步进电机控制系统及方法
阅读：292发布：2020-05-16
专利汇可以提供步进电机控制系统及方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且控制步进 电机 。向一个索引 位置 驱动步进电机。尝试使步进电机停在索引位置，停机方式通常会导致步进电机在索引位置发生 振铃效应 。确定可抵消该振铃效应的一个或多个后续脉冲的特性。将已确定的一个或多个后续脉冲发送至该步进电机。，下面是步进电机控制系统及方法专利的具体信息内容。
1.一种控制步进电机的方法，用于在所述步进电机的至少六个索引位置中的一个或多个索引位置拍摄热像，其中所述步进电机耦合到相机，所述方法包括：
使用固定驱动电流，步进电机驱动器，微控制器中的至少一个，或使用固定驱动电流，步进电机驱动器，微控制器中的至少一个和由陀螺仪，轴编码器，环境信息，系统特性，历史数据，查询表，光断路器或霍尔效应传感器中的至少一个提供的信息，从所述至少六个索引位置中的第一索引位置向第二索引位置驱动所述步进电机,所述至少六个索引位置中的每一个与所述热成像相机在连接到所述步进电机的所述热成像相机的360度旋转期间面对的不同方向相关联，其中朝着所述第二索引位置驱动所述步进电机包括改变所述相机面向的顺时针或逆时针方向；其中所述步进电机以至少10转每分钟的速度执行一个或多个360度旋转；
使用保持电流，步进电动机驱动器，微控制器中的至少一个，或使用保持电流，步进电动机驱动器，微控制器中的至少一个和由陀螺仪，轴编码器，环境信息，系统特性，历史数据，查找表，光断路器或霍尔效应传感器中的至少一个提供的信息，尝试使所述步进电机停在所述第二索引位置至少30毫秒，使得在所述步进电机被停止时捕获的图像的运动模糊被最小化，其中停机方式会导致所述步进电机在所述第二索引位置发生振铃效应；
抵消所述步进电机在所述第二索引位置处的振铃效应，其中抵消所述步进电机振铃效应包括：
使用微控制器，步进电机驱动器中的至少一个，或使用固定驱动电流，步进电机驱动器，微控制器中的至少一个和由陀螺仪，轴编码器，环境信息，系统特性，历史数据，查询表，光断路器或霍尔效应传感中的至少一个提供的信息，确定用以抵消所述振铃效应的一个或多个后续脉冲的特性，以抵消在所述第二索引位置处的所述振铃效应；
使用步进电动机驱动器或所述微控制器发出已确定的所述一个或多个后续脉冲，以使所述步进电机停在所述第二索引位置；
当所述步进电机暂时停在所述第二索引位置时，通过同步脉冲触发相机来捕获热像；
以及
使用固定驱动电流，步进电机驱动器，微控制器中的至少一个，或使用固定驱动电流，步进电机驱动器，微控制器中的至少一个和由陀螺仪，轴编码器，环境信息，系统特性，历史数据，查找表，光断路器或霍尔效应传感器中的至少一个提供的信息，向第三索引位置驱动所述步进电机，其中所述步进电机以至少10转每分钟的速度执行一个或多个360度旋转，并且在所述一个或多个旋转中的每一个旋转期间在所述至少六个索引位置中的每一个处停止至少30毫秒，其中所述相机被配置为在每次执行旋转期间停止在一个或多个索引位置的同时捕获图像，使得至少一个捕获的图像对应于所述至少六个索引位置中的一个，并且至少一个捕捉的图像不对应于所述至少六个索引位置中的任何一个，其中不对应于所述至少六个索引位置中的任何索引位置的所述至少一个捕获图像中的每一个被数字开关丢弃。
2.如权利要求1所述的方法，其中索引位置基于所述相机的位置。
3.如权利要求1所述的方法，其中索引位置基于传感器位置。
4.如权利要求1所述的方法，还包括在所述一个或多个后续脉冲之后中断对所述步进电机的供电，以节约用电。
5.如权利要求1所述的方法，其中确定用以抵消所述振铃效应的一个或多个后续脉冲的特性的步骤包括进行实时计算。
6.如权利要求1所述的方法，其中确定用以所述抵消振铃效应的一个或多个后续脉冲的特性的步骤包括参考之前所生成的经验数据。
7.如权利要求1所述的方法，其中确定用以抵消所述振铃效应的一个或多个冲的特性的步骤包括对耦合到所述步进电机的陀螺仪进行观察，以确定振铃效应的特性。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述后续脉冲与停止脉冲相比，在时间上有偏移。
9.如权利要求1所述的方法，其中所述步进电机包括用于索引位置的一对绕组，且其中第一脉冲被发送至这一对绕组中的每个绕组，以向所述索引位置驱动所述步进电机，且所述后续脉冲被发送至这一对绕组中的一个绕组或两个绕组，以抵消在所述索引位置处的振铃效应。
10.如权利要求1所述的方法，其中确定用以所述抵消振铃效应的一个或多个后续脉冲的特性的步骤包括对系统的温度、转子的角速度、电机特性，相机重量，索引位置，瞬时转动位置，所请求的步数或系统惯性中的一项或多项进行评价。
11.一种步进电机控制系统，所述系统被配置为在使步进电机停机时对所述步进电机的振铃效应进行抑制，所述系统包括：
热成像相机；
步进电机，所述步进电机上安装有所述热成像相机，所述步进电机被配置为以至少10转每分钟的速度执行一个或多个360度旋转，并使用固定驱动电流，步进电机驱动器，微控制器中的至少一个，或使用固定驱动电流，步进电机驱动器，微控制器中的至少一个和由陀螺仪，轴编码器，环境信息，系统特性，历史数据，查询表，光断路器或霍尔效应传感器中的至少一个提供的信息，使所述步进电机从所述步进电机的至少六个索引位置中的第一索引位置被驱动至第二索引位置，所述至少六个索引位置中的每一个与所述热成像相机在连接到所述步进电机的所述热成像相机的360度旋转期间面对的不同方向相关联，其中朝着所述第二索引位置驱动所述步进电机包括改变所述相机面向的顺时针或逆时针方向；所述热成像相机在所述第二索引位置捕获图像，其中使用保持电流，步进电动机驱动器，微控制器中的至少一个，或使用保持电流，步进电动机驱动器，微控制器中的至少一个和由陀螺仪，轴编码器，环境信息，系统特性，历史数据，查找表，光断路器或霍尔效应传感器中的至少一个提供的信息，使所述步进电机停在所述第二索引位置至少30毫秒，使得所述步进电机在所述第二索引位置停机时，在所述步进电机被停止时捕获的图像的运动模糊被最小化，所述步进电机的电机转子在所述第二索引位置处呈现振铃效应；和
