电动变焦镜头的控制

1. 简介

• 电动变焦镜头的驱动控制器：
  • AN41908A (Panansonic，参考代码)
  • MS41xx (其MS41908M与AN41908A完全兼容)
• VD_FZ：Focus zoom sync. signal input (调焦变焦同步信号输入, 马达控制开始信号)
• VD_IS: Iris video sync. signal input (光圈控制图像同步信号输入, 光圈控制开始信号)
• PLS1: Pulse 1 output (脉冲1 输出)
• PLS2: Pulse 2 output (脉冲2 输出)
• INTCTxx[15:0]:设置每一步的时间（相应的，即转动速度）
• PSUMxx[7:0]：每个VD_FZ 时段内转动总步数
• 1-2相是半步：每个正弦周期分成8步
• 2-2相是整步：整步步数是半步的一半， 即每个正弦周期分成4步
• 无论2-2相，还是1-2相，PSUMxx的值 每8对应电机的一个整步， 比如 PSUM=16 走完后就刚好是电机的2个整步角

1.1 VD_FZ

1.1.1 VD_FZ的功能

• VD_FZ 是 MS419XX 芯片的马达驱动控制部分的开始控制信号（一般上升沿触发表示开始，使用普通 IO 控制即可），当 VD_FZ 上升沿到来时，芯片会根据寄存器的配置来驱动电机走相应的步数。
• 要将写入马达驱动控制部分的寄存器的值生效，都要用 VD_FZ 信号来触发。这个信号关系到与设置的电机转动时间匹配问题，所以要保证信号的稳定、准确。
• VD_FZ信号的周期不能比设置电机转动时间短，否则会出现电机没转完设置走的步数就重新开始走下一个 VD_FZ 触发的设置走的步数了，电机没走的步数就被取消了，这样就“丢步”了；
• VD_FZ 信号的周期也不要比电机转动时间长太多，间隔太长会影响转速较高的情况下的转动效果，会有较明显的停顿感，电机转动的相电流波形也会比较差。建议 VD_FZ 信号周期时间比设置的电机转动时间长 10 到 20us，这样在高速下也会有好的转动效果。

1.1.2 VD_FZ的频率 (50Hz/60Hz与视频帧同步)

• 如果 MS41 系列是用来驱动镜头做对焦建议 VD_FZ 信号和视频帧频同步， 如果不同步可能在一帧视频中间位置电机在两个 VD 间停止时间比较长时可能会引起视频卡顿现象。
• VD 周期最小是多少？ 由于每次 VD 后都要延时 DT1+DT2 的时间， DT1+DT2 在27MHz 时钟下设置成 1 的最小延时都是 303.4uS DT1+DT2=303.4+303.4=606.8us , 如果时钟频率低此延时还会更大，理论上 VD 间隔 607us 就可以正常工作，但实际测试对加减速要求比较高的一般设置 2-5ms 已经足够，一般情况下10-20ms 加减速都可以，具体情况要根据系统负载等参数计算。

1.2 控制电机的速度

• 通过 INTCTxx[15:0] 寄存器设置每 STEP 走动的时间来控制电机的速度。

1.3 64 细分 128 细分 256 细分的区别

• 一个正弦波分成 64 步走和分成 256 步走效果是有差异的，分成 256 步走更加精准和平稳。

1.3 MS41xx的输入频率（OSCIN）

• MS41xx 系列输入的频率范围 15MHz-30MHz 都可以，输入不同的时钟时计算好内部寄存
  器值是同样的效果。 频率不能太高不建议超过 30MHZ，也不能太低建议不要低于 15MHZ，
  时钟来源可以是有源晶振，可以是主芯片的时钟输出，只要保证 50%的占空比时钟频率在
  这范围都可以正常工作。

1.4 SPI的通信速度

• MS41 系列的 SPI 通信速度是 1MHz-5MHz，按照 2MHz 的通信速度计算操作一个寄存器大
  概需要 12uS 的时间。不建议低于 1MHz，理论上也可以工作，但更新数据速度较慢。

2. MS41928M

2.1 关键寄存器

• $\alpha$电机寄存器：22H~25H
• $\beta$电机寄存器：27H~2AH

2.1.1 微型步进输出PWM的频率（分频）

• PWMMODE=0与PWMMODE=1的输出值一样
• OSCIN：系统时钟
• PWM频率的计算公式：
  $$f_{PWM}=\frac{f_{OSCIN}}{V_{PWMMODE}\ast 2^3\ast V_{PWMRES}}$$
• 当$f_{OSCIN}$=27MHz时，输出的PWM的频率如下表（其单位为kHz）：
  

