步進(jìn)電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)換為角位移或直線運動的執(zhí)行設(shè)備。在非超載的情況下，電機轉(zhuǎn)速和停止位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，因此步進(jìn)電機廣泛應(yīng)用于精密控制場合[1]。
    在基于圖像處理評價函數(shù)的調(diào)焦系統(tǒng)中，常用的調(diào)焦策略包括斐波那契搜索法和爬山搜索法，其中又以爬山搜索法應(yīng)用最為廣泛[2]。根據(jù)爬山搜索的原理，在開始搜索時，先復(fù)位調(diào)焦鏡頭到起始搜索位置，在搜索焦點的過程中，要防止由于圖像噪聲等干擾造成程序判斷錯誤，導(dǎo)致調(diào)焦鏡頭越出調(diào)焦范圍邊界。
    為了適應(yīng)這種控制需求，對通用步進(jìn)電機控制器進(jìn)行了改進(jìn)，使其在具有自動和手動控制功能的同時，引入限位信號反饋控制。電機控制器使用硬件描述語言(HDL)編寫，而限位信號則由位置感應(yīng)電路中的光電開關(guān)器件自動反饋。
1 步進(jìn)電機驅(qū)動原理
    步進(jìn)電機與直流電機的驅(qū)動方式不同，它需要邏輯控制器與功率驅(qū)動電路配合使用。具有位置感應(yīng)電路的步進(jìn)電機驅(qū)動原理圖如圖1所示。

    電機控制器接受指令單元的控制指令，同時檢測位置感應(yīng)電路反饋的限位信號，然后向功率驅(qū)動單元傳遞驅(qū)動邏輯，功率驅(qū)動單元轉(zhuǎn)換這些驅(qū)動邏輯，并輸出功率脈沖驅(qū)動步進(jìn)電機運行。
2 步進(jìn)電機控制器
    通用步進(jìn)電機控制器主要用于輸出驅(qū)動邏輯信號，控制步進(jìn)電機的運行方向、速度、步數(shù)和停止。本文的步進(jìn)電機控制器要求具有手動和自動控制功能，同時加入復(fù)位和限位處理模塊，控制目標(biāo)為一種二相四線制步進(jìn)電機。加入限位信號（LIMIT）控制功能的控制器頂層信號如圖2所示。

    圖2中DATA為電機自動運行的步數(shù)，HOLD控制電機停止，MANUAL為手動觸發(fā)信號，DIRECTION用于控制運行方向，RESET_TRI為爬山搜索復(fù)位信號，四路OUT信號為步進(jìn)電機的輸出邏輯，用于四線制步進(jìn)電機的驅(qū)動控制。通過控制輸出邏輯的頻率DRI_CLK可以控制步進(jìn)電機運行速度，而輸出邏輯的轉(zhuǎn)換方向則控制了步進(jìn)電機的運行方向[3]。
2.1 模塊實現(xiàn)
    步進(jìn)電機在具有一定轉(zhuǎn)換方向的驅(qū)動脈沖下運行，據(jù)此將電機控制器劃分為方向控制和邏輯輸出兩個部分。限位信號用于復(fù)位和限定運行方向，因此在方向控制部分同時處理限位；在邏輯輸出部分，按照控制需求再次劃分為復(fù)位、自動和手動三個邏輯處理模塊，在邏輯輸出的實現(xiàn)方式上，復(fù)位、自動和手動通過一定的優(yōu)先級邏輯，通過發(fā)送電機占用請求復(fù)用邏輯輸出模塊。圖3為控制器模塊劃分示意圖。