控制器，其被耦合到所述步进电机，其中所述控制器被配置为向所述步进电机发出一个或多个脉冲，其中所述一个或多个脉冲被配置以抵消所述转子在所述第二索引位置的所述振铃效应，从而使所述步进电机停在所述索引位置；所述控制器进一步被配置为当所述步进电机暂时停在所述索引位置时，通过发送同步脉冲来触发所述热成像相机，以使所述热成像相机在所述第二索引位置捕获图像；
所述控制器被进一步配置为使用固定驱动电流，步进电机驱动器，微控制器中的至少一个，或使用固定驱动电流，步进电机驱动器，微控制器中的至少一个和由陀螺仪，轴编码器，环境信息，系统特性，历史数据，查找表，光断路器或霍尔效应传感器中的至少一个提供的信息，向后续索引位置驱动所述步进电机，其中所述步进电机以至少10转每分钟的速度执行一个或多个360度旋转，并且在所述一个或多个旋转中的每一个旋转期间在所述后续索引位置中的每一个处停止至少30毫秒，其中所述相机被配置为在每次执行旋转期间停止在一个或多个索引位置的同时捕获图像，使得至少一个捕获的图像对应于所述至少六个索引位置中的一个，并且至少一个捕捉的图像不对应于所述至少六个索引位置中的任何一个，其中不对应于所述至少六个索引位置中的任何索引位置的所述至少一个捕获图像中的每一个被数字开关丢弃。
12.如权利要求11所述的系统，其中所述热成像相机被耦合到所述步进电机的所述转子。
13.如权利要求11所述的系统，还包括传感器，所述传感器被机械地耦合到所述转子，并被电子地耦合到所述控制器，其中所述控制器被配置为使用来自所述传感器的反馈来确定被配置以抵消所述转子的所述振铃效应的所述一个或多个脉冲的特性。
14.如权利要求13所述的系统，其中所述传感器为陀螺仪。
15.如权利要求11所述的系统，其中所述控制器能访问方程，所述方程用于确定被配置以抵消所述转子的所述振铃效应的所述一个或多个脉冲的特性。
16.如权利要求11所述的系统，其中所述控制器能访问历史数据库，所述历史数据库能用于确定被配置以抵消所述转子的所述振铃效应的所述一个或多个脉冲的特性。
17.一种物理计算机可读取存储器，其中所述物理计算机可读取存储器包括计算机可执行指令，当由一个或多个处理器执行所述计算机可执行指令时，所述计算机可执行指令被配置以导致执行如权利要求1-10中任一项所述的方法。
步进电机控制系统及方法
[0001] 对相关申请的交叉引用
[0003] 在热成像应用中，拍摄热像比可见光成像应用要多花大量的时间。例如，为拍摄静止的热像，相机需要被保持静止约66ms，以获取没有显著模糊的图像。此外，在进行自动化图像拍摄时，可能会采用电机和控制器对相机进行定位。有可能需要很长时间才能使与相机相连的电机完全停住，以获取没有显著模糊的图像。因此，当将电机起动和停机所需的时间与相机必须保持静止的时间相加时，可能存在会显著地限制给定时长内所拍摄图像的数量的限制。
[0004] 本文所请求保护的主题并不局限于可解决任何不足之处的实施例或仅可在如上文所述的环境中工作的实施例。相反，提供本技术背景的目的仅在于例示出本文所述的一些实施例可在其中实施的一个示例性技术领域。
[0005] 发明概述
[0006] 本文所示的一种实施例包括一种用于控制步进电机的方法。本方法包括向索引位置驱动步进电机。本方法还包括尝试使步进电机停在索引位置，停机方式通常会导致步进电机在索引位置发生振铃效应。本方法还包括确定用以抵消振铃效应的一个或多个后续脉冲的特性。本方法还包括发出已确定的一个或多个后续脉冲。
[0007] 另一种实施例包括一种电机系统，其被配置为在使步进电机停机时对步进电机的振铃效应进行抑制。本系统包括一个步进电机。步进电机被配置为被驱动至索引位置。当步进电机最初在所述索引位置停机时，步进电机的电机转子通常呈现振铃效应。本系统还包括耦合到步进电机的控制器。该控制器被配置为向步进电机发出一个或多个脉冲。所述一个或多个脉冲被配置以抵消所述转子的振铃效应。
[0008] 本“发明概述”的目的是以简化的形式介绍一些概念，将在下文的“详细说明”中对这些概念进行进一步说明。本“发明概述”并非旨在明确指出所请求保护的主题的关键特征或必要特征，也非旨在辅助确定所请求保护的主题的范围。
[0009] 附加特征和优势将在下文说明中给出，其一部分将可从该说明中显见，或者可从对本文教导的内容的实践中获知。本发明的特征和优势将通过在所附权利要求中明确指出的工具和组合加以实现和获得。本发明的特征将通过以下说明和所附权利要求得以更加明确的呈现，或者通过对下文所述的本发明的实践获知。
[0011] 为了对可获得上文所述的及其他的优势和特征的方式进行说明，以下将参照附图中所示的特定实施例对上文所简述的保护主题进行更为具体的说明。应该理解的是，这些附图仅示出典型的实施例而非因此对范围加以限定，将借助附图对各实施例进行更加具体和详细的介绍，其中：
[0014] 图3所示为步进电机以及与该步进电机一起使用的各种部件的更为详细的框图；