2.1.2 起始点等待时间

• DT1[7:0]设置数据写入系统的延时时间（起始点等待时间）
• 电机可以精确地在起始点等待时间从“1”到“0”翻转后被激活。启示点等待时间从视频同步信号（VD_FZ）的上升沿开始计算。
• 下表基于$f_{OSCIN}$=27Mhz

DT1[7:0]	起始点等待时间
0	禁止
1	303.4us
255	77.4ms
n	nx8192/27MHz

2.1.3 起始点激励等待时间

• DT2A[7:0]和DT2B[7:0]设置α电机和β电机开始转动前的等待延迟时间。
• 电机在起始点激励等待时间从“1”到“0”翻转后开始转动。等待延迟时间从视频同步信号（VD_FZ）的上升沿开始计算。
• 下表基于$f_{OSCIN}$=27Mhz

DT2A[7:0] / DT2B[7:0]	起始点激励等待时间
0	禁止
1	303.4us
255	77.4ms
n	nx8192/27MHz

• 等待时间与VD_FZ的关系
  • 1 个VD 的时间间隔内的电机的转动次数设置PSUMAB[7:0]步进电机步进数。
  • 每次VD 脉冲输入时，电机转动所设置的次数。因此，设置次数为“0”是可以停止电机的转动。
  • 当设置的转动次数总额超过了1 个VD 脉冲的时间，超出部分会被取消。
    

2.1.3 相位矫正

• α电机和β电机电流的相位差分别由PHMODAB[5:0]和PHMODCD[5:0]设置。默认为90°设置1 个
  单位为0.7°同时数据可以取正反偏差
  
• 步进电机线圈之间的相位差一般为90°。但是，因为电机的不同,或者工艺偏差，相位差也会偏
  移出90°。因此，即使驱动波形电流的相位差90°,但是电机本身不是相差90°,也会产生转矩纹波,噪声还是存在的。
• 这个设置主要是减少由于电机变化时产生的转矩纹波。

2.1.4 设置驱动能力（最大占空比、峰值脉冲宽度、电流大小）

• PPWA[7:0]到PPWD[7:0]设置PWM 波的最大占空比，决定了驱动器A 到D 输出电流峰值的位置。
• 最大占空比(MDC：MaxDutyCycle)由下式进行计算：
  $$MD{C}_x=PP{W}_x/(V_{PWMMODE}\ast 8)$$
• $x\in A,B,C,D$
• 当$PP{W}_x$ = 时，驱动电流为0，即电机静止
• 当$MD{C}_x$超过100%时，正弦波峰值点会被削去
• 举例：
  • 当PWMMODE = 10，PPWx = 96
  • $MD{C}_x$= 96/（10 × 8）= 120%
  • 目标电流的波形如下显示
    

2.1.5 电机转动方向

• 方向定义：
  

2.1.6 电机刹车状态

• 刹车状态下H 桥上臂桥两个PMOS 管全部打开。刹车模式在正常操作不能被使用，在紧急关断时
  才能使用。推荐在反常的状态下使用。
  

2.1.7 电机Enable/Disable

• ENDISAB 和ENDISCD 分别设置α电机和β电机的输出控制。
• 当ENDISxx = 0 时输出高阻态。然而，内部的激励位置计数器在ENDISxx = 0 仍然保持计数。
• 因此，当在正常状态下想要停止电机，设置PSUMxx[7:0] = 0，而不是设置ENDISxx = 0.
  

2.1.8 电机正弦波分频数

• MICROAB 和MICROCD 分别设置α电机和β电机的正弦波分频数。
  
• 64 分频的波形如下图所示（下图中的Stap No.应为Step No.）：
  

2.1.9 电机运动总步数

• PSUMAB[7:0]和PSUMCD[7:0]分别设置α电机和β电机的总步数 (是细分的步数)
• 只要PWM 波最大占空比设置不为“0”，当PSUMxx[7:0]=0 时，电机都可以保持在释放时状态。
• 如果要停止电机转动,设置PSUMXX[7:0]=0.
  