    (1)爬山復(fù)位
    爬山復(fù)位模塊用于復(fù)位調(diào)焦鏡頭到爬山搜索的起始位置。電機控制器在捕獲到指令單元的復(fù)位信號后，按預(yù)定的運行方向產(chǎn)生驅(qū)動邏輯，直至控制器收到限位信號LIMIT的有效反饋后停止。復(fù)位過程中，自動和手動請求無效。
    (2)自動控制
    步進(jìn)電機控制器的步數(shù)數(shù)據(jù)接收端DATA在接收到指令單元傳入的運行步數(shù)后，首先檢查當(dāng)前是否有其他電機占用請求，如果電機空閑，就按照同時傳入的方向信號輸出指定步數(shù)的驅(qū)動邏輯；否則忽略本次自動控制請求。
    (3)手動微調(diào)
    手動微調(diào)在控制器中作為一種輔助控制手段，允許人工微調(diào)調(diào)焦鏡頭的位置。每啟動一次手動微調(diào)，電機就按照設(shè)定的運行方向，運行一段固定的微調(diào)距離?？刂破髟诓东@到手動輸入信號后，同時讀取手動運行方向DIRECTION的設(shè)置值，如果當(dāng)前電機空閑，則按照手動輸入的方向信號輸出固定步數(shù)的驅(qū)動邏輯；否則手動請求無效。
    (4)方向和限位處理
    當(dāng)控制器運行在手動微調(diào)或自動控制時，需要防止調(diào)焦鏡頭越出邊界。方向模塊在收到有效的限位信號LIMIT后，對正在輸出的方向信號取反，控制步進(jìn)電機反方向運行，實現(xiàn)限位要求。當(dāng)控制器沒有收到限位信號反饋時，則讀取DIRECTION端口的方向，傳遞給邏輯輸出模塊，用于控制驅(qū)動邏輯的轉(zhuǎn)換方向。
    (5)邏輯輸出
    邏輯輸出模塊內(nèi)置邏輯發(fā)生器，邏輯發(fā)生器按照電機請求和方向信號輸出驅(qū)動邏輯。方向信號用于控制驅(qū)動邏輯的轉(zhuǎn)換方向；自動和手動模塊的核心是計數(shù)器，電機請求信號是步數(shù)計數(shù)器的輸出，因此電機請求信號的有效時間表示允許邏輯發(fā)生器運行的時鐘周期數(shù)。
2.2 邏輯發(fā)生器
    邏輯發(fā)生器的輸出邏輯與步進(jìn)電機的驅(qū)動方式密切相關(guān)。本文控制目標(biāo)的驅(qū)動方式為二相雙四拍式。標(biāo)記步進(jìn)電機的兩相繞組為：A(+)、B(-)、C(+)、D(-)，AB為一相，CD為另一相，則二相雙四拍的驅(qū)動方式為AC-AD-BD-BC[4]。二相雙四拍的驅(qū)動方式是指電機輸入線的通電方式，也即功率驅(qū)動單元的輸出通電脈沖，而邏輯發(fā)生器的輸出還要考慮功率驅(qū)動單元的轉(zhuǎn)換方式。
    功率驅(qū)動單元可以使用MOS管等分立元件或?qū)Ｓ眉呻娐穼崿F(xiàn)[5]。為了減少電路規(guī)模，采用專用驅(qū)動芯片BA6845FS完成功率轉(zhuǎn)換。該芯片具有四路電平轉(zhuǎn)換，支持二相雙四拍驅(qū)動方式；輸出飽和電壓低、內(nèi)置節(jié)電和過熱保護(hù)電路，可以降低電路功耗，同時提高電路可靠性。其真值表如表1所示[6]。從表1中可以看出，當(dāng)控制器沒有接到電機運行指令時，可以設(shè)置邏輯發(fā)生器的輸出B/D為0，使步進(jìn)電機的繞組處于開路狀態(tài)，防止電機發(fā)熱。

    根據(jù)表1的功率轉(zhuǎn)換方式，可以得到邏輯發(fā)生器的輸出邏輯與二相雙四拍繞組通電方式的對應(yīng)轉(zhuǎn)換關(guān)系，如表2所示。表2中1代表高電平，磁極繞組通電；0代表低電平，磁極繞組不通電。