[0015] 图4所示的图将步进电机的转速(RPM)与不同次数停机中的停机时间的百分比建立了关联；
[0016] 图5所示为一个步进电机控制器的框图；
[0018] 图7所示的表将各种步进电机的性能特性建立了关联；
[0019] 图8所示为步进电机控制的一个时序图；
[0020] 图9所示为步进电机控制的另一个时序图；以及
[0021] 图10示出了一种控制步进电机的方法。
[0022] 详细说明
[0024] 非步进直流电机将在电机被施加电压时因磁力而持续转动。而步进电机则采用一组绕组，在被适当通电时，其会使转子转动一定角度，或称一“步”。绕组可以被按顺序通电使得在电机的步长内实现步进电机转子的精确旋转定位。此外，颠倒该顺序将使转子以相反方向转动。
[0025] 通过使电机从当前位置向新的所需位置的步进，可以在一步的分辨率内实现任何所需的角位置。这将通过对绕组以正确顺序重复通电的方式一次一步地实现。电机的重复性步进用于产生从当前位置到新的所需位置的平滑运动。可实现的最高速度是电机驱动电流、步进电机的转矩特性以及系统的总转矩和惯性载荷的函数。如果步进电机无法提供运转至下一步所需的足够转矩，电机将会“打滑”，这意味着它将不会行进到下一步，位置准确性将丧失。除了可能存在的任何摩擦之外，任何机械系统均具有一定的惯性，当从停止位置开始加速时，必须克服此惯性。由于步进电机的转矩随速度的提高而减小，实现加速曲线的方式可以是，对绕组以特定的时序通电，使得各步之间的时间在开始时较长，然后随着系统转动达到一定速度，各步之间的时间将下降直至最小值。类似地，当进行减速时，各步之间的时间可随着系统的减速而被加长。需要这些技术的原因是任何实际的机械系统均无法立即被加速到最高速度，也无法在全速转动时立即停住。即使在使用了这些技术的情况下，瞬时转速也无法达到理想情况，例如，“三角形”速度曲线从零开始，沿斜坡均匀加速至最高速度，然后沿斜坡均匀减速至零。由于机械系统既有摩擦也有惯性，响应中总会存在一些粗糙度，因此会对来自步进电机的任何转动输入形成一个二阶响应。所形成的二阶系统经常为欠阻尼型，这就形成了系统的速度响应中的一些“振铃”效应。振铃效应可以被可视化描述为，使电机转子以对数式减小的转动幅度来回转动，直至转子停住，或者达到可将转子视为已停住的足够小的幅度。此时，可以进行精确的操作，例如使用耦合到转子的相机拍摄静帧图像，而不引入显著的误差(例如图像的模糊)。
[0026] 本文所述的一些实施例可通过对送至电机的步进脉冲进行仔细定时而在时间和/或幅度方面显著减小振铃效应。在一些实施例中，这可能包括对驱动电机到达所需位置的步进脉冲以及用以抵消振铃效应的脉冲进行仔细的时序安排和选择。在一些实施例中，使用在合适的时间发送至合适绕组的单个步进脉冲就可以对振铃效应进行充分的抵消。有些实施例可以从完全停止状态开始对载荷进行快速加速，在最短的时间内将其移动至下一个所需的位置，然后使其快速停止，包括对振铃进行抑制。在一些实施例中，一旦停止，电机绕组可以被完全断电，因为转子将被步进电机的钳制转矩保持在原位。这样将会减少步进电机的能耗。根据运动时间与静止时间的百分比，其节能幅度可能很可观，因为当未通电时，步进电机的功率消耗仅用以保持静止。
[0027] 如图1所示，一个实施例采用一个步进电机驱动器集成电路(IC)104来驱动步进电机100的绕组102A和102B，而由一个微控制器106来控制驱动器IC。对电机绕组102A和102B通电的细节工作留给驱动器IC 104，使得当微控制器106希望使转子运动至下一步时，它仅需在STEP(步进)信号108上发出一个脉冲即可，电机驱动器IC 104将处理对绕组102A和102B提供电流的顺序。微控制器106通过DIRECTION(方向)信号110控制转动方向，转动方向为逆时针或顺时针。微控制器106也可以通过ENABLE(使能)信号112对电机驱动器IC的输出进行通电或断电。
[0028] 如上所述，步进电机的转矩与驱动电流相关。驱动电流可以被固定，或在需要的情况下可被设置为接受微控制器的控制，如图1所示。在此，CURRENT_CONTROL(电流控制)信号114上的电压被用于调节电机驱动器IC 104所使用的步进电机驱动电流。其实现方式可以是例如，在微控制器控制下使用一个数模转换器生成一个变化的直流电压，由其来控制电流。许多微控制器包括脉冲宽度调制(PWM)输出，其可以与合适的低通滤波一起使用，以在微控制器控制下生成一个变化的直流电压。在一种可替代实施例中，采用一个或多个微控制器通用I/O(GPIO)线路来控制MOSFET或双极开关，以在CURRENT_CONTROL信号114上生成几个离散的电压电平。
[0029] 控制步进电机的驱动电流非常有用，其有若干原因。例如，如果所需的转矩值随温度等环境因素变化，则可通过控制驱动电流以补偿这些环境因素的方式，对转矩按需要进行调节。在运动间隔中动态改变驱动电流可以有若干优势。当最初从完全静止状态开始加速时，需要的转矩最大，因此，在起动时将电流调节为较高值然后随着电机的转动而将电流调低的动态调节方式可以对速度曲线进行更为细微的调节，这使电机既能快速运动，快速到达停止位置，又能实现最大程度的节能。
[0030] 何时发出步进脉冲(不管是为了使驱动电机到达一个新位置，还是使电机停机，或是抵消振铃效应)可通过多种方式决定。例如，在一些实施例中，只需通过此前的测量和计算来知晓电机及其装置的特性(例如系统的惯性、系统的响应性等)，就可以基于对预期发生的情况的计算而得出步进脉冲的时序。特别是，其中可能没有能够指示电机转子的准确位置或转速的直接反馈。只要步进电机没有因为产生的转矩小于运动至下一个所请求步的所需转矩而“打滑”，微控制器就应知晓步进电机的位置。这需要有一个已知的“原”位。此位置可由光断路器、霍尔效应传感器或其他方法加以指示。一旦电机到达“原”位，微控制器仅需对从到达“原”位起出现的步进脉冲的数量和方向进行计数，即可计算当前位置。例如，如果一台400步的步进电机在到达“原”位后以顺时针方向生成了37个步，则电机的转子将为从“原”位起顺时针转动了33.3度。