• 物理意义：当PSUMAB[7:0]=8 被设定，在64 细分模式下运行16 步，即16/64=1/4 个正弦波周期。同理，在128 与256 细分模式下，同样是1/4 个正弦波周期。

2.1.10 一步的时长

• INTCTAB[15:0]和INTCTCD[15:0]分别设置α电机和β电机的一个步进的周期。
• 通过 INTCTxx[15:0] 寄存器设置每 STEP 走动的时间来控制电机的速度
• 当INTCTAB[15:0]=0,只要pwm 最大占空比不为0，电机就保持在释放时状态。
• 下图中的总步数应该为：每一步所需时间
  

3. 计算马达驱动参数

• 系统初始化完成之后，主要控制以下3个寄存器：
  • CCWCWxx：控制旋转方向（0：正，1：反）
  • PSUMxx[7:0]：控制运动步数
  • INTCTxx[15:0]：控制每步运动时间（即控制速度）

3.1 计算PWM频率

• OSCIN：系统时钟
• PWM频率的计算公式：
  $$f_{PWM}=\frac{f_{OSCIN}}{V_{PWMMODE}\ast 2^3\ast 2^{V_{PWMRES}}}$$
• PWM 频率建议 50-200KHz ,如果频率低于 50KHz 容易进入音频范围人耳可能听到噪音。

3.2 计算运动步数和运动速度

• 相关公式：
  

3.2.1 前提设定

• PPS：Pulse Per Second，即每秒的脉冲数
• 200PPS 是只每秒发送 200 个驱动脉冲。800PPS 是每秒发送 800 个驱动脉冲
• 1-2相位：半步驱动
  • 励磁方式是A->AB->B->BC->C->CD->D->DA->A->AB如此循环
  • MS41xx芯片把这8步当成一个正弦波周期也就是 1Hz
  • 所以800PPS/8=100Hz 也就是 100 个正弦波
• 环境设置为：
  • $f_{OSCIN}$ = 27MHz
  • $f_{VD\_FZ}$ = 60Hz
• VD_FZ = 60Hz = (1/60)*1000 = 16.6667ms
• 计算INTCTxx[15:0]

3.2.2 计算转动次数和转动速度

• 第一步：计算电机一步时间（INTCTxx[15:0]）
  • $f_{spin}$：转动频率
    $$INTCTxx[15:0]\times 768=f_{OSCIN}/f_{spin}$$
• 第二步：计算转动次数（PSUMxx[7:0]）
  • 由INCTxx[15:0]计算PSUMxx[7:0]，不能单单看PSUMxx[7:0]的值。
  • 下面的等式成立时，持续转动时间和VD 时间相同，电机才可实现均匀转动
    $$INTCTxx[15:0]\times PSUMxx[7:0]\times 24=f_{OSCIN}/f_{VD\_FZ}$$
  • 若等式左边比右侧小，转动时间比VD 时段小会引起不连续的转动
  • 若等式左边比右侧大，超过VD 时段的转动会被取消
• 第三步：PSUMxx[7:0]设置完成后，由上式重新计算INTCTxx[15:0]

3.2.3 实例 （ 计算PSUMxx[7:0]和INTCTxx[15:0]）

• 计算PSUMxx[7:0]和INTCTxx[15:0]使电机在800pps（1-2 相位）转动100Hz
  • 计算INTCTxx[15:0]
    $$\begin{gathered} INTCTxx[15:0]=f_{OSCIN}/(f_{spin}\ast 768) \\ =27MHz/(100Hz\ast 768)=352 \end{gathered}$$
  • 计算PSUMxx[7:0]
    $$\begin{gathered} PSUMxx[7:0]=f_{OSCIN}/(f_{VD\_FZ}\ast 24\ast INTCTxx[15:0]) \\ =27MHz/(60Hz\ast 24\ast 352)=53 \end{gathered}$$
  • 重新计算INTCTxx[15:0]
    $$\begin{gathered} INTCTxx[15:0]=f_{OSCIN}/(f_{VD\_FZ}\ast PSUMxx[7:0]\ast 24) \\ =27MHz/(60Hz\ast 53\ast 24)=353.77=353 \end{gathered}$$

3.2.4 细分总步数及每一步所需时间

• INTCTxx[15:0]=353：则每一步的时间为：

  • 64细分：12*353/27MHz = 156.8888us
  • 128细分：6*353/27MHz = 78.4444us
  • 256细分：3*353/27MHz = 39.2222us

• PSUMxx[7:0]=53：则总步数为:

  • 64细分：实际运动了 (53*2)=106步， 总共运动时间为：106*156.8888=16.630ms
  • 128细分：实际运动了 (53*4)=212步，总共运动时间为：212*78.4444=16.630ms
  • 256细分：实际运动了 (53*8)=424步，总共运动时间为：424*39.2222=16.630ms

• 虽然在不同细分模式下运动的步数不同，但他们运行的距离是相同的，电机转动的角度相同，且运动时间也相同。

• INTCTxx[15:0] PSUMxx[7:0] 两个参数最后计算出来的时间一定要小于VD_FZ间隔时间，否则最后一步还没有运动完又开始新的一步导致丢步。