    表2中，繞組任意一次通電方式間的變化（1-2、2-3、3-4、4-1），步進(jìn)電機都會轉(zhuǎn)動一個步距角，即移動一步，所以可以通過控制驅(qū)動邏輯轉(zhuǎn)換的次數(shù)來控制步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動的步數(shù)。邏輯發(fā)生器按照脈沖計數(shù)的順序，從1到4循環(huán)輸出驅(qū)動邏輯時，繞組按照二相雙四拍的方式通電，驅(qū)動步進(jìn)電機正向轉(zhuǎn)動，反之實現(xiàn)反向轉(zhuǎn)動。
    按照表2中的邏輯輸出電平即可設(shè)計邏輯發(fā)生器。其VerilogHDL代碼如下：
    always @(negedge clk or negedge reset)
    begin
        if(!reset) q = 4’b0000;
        else if(!hold || !run_en) q = 4’b0000;
        //輸出0可以使功率芯片輸出開路狀態(tài)，
        //防止電機發(fā)熱
          else begin//電機請求有效
          if(!direc_i)//反方向
          case (q)  //表2中的邏輯輸出
            4'b0111 : q = 4'b1111;
            4'b1111 : q = 4'b1101;
            4'b1101 : q = 4'b0101;
            4'b0101 : q = 4'b0111;
            default : q = 4'b0101;
          endcase
          else if(direc_i)//正方向
          case (q)
            4'b0111 : q = 4'b0101;
            4'b0101 : q = 4'b1101;
            4'b1101 : q = 4'b1111;
            4'b1111 : q = 4'b0111;
            default : q = 4'b0101;   
          endcase 
        end
    end
3 仿真與實驗
    為了驗證所設(shè)計的步進(jìn)電機控制器是否能正常工作，使用EDA工具和Nios II嵌入式系統(tǒng)對控制器進(jìn)行功能仿真和實驗驗證。
3.1 功能仿真
    使用測試臺（testbench）程序在Modelsim中對步進(jìn)電機控制器進(jìn)行功能仿真。仿真時鐘周期為100 ns，仿真結(jié)果如圖4所示。測試臺程序在預(yù)定的時間點自動修改輸入端口寄存器的值，并監(jiān)視邏輯發(fā)生器的輸出。在評價功能仿真輸出結(jié)果時，主要查看自動、手動和復(fù)位3個模塊的仿真輸出邏輯是否按測試臺程序要求轉(zhuǎn)換了預(yù)定的次數(shù)，同時檢查限位和停止功能是否有效。

    圖4中，測試臺首先設(shè)置爬山復(fù)位(reset_tri)為有效，邏輯發(fā)生器開始輸出驅(qū)動邏輯，直到限位信號(limit)下降沿到來，A/B/C/D恢復(fù)為0；接著置手動觸發(fā)信號(manual)有效，邏輯發(fā)生器在輸出手動控制模塊預(yù)置的7次驅(qū)動邏輯轉(zhuǎn)換后，A/B/C/D恢復(fù)為0；然后向自動步數(shù)(data)寫入數(shù)據(jù)’00001001’，邏輯發(fā)生器輸出了9次邏輯轉(zhuǎn)換；在手動和自動控制過程中，測試臺在邏輯輸出過程中插入了有效的限位信號。由圖4可以看出，在1600 ns和3 μs 處，驅(qū)動邏輯的轉(zhuǎn)換方向發(fā)生了變化；最后，向data寫入數(shù)據(jù)’00000100’，驅(qū)動邏輯重新開始輸出，輸出過程中遇到停止信號(hold)有效，強制輸出A/B/C/D為0。仿真結(jié)果表明所設(shè)計的步進(jìn)電機控制器的功能正確。
3.2 實驗驗證
    步進(jìn)電機控制器的實驗驗證電路如圖5所示。嵌入Nios II處理器的片上可編程系統(tǒng)(SoPC)在ALTERA DE2開發(fā)板的FPGA中建立，同時設(shè)計了位置感應(yīng)電路和功率驅(qū)動電路，用來驗證復(fù)位和限位功能以及驅(qū)動步進(jìn)電機。

    位置感應(yīng)電路如圖6所示。采用光電開關(guān)(optoiso)作為限位信號傳感器，當(dāng)調(diào)焦鏡頭在設(shè)定區(qū)域內(nèi)運行時，限位傳感器輸出高電平信號，到達(dá)邊界時則輸出低電平信號。光電開關(guān)輸出的電平信號經(jīng)存儲后，輸出限位信號LIMIT。
    步進(jìn)電機的功率驅(qū)動電路如圖7所示，圖中A/B/C/D是步進(jìn)電機控制器輸出的邏輯電平信號，經(jīng)存儲后送入BA6845FS進(jìn)行功率轉(zhuǎn)換，而功率芯片的輸出端口直接與二相四線制步進(jìn)電機的繞組控制線相連。

    完成功率電路和位置反饋電路制作后，把它們連接在DE2開發(fā)板上。將步進(jìn)電機控制器與Avalon總線信號連接后添加到Nios II系統(tǒng)集成工具SoPC Builder中，然后添加其他Nios II系統(tǒng)模塊構(gòu)成一個SoPC并下載到FPGA。最后編寫面向Nios II處理器的步進(jìn)電機控制程序，其中手動控制采用按鍵中斷方式。通過程序向步進(jìn)電機發(fā)送自動和手動以及復(fù)位控制命令，驗證步進(jìn)電機的運行狀況。實驗結(jié)果表明，步進(jìn)電機可以響應(yīng)自動控制和手動微調(diào)請求，同時有效的限位信號可以復(fù)位調(diào)焦鏡頭到達(dá)爬山起始位置和限定鏡頭的移動范圍。
參考文獻(xiàn)
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