[0032] 图2示出了一个步进电机100，其带有一个被耦合到该步进电机100的转子204的相机202。步进电机100的转动可由步进电机驱动器IC 104控制，后者被连接至微控制器106，微控制器106可按上文所述特定时序发送步进脉冲。具体在本例中，相机可以是热成像相机。可能需要将相机移动到各个角度，以便在每一位置处拍摄热像。为了拍摄热像，相机需要在希望拍摄图像的角度处停止并保持静止。由此，随着相机被移动就位，将需要将相机停住并保持一段足够的时间，以拍摄热像，并向相机发送一个触发脉冲。为增加在给定时间内可拍摄的图像的数量，相机的快速起动和停止(包括在时间和/或幅度上对振铃效应进行缩减)将是有利的。
[0033] 在所示示例中，诸如陀螺仪或编码器等传感器208可以被耦合至电机100的转子204。在本例中，这通过将传感器208安装到与转子204耦合的相机202的方式来实现。来自传感器的信息可用于确定转子204的转速。此信息可用于确定转子、相机以及其他任何与转子耦合的设备的角速度，以使步进脉冲(使相机移动和停止)和相机触发器脉冲的时序可以被优化。可通过使用查询表或其他数据结构的方式来处理来自传感器208的信息。例如，可以对历史数据进行保存，该历史数据指示了系统在运行于特定转速时如何对脉冲进行操作和反应。通过获知传感器208所测量的转速，系统可以发出合适的脉冲，以实现所需的效果(例如以最小的振铃效应使相机停住)。
[0034] 作为替代方式，可以使用公式来实时计算步进脉冲和相机触发器的脉冲时序。该公式可以计入诸如电机特性、相机重量、温度、角速度等因素。
[0035] 作为对如上所述采用陀螺仪的方法的替代方法，可以采用一个轴编码器来提供传感器功能。在此情况下，传感器会指示转动位置而非转速。
[0036] 本方法还可以包括发出被仔细确定时序的一个或多个步进脉冲，以抵消由此前电机和机械系统的运动所产生的机械振铃。此技术可用于例如使系统尽快停住，以实现更快的运行和更多的节能。
[0037] 在一些实施例中，索引可能包括对相机位置进行索引。在一些此类实施例中，相机可能是热成像相机。作为可替代方式，在实施例中可以对其他传感器或其他设备的位置进行索引。
[0038] 如上文所述，本方法的实施例可以包括在最后一个步进脉冲之后削减对绕组102A和102B供电，以节约用电。在这些情况下，在实施例中可以依靠钳制转矩来使转子保持就位。然而，在其他实施例中，可以对绕组施加保持电流，以保持转子就位。
[0039] 如上文所述，确定步进脉冲(以及可能确定瞬时电机驱动电流)的最佳时序以抵消振铃效应的步骤可能包括基于传感器数据进行实时计算。此类实时计算可能计入各种因素，例如所请求的步数、温度、瞬时转动位置或速度及可能的其他因素。具体而言，可能采用涉及这些因素的一个方程或一组方程来控制步进脉冲的时序、方向、电流等。
[0040] 作为可替代方式或附加方式，确定步进脉冲(以及可能确定瞬时电机驱动电流)的最佳时序以抵消振铃效应的步骤可能包括参考此前所生成的经验数据。例如，基于可用于确定最佳步进脉冲时序及可能确定电机驱动电流的变化的历史信息，可以进行表查询操作或其他操作。
[0041] 如上文所述及图2所示，确定步进脉冲(以及可能确定瞬时电机驱动电流)的最佳时序以抵消振铃效应的步骤可能包括观察耦合到步进电机的陀螺仪，以确定振铃特性。
[0042] 如上文所述及图2所示，确定步进脉冲(以及可能确定瞬时电机驱动电流)的最佳时序以抵消振铃效应的步骤可能包括观察耦合到步进电机的轴编码器，以确定振铃特性。
[0043] 现在就本发明的一些实施例对另外的具体细节进行说明。
[0044] 现在参见图3，位于单元顶部的红外相机202以递增方式连续转动。使用一个步进电机100将相机以高水平的细微度(或缓慢地)在固定的停止位置之间移动。停止位置沿相机移动的圆周被等间距布置。停止位置数可以是任何数量，但在一种特定系统实施例中所针对的是6个到16个停止位置。当暂时停住时，相机202被一个同步脉冲触发，以拍摄一个图像，该图像被送至电脑板进行处理。由于相机202转动而单元的其他部分不转动，相机电源、控制和视频信号通过滑环320被馈送。
[0045] 对于本文所示的示例，采用位于美国俄勒冈州威尔逊维尔的FLIR System,Inc.公司的FLIR Tau 2 640和336相机。
[0046] 10rpm至60rpm的转速可以在一些实施例中实现。在一些实施例中，每一转的停止次数可被配置在6次到15次停止之间(一种特定系统已被按照最多16次停止而设计，因为16个位置可以由一个4位二进制代码指定)。以下表1示出了各种所请求的停止次数与转速的组合，以及所形成的使相机在每次停止时输出一个视频帧的帧率。有效的帧率以15倍因数从1.0fps到15fps之间变化。
[0047]
[0048] 表1–转速与停止次数的组合
[0049] 并非所有这些组合均可在不超出功率预算且图像中没有运动模糊现象的条件下实现。这是因为相机202需要在最小持续期间内保持近乎不动，以拍摄出清晰的图像，某些转速与停止次数的组合无法实现获得清晰图像所需的最短停止时间。
