.8°。
步骤排序
双极步进电机有两个绕组。转子通过顺序地改变绕组的电流而移动。一种方便的方法来形象化这是一个相图。
图3显示了使用图2中所示的双极绕组的全步操作。
全步操作相电流图像。
图3:在全步操作中，每个绕组的相电流为-Imax或+Imax。每一个状态的变化都使电机的一个步骤。(来源:凯利讯半导体)
在全步操作中，每个绕组的电流都是-Imax或+Imax。图3正时图所示的相电流变化将导致图3相图位置序列。每90˚状态变化的相图移动电机一步。相图箭头(phasor)的长度在EQ1中显示:
方程1
转矩与电流(直到磁饱和)成正比，而相变长度则表示功率的绘制。当然这是理想的情况，忽略了绕组特性的瞬时效应。
图4显示了半步操作。每个绕组的电流允许是-Imax, 0或+Imax。这允许在整个步骤之间“半步”，从而使每一次革命的步数增加一倍，以便更好的定位。然而，这是要付出代价的。注意，当一个绕组的值为0时，在轴上的相量长度较短(约为70%)。这种转矩脉动可以通过增加其他绕组的电流来减轻。
半步操作绕组电流图像。
图4:在半步操作中，每个绕组的电流为-Imax、0或+Imax。这使步骤数目加倍，但有电流和转矩波动。(来源:凯利讯半导体)
如果你将半步的概念进一步推进，并且允许绕组内的电流以一种模拟正弦交流波形的方式来改变，如图5所示，你可以通过低转矩脉动实现更精细的分辨率。这通常被称为正弦余弦微步。在图5中，一个完整步骤内的微步数为4。这就是所谓的“分四步”。
四分之一正弦余弦微步的图像。
图5:在四个正弦余弦微步中，在模拟的正弦曲线中改变了相位电流，从而减小了转矩脉动。(来源:凯利讯半导体)
虽然有一些驱动程序可以支持分256级的微步，但在实践中，最小步长和步进可重复性是负载动力学、电机绕组特性和驱动电压和电流能力的函数。
综合司机的救援。
监控摄像头定位系统往往需要锅利率从几度到超过200˚/第二和倾斜率5˚每秒10˚。机构扭矩范围一般在10盎司左右，电机输入电压一般在12伏到40伏之间。
微步提供了平稳的步进能力，快速的平移，倾斜和变焦率，和精确定位所需的监视摄像系统。然而，驱动电子产品满足这些要求是复杂的。幸运的是，市场上有很好的集成驱动产品，大大简化了工作。
A5984从Allegro微系统是一个微步驱动的翻译非常适合于单轴相机定位的应用。它可以提供完整的，半，和微步的模式，以除以32。它的工作电压范围为8- 40-VDC，并且可以在每一阶段输入和下降2个A。它提供24针QFN或TSSOP包，可以很容易地适应小的因素定位系统。这些包裹都有暴露的衬垫来帮助进行热管理。
图6显示了A5984的功能框图。根据MSx引脚，DIR pin确定电机方向，而STEP pin则将电机的全部或部分推进。MSx引脚选择全步、半步或分步、8、16或32个微步模式。翻译人员负责执行这些模式所需的阶段排序。控制软件只需要设定方向，并为每一个动作的增量设定脉冲。这允许使用简单、低成本、低功率的单片机。
Allegro微系统A5984微步驱动程序图。
图6:在Allegro Microsystems的A5984微步驱动程序中，内部双h桥驱动器由一个转换器控制，内部控制逻辑，以及一个恒定的非时间脉冲宽度调制(PWM)驱动程序，以方便使用。(来源:凯利讯半导体)
每个相位的电流通过一个固定的非时间脉冲宽度调制(PWM)控制来调节。一种特殊的特性是自适应百分比快速衰减(APFD)电流控制模式。APFD自动调整电流控制斩波电路的衰减量。这就消除了在零的情况下的电流连续性的问题，这可能导致慢速的错过步骤(图7和8)。这个特性在相机定位系统中很重要，因为没有被忽略的脉冲会出现运动反射。APFD也降低了系统的电流波动，提高了操作的流畅性。
快板微系统固定斩波衰减时间图。
图7:固定的斩波衰减时间可以导致在零交叉的速度慢速的脉冲。(来源:快板微系统)
自适应百分比快速衰减图
图8:自适应百分比快速衰减(APFD)在每个脉冲中加入适量的快速衰减，以消除当前的不连续和慢速的脉冲。(来源:凯利讯半导体)
电机输出通过禁用输出自动保护从短路负载和短路到电池或地面。这些故障是通过nFAULT pin报告的。低压闭锁和热关闭也提供了额外的保护。
这个驱动程序家族中的其他设备包括两个axis应用程序的双驱动程序。
跟双驱动
另一种定位系统运动控制的方法可以从半导体的LV8714TA中找到。这是一个双步进电机驱动程序，它可以同时处理平移和倾斜任务。它可以驱动电机从8到16伏特，最高可达1.5 A。它出现在一个节省空间的7x7毫米TQFP外露衬垫包(图9)。
来自半导体的LV8714TA图。
图9:来自于半导体的LV8714TA集成了双步进电机驱动，所以一部分可以驱动平移和倾斜电机。(来源:凯利讯半导体)
每台电机由两个引脚和两个输入引脚控制。输入引脚上的相输入序列决定了步骤的方向，如表1所示。
INxENA1,ENA2PhaseDirection
0-9090-180180-270270-360
IN1HLLHHForward
IN2HHLLH
IN1HHLLHReverse
IN2HLLHH
表1:LV8714TA步进方向由电机INx引脚上的相输入序列控制。(来源:在半导体)
与大多数步进电机驱动器不同，LV8714TA不使用外部电流感应电阻。相反，它使用一种专有的内部电流感应机制来监测和控制线圈电流与VREFx销(每一个电机阶段)。一个相位的最大期望线圈电流是由一个与RCSx销连接的电阻器设定的。在这个阶段，VREFx pin的一个恒定值将产生一个恒流到那个阶段，并且在每个相变过程中都将会有一个完整的步骤，每一个表1。
然而,如果90˚抵消,完全整流电压正弦波同步相位输入——应用于一双运动阶段的VREFx别针,线圈电流将通过不同的步骤序列,创建微步。通过这种方式，可以实现大于分256的微步，从而实现超平滑的操作(图10)。
来自半导体的LV8714TA步进驱动器示意图。
图10:从半导体上的LV8714TA驱动驱动器上，在VREF引脚上的INx引脚和全波整流正弦电压波形组合，可以产生精细的微步线圈电流。(来源:在半导体)
这种性能的代价是更加复杂的软件，因为主机的微控制器需要在整个步骤序列中控制INx针和VREFx针。VREFx波形可通过适当的数字电位器或数字-模拟转换器(DAC)控制。
设备提供欠压、过流、过热保护功能和有一个非常低的待机电流1µA(典型的)。
结论
监控摄像定位系统需要平稳、准确的操作，以满足高分辨率相机和先进监控软件的需要。双极步进电机与正确的微步控制器相结合，可以在满足成本、提高能源效率和包装需求的同时提供这种性能。