[0050] 相机要在足够长的时间保持停止，以避免产生模糊及避免从之前的画面产生伪像。具体而言，相机被移动就位。随后，在所示实施例中，其被保持接近不动，持续10ms的3倍，或总共为30ms。在30ms之后，用一个同步脉冲触发相机202，在触发之后，相机在数据读出期间又在额外持续33ms的期间内保持接近不动。这意味着最少需要总停止时间63ms以防止运动模糊。如果可以接受一定程度的图像劣化，停止时间可以缩短，以RPM为单位的平均转速可得以提升。
[0051] 图4所示的图示出了所选相机的性能如何影响以RPM为单位的最大可实现转速。应注意，图4示出了一个特定相机的性能，而不同的相机可能性能不同。横轴线是在每次停止期间内相机202保持接近不动的时间百分比。该百分比由机械传动系统决定。增加该百分比将使相机202被更快地加速和减速(以使其保持接近不动的时间更长)，这样会消耗更多的电力，并在相机202上生成更高的G力，可能导致损坏。纵轴线为同时仍遵守上文所述63ms采集时间要求的最大可实现转速RPM。可以预期，增加更多的停止次数将导致可实现速度减慢。在给定每转停止次数的条件下，转速可以增加，增加方式是减少运动中所花的时间，由此增加停止时间所占百分比，但如前所述，更快的加速和减速会耗费更多的电力，并可能损坏相机202。
[0052] 另一个因素是相机被触发的频度。如果在2Hz频率以下被触发，相机可能无法产生有效的数据，因此在具体所示实施例中其为频率下限。在本实施例中，上限为30Hz，因为读取一幅图像所需的时间为33ms。上文表1示出，对于每转6次停止、10RPM的速度而言，需要将帧率降至1.0fps。这将小于2Hz(2fps)。有些实施例可能以尽可能慢的方式触发相机，但(在本具体所示实施例中)帧率总是为2fps或更高(根据需要将转速提高至10RPM以上，以保持在2fps以上)。然而，在一些实施例中，以更高的频率触发相机，中间帧会被抛弃。
[0053] 有些实施例可能会采用这样一种方案，其中相机以较快频率(例如20Hz)被触发，但只有对应于不动时段(motionless interval)的帧会被输入，其余帧将被忽略或抛弃。
[0054] 图4的另一个暗示在于，为实现更高的平均转速，可使相机在各次停止之间以尽可能快的速度运动。
[0055] 整个相机电机控制器104的框图在图5中示出。
[0056] 如图3所示，低功耗微控制器106生成使相机202转动至下一个停止位置所需的脉冲数。当相机202处于停止状态时，微控制器106会产生一个适当定时的同步信号，以触发相机202。该微控制器向视频/通信处理器326产生一个4位代码，以告知其当前的停止位置。使用4条线最多可实现16个停止位置。由于有些实施例在低于15fps的任何帧率下均不触发相机202，低功耗微控制器106会在相机202仍在移动时生成额外的同步脉冲，然后它断开所形成的视频信号，因此它们不会被输入到视频处理器326(此选通在图3中作为外部数字开关328示出)。例如，在10RPM和9次停止的条件下，相机202能够以18fps的频率被触发，但每12帧图像中只有1帧被使用。这样所实现的有效视频帧率为1.5fps。
[0057] 可以使用光断路器330，以确定相机何时处于其“原”位。
[0058] 相比其他用以转动相机的机构而言，步进电机的实现方式有以下潜在的优势：
[0059] ·工作更安静
[0060] ·既可顺时针也可逆时针转动
[0061] ·有更多的控制，能够实现更精细的分辨率(微控制器可以直接生成步进脉冲)[0062] ·更容易与相机视频进行同步
[0063] ·停止次数可以由固件实时改变
[0064] ·相机可在需要的时间和地点很容易地停住
[0065] ·电机位置全程可知
[0066] ·机械零件的磨损更少(没有凸轮机构，但电机仍会磨损)
[0067] ·在有适当控制的条件下，耗电量可以低于凸轮系统
[0068] 理想情况下，停止次数应当能够均匀划分步进电机100所提供的步数，但如果不能，可以很容易地通过调整各次停止之间的步数来实现。例如，对于一个采用200步电机的12次停止系统，可通过16、17、17、16、17、17、16、17、17、16、17、17步的步进来实现完整的一转。这样总共为200步。奇数停止次数可通过调整每次停止中的步数来实现。例如，9次停止系统可以通过22、22、22、23、22、22、22、22、23步的步进来实现，总共为200步。在此情况下，相邻的停止之间的角距离可能为39.6°(22步)或41.1°(23步)，这将导致最窄的停止角与最宽的停止角之间只有很小的1.8°的角度差。使用400个位置的步进电机可实现更加平滑的加速和减速，所获得的最大角度误差被减小至仅有0.9°。
[0069] 有些实施例采用东方马达公司(Oriental Motors)的PK245M-01AA步进电机。这是一种400步电机，额定以0.85A电流(以双极串联布置驱动)提供380mNm的转矩。在双极串联连接中，每一绕组的电阻为6.6Ω，电感为15.6mH。该电机每侧(side)为42mm，总长度为47mm。规定环境温度范围为-10℃至+50℃。
[0070] 可以采用位于美国达拉斯的德州仪器公司提供的Texas Instruments DRV8811步进电机驱动评价板来作为驱动步进电机300的步进电机控制器104。该IC易于集成，并可被集成到主板电路中。该IC的框图如图5所示。至低功耗微控制器106的主要连接将是STEP 108、DIR 110(方向)和ENABLEn 112信号。该IC包括内部的MOSFET，用于驱动绕组102a和
102b，因此仅需要很少的外部部件。ENABLEn信号112可用于在系统静止时停止对电机100的供电，以实现最低的功耗。
102b，因此仅需要很少的外部部件。ENABLEn信号112可用于在系统静止时停止对电机100的供电，以实现最低的功耗。
[0071] 该步进电机控制器104采用高速PWM(脉冲宽度调制)来控制其在电机驱动器538a和538b内的内部MOSFET开关，使电机绕组电流不超过规定的“斩流”(chop current)。该特征用于有效地以恒定电流驱动电机绕组102a和102b，而没有在模拟调制方案中浪费电的缺点。该斩流由VREF引脚540上的电压来设置。
[0072] 在所示的设计中，示出了用以设置该引脚上的电压的3种示例方式。在一种实现方式中，那些实施例在电源与接地之间采用电阻分压器，以将电压(以及由此斩流)设置在一个预先确定的水平。在另一种方式中，可通过对印刷电路板(PCB)上的不同的部件加载的方式来实现，这一预置电压通过MOSFET开关和第三电阻的操作得以被改变，其改变方式使得微控制器可以通过切换GPIO线的方式在两个不同的斩流之间切换。在最为灵活的第三种实现方式中，来自微控制器的一个高频PWM(脉冲宽度调制)输出被施加到一个阻容滤波器上，以产生一个直流电压，该电压被馈送至VREF引脚540。这将使微控制器106具备在软件控制下增加或减少斩流的完全的灵活性。这样将能够例如通过在电机100正在移动的时段内动态改变斩流从而实现对加速/减速曲线的微调。
[0073] 在另一个示例中，软件系统可以对环境条件作出响应。例如，如果电机100与相机202之间的传动带在寒冷天气中变紧，所需的转矩增加，则该软件系统可以通过提高VREF引脚540上的电压来自动使转矩提高，由此提高斩流。
[0074] 任何步进电机在绕组被通电的情况下，仅保持在其当前位置(即不转动)时都会耗电。为减少用电，采用了这样一种方案：其中仅在电机100在各次停止之间进行步进时，才对电机绕组102a和102b进行通电。当电机/相机已停止时，通过由微控制器106驱动低电平有效的ENABLEn输入112为高电平，使绕组102a和102b断电。该方法假定当电机100和相机202已停住时，步进电机100的钳制转矩和机械系统中的摩擦力足以将系统保持为接近不动。
[0075] 钳制转矩(或断电转矩)通常远小于电机的保持转矩，其由电机100内的永磁铁产生。另一个重要的方面是，应没有可能导致相机202转动或移动的作用在其上的外力。实际情况确实如此：因为相机202处于一个保护外壳内，故没有气流，且滑环320不会自行产生任何转动力。实际上，滑环320的静摩擦力将有助于保持相机202的静止。一旦系统已停住，它就应保持不动，直至步进电机100被再次通电。
[0076] 步进电机100所形成的转矩值是驱动电流和速度的函数。该转矩随速度增加而下降。使用所选电机100，速度在0至650步/秒之间时，转矩为最高，但在2000步/秒时，下降至满转矩的38％。换言之，尝试采用更快的速度将需要功率更大的电机或者是采用更高的驱动电流(因为电机转矩正比于电流)。
[0077] 当开始对相机202加速时需要的转矩最大，因为电机100需要克服任何摩擦损耗以及所有转动部件的惯性。
[0078] 这些实施例在此使用的标准技术是，随着系统的加速，减小步进脉冲的间隔(在时间上)。这样就可形成一个加速曲线，其中速度沿斜坡增加到最大值。类似地，减小步进脉冲之间的间隔(在时间上)，以形成一个减速曲线，其中电机速度从最高速度起降低，最高速度出现在此间隔的中部。如果电机无法产生所需的转矩值，则它将“打滑”，这意味着它不能行进到下一步。电机打滑会破坏系统的位置准确性，应加以避免。
[0079] 为形成诸如此类的系统曲线，应先了解运行中的转速。系统基本上为二阶机械系统(摩擦和惯性)，其由步进电机100的离散运动予以驱动，其中，脉冲之间的间隔在从一个停止位置到下一个停止位置之间的整个移动间隔内进行变化。采用对瞬时转速的监测来优化系统的各种参数。采用诸如陀螺仪等传感器208对转速进行直接测量。在一些实施例中，可能采用一个ST LY330ALH，其为一种MEMS偏航率陀螺仪IC，可产生正比于相机202的瞬时转速的模拟电压。可以采用双面粘贴泡沫将用于此IC的评价板贴附到相机顶部。此IC可用作通用测量工具，用以改善相机驱动系统的设计和改善用以使相机202与其转动实现同步的方法。还可以使用此IC来识别相机202何时停止运动，尽管各种实施例实现此识别的方式只是通过测量以及然后将获得的等待时间纳入微控制器的软件之中。
[0080] 在图3所示的架构中，采用一个低功耗微控制器106来处理以下实时活动：
[0081] ·以15Hz至30Hz之间的频率触发相机(同步脉冲)
[0082] ·在每个停止位置处生成被定时的同步脉冲
[0083] ·生成在相机移动时断开不使用的视频帧的信号
[0084] ·控制电机，包括加速和减速
[0085] ·将相机位置发送至视频/通信处理器
[0086] ·管理整个系统的功率状态
[0087] ·控制对电机和视频/通信处理器的供电
[0088] ·监测电源
[0089] ·管理实时时钟(RTC)
[0090] 有些实施例采用位于美国达拉斯的德州仪器公司提供的Texas Instruments MSP430F5342，其有128KB的闪存，10KB的RAM，采用裸露焊盘的48针VFQFN封装。
[0091] 可以通过使用定制软件来控制各种信号，使得速度和功耗均可获得显著改善。例如，前三个脉冲的周期可能较长(约3ms)，以便于从0RPM开始加速，最后一个脉冲可在倒数第二个步进脉冲之后约5ms时被输出，以协助减速，而中间的脉冲可能以约2ms(500Hz)的周期进行输出，以实现最高的速度。最后，使能信号112在最后一个脉冲之后很短时间内可能被解除，以使电机平均功耗降至最低。图6示出了经改进的控制信号的时序。在601处示出的信道1为STEP信号108，在602处示出的信道2为低电平有效的ENABLEn信号112，在603处示出的信道3为模拟陀螺仪输出，而在604处示出的信道4则为步进电机电流波形。
[0092] 针对6、9、10、12、15和16次停止的系统构建了经过改进的步进电机驱动时序。从所得到的示波器屏幕截图获得的数据在图7所示的表700的上半部分702中给出。例如，对于一个10次停止系统，需要68.8ms来将相机202移动至下一位置，并等待其停止振动，而电机绕组102a和102b仅以128.1mA的平均电流被通电48.4ms。假设在每个停止位置，从相机202获取和输出一个图像需要63ms的额外等待时间，则10次停止系统转动一周的最短时间将为1.318s，其对应的最高速度为45.5RPM。图7所示的表700的下半部分704对表的上半部分的数据进行推算，以估算出对于速度与停止次数的各种组合的平均功率。平均功率的范围为从6次停止系统的在10RPM下的0.197W到6次停止系统的在60RPM下的0.692W。对于不能为相机202提供获取图像所需的足够时间的组合，在图中未示出，例如15次停止和60RPM的组合。
[0093] 可以将软件进行进一步配置以便为10次停止系统在30RPM、45RPM和60RPM下提供连续转动(对于所示实施例，60RPM对10次停止系统的相机来说还是过快)。在一种实现方式中，测量平均电流的方式为，在电压平均模式下使用DVM(数字电压表)，以记录横跨一个1Ω电流传感电阻的平均电压。所得到的电流为：
[0094] ·30RPM--32.8mA(0.394W)
[0095] ·45RPM--45.8mA(0.550W)
[0096] ·60RPM--58.4mA(0.701W)
[0097] 这些电流稍低于图7所示的表中所报告的值，信号连接方式与图6中的相同。
[0098] 针对一个以45RPM转动的10次停止系统进行了测试。在从运动停止到下一序列的步进脉冲的开始之间的时间测量值大约是60ms。这一点与图7表中的一致，对于采用此电机与驱动器方案的10次停止系统，该表中将45RPM列为最大可实现的速度(得到用于相机图像获取的停止时间为63ms)。
[0099] 图8所示的信号来自于这样的系统，其中步进电机100以30RPM运行、每转有16次停止，且将相机帧与运动进行同步。Camera Enable(相机使能)信号上的数量是基于实时微控制器106的停止位设置的相机202的当前系统停止数量。
[0100] 图9所示为步进电机步进脉冲的新时序，旨在从步进电机100和相机202的机械系统获得受控加速和减速。当前时序基于一个指数式加速和减速曲线，其中加速/减速脉冲是恒定速度脉冲的整数倍。
[0101] 指数式加速/减速在采用传动带和滑环的机械驱动系统上可获得最佳的性能(相比于线性加速/减速)。线性加速/减速曲线采用脉冲间隔(在时间上)的恒定增加或减少，以达到恒定的步进速度。线性加速/减速在此系统中未达到同样好的性能，尽管它达到恒定速度的时间要快于指数式时序。指数式时序效果最好，因为传动带中的“松弛”需要花费一段不可忽略的时间来均衡，之后相机方可平稳地运动。
[0102] 以下讨论现在涉及可执行的一些方法和方法行动。尽管可能采用某种顺序对方法行动进行讨论，或者在以一特定顺序发生的流程图中将其示出，但一般并不要求其采用特定的顺序，除非因一个行动需要在另一行动完成之后方可进行而给出明确声明或要求。
[0103] 现在参见图10，其中示出了方法1000。该方法包括用于控制步进电机的行动。方法100包括将步进电机向索引位置驱动(行动1002)。例如，步进电机100可能被驱动到一个可采用热成像相机202拍摄图片的位置。
[0104] 方法1000还包括尝试将步进电机停于该索引位置(行动1004)。这可能采用一种可能自然导致步进电机在索引位置处发生振铃效应的方式来进行。上文说明了如何使电机100停止的示例。这可能包括，例如，降低步进电机的速度，到达一个停止位置，以防止步进电机100打滑。
[0105] 方法1000还包括确定用以抵消振铃效应的一个或多个后续脉冲的特性(行动1006)。例如，有些实施例可能在合适的时间发出用以抑制振铃效应的一个或多个步进脉冲。
[0106] 方法1000还包括发出已确定的一个或多个用以抵消振铃效应的后续脉冲(行动1008)。可执行此行动以使转子(及附着于其上的物件，例如相机)达到充分静止的状态。
[0107] 方法1000可能还包括在一个或多个后续脉冲之后中断对步进电机的供电。例如，如上文所述，使能信号112可能被驱动为高电平，其中断对步进电机100的供电。作为可替代方式，在有些实施例中，一旦电机转子达到一个所需点，就可能不再发出任何步进脉冲。由此，电机可由其钳制转矩保持就位。
[0108] 在方法1000的实际使用中，确定用以抵消振铃效应的一个或多个后续脉冲的特性的步骤可能包括进行实时计算。例如，一个方程或一组方程可能计入各种因素，例如温度、电机特性、电机惯性、角速度等。可在电机使用过程中对该方程或该组方程进行实时求解，以计算合适的停止脉冲或进行其他行动。
[0109] 在方法500的实际使用中，确定用以抵消振铃效应的一个或多个后续脉冲的特性的步骤可能包括参考此前所生成的经验数据。例如，有些实施例可能已保存了包含温度信息、角速度等的表。这些表可能识别出该特定系统或类似系统以往进行了怎样的操作。这些表还可能包括涉及停止脉冲或其他行动的相关信息。由此，有些实施例并不进行实时计算，而是可以查询所需的信息，以确定停止脉冲或其他行动的性质和特性，从而抑制任何振铃效应。
[0110] 在方法500的实际使用中，确定用以抵消振铃效应的一个或多个后续脉冲的特性的步骤可能包括观察耦合至步进电机的传感器，以确定振铃的特性。例如，如上文所述，可将陀螺仪直接或间接安装到电机转子。陀螺仪可以检测振铃特性，这可被系统应用，用于发出合适的抵消脉冲或进行其他行动，以快速抑制振铃效应。
[0111] 在方法500的实际使用中，相比于一个或多个停止脉冲，后续脉冲在时间上可能有偏移。由此，例如，后续脉冲可在停止脉冲之后的某个时间被发出，以抑制振铃效应。
[0112] 在方法500的实际使用中，步进电机可能包括用于索引位置的一对绕组，且其中脉冲被发送至这一对绕组中的每个绕组，且后续脉冲将被发送至这一对绕组中的一个绕组或两个绕组。
[0113] 此外，有些方法可由计算机系统实现，该计算机系统包括一个或多个处理器和诸如计算机内存等的计算机可读取介质。具体而言，计算机存储器可存储计算机可执行的指令，这些指令在被一个或多个处理器执行时，会导致多种功能被执行，例如在那些实施例中所述的行动。
[0114] 尽管这些方法行动可能采用某种顺序进行讨论，或者在以特定顺序发生的流程图中将其示出，但一般并不要求其采用特定的顺序，除非因一个行动需要在另一行动完成之后方可进行而给出明确声明或要求。
[0115] 各种具体实现方式的细节在本文所述附录A中给出。
[0116] 本发明的实施例可能包含或采用包括计算机硬件的专用或通用型计算机，如下文详述。属于本发明的范围的实施例还包括用于承载或存储计算机可执行指令和/或数据结构的物理及其他计算机可读取介质。这些计算机可读取介质可以是可由通用或专用计算机系统访问的任何可用介质。存储计算机可执行指令的计算机可读取介质为物理存储介质。承载计算机可执行指令的计算机可读取介质为传输介质。由此，通过举例的方式，而非限制的方式，本发明的实施例可以包括至少两种明显不同种类的计算机可读取介质：物理计算机可读取存储介质和传输计算机可读取介质。
[0117] 物理计算机可读取存储介质包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其他光盘存储器(例如CD、DVD等)、磁盘存储器或其他磁性存储设备，或可用于存储以计算机可执行指令或数据结构形式存在的所需程序代码件、并可由通用或专用计算机访问的任何其他介质。
[0118] “网络”被定义为可实现在计算机系统和/或模块和/或其他电子设备之间进行电子数据传输的一个或多个数据链路。当信息通过网络或其他通信连接(硬连线、无线或硬连线与无线方式的组合)被传送或提供给计算机时，计算机会将此连接恰当地视为一个传输介质。传输介质可包括能用于承载以计算机可执行指令或数据结构的形式存在的所需程序代码件、并可由通用或专用计算机访问的网络和/或数据链路。上述的组合也被包括在计算机可读取介质的范围内。
[0119] 此外，在连接到各种计算机系统部件时，采用计算机可执行指令或数据结构形式的程序代码件可以从传输计算机可读取介质被自动传送至物理计算机可读取存储介质(反之亦然)。例如，通过网络或数据链路接收的计算机可执行指令或数据结构可以被缓存在网络接口模块(例如，“NIC”)内的RAM中，随后被最终传输至计算机系统RAM和/或计算机系统处的不太易失的计算机可读取物理存储介质。由此，物理计算机可读取存储介质可以被包括在也(甚至是主要)采用传输介质的计算机系统部件内。
[0120] 计算机可执行指令包括，例如，导致通用计算机、专用计算机或专用处理设备执行一项或一组特定功能的指令和数据。计算机可执行指令可能是，例如，诸如汇编语言或甚至源代码等的二进制数、中间格式指令。尽管采用特定于结构特征和/或方法行动的语言对所述保护主题进行说明，但应该理解的是，在所附权利要求中所限定的保护主题并不必须被限制于上文所述的特征或行动。而是所述特征和形动仅作为实现权利要求的示例形式被加以披露。
[0121] 本领域技术人员应理解，本发明可在网络计算环境中实现，网络计算环境中可能有许多类型的计算机系统配置，包括，个人计算机、台式计算机、笔记本计算机、消息处理器、手持式设备、多处理器系统、可编程消费电子设备或基于微处理器、网络PC、小型计算机、大型计算机、移动电话、PDA(掌上电脑)、寻呼机、路由器、交换机及其他类似设备。本发明还可在分布式系统环境中实现，其中通过网络链接(通过硬连线数据链路、无线数据链路或通过硬连线与无线数据链路的组合)的本地计算机系统和远程计算机系统两者均执行任务。在一个分布式系统环境中，程序模块可能既位于本地存储设备也位于远程存储设备中。
[0122] 作为可替代或补充方式，本文所述的功能至少可以部分由一个或多个硬件逻辑部件实现。作为示例，而非限制，可使用的硬件逻辑部件的示例类型包括现场可编程门阵列(FPGA)、程序专用集成电路(ASIC)、程序专用标准产品(ASSP)、片上系统(SOC)、复杂可编程逻辑设备(CPLD)等。
[0123] 本发明可采用不背离其精神或特征的其他特定形式加以实现。所述实施例在各方面均应被视为仅作示例而并无限制性。因此，本发明的范围由所附权利要求给出，而非由前述说明给出。在与权利要求等价的意义和范围内的所有变更均应被涵盖在其范围内。
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