如何利用高能效監控攝像頭 PTZ IC 進行設計以打造更安全的環境
視頻監控的使用持續增長，部分原因是各種“智慧城市”創新計劃引領的人工智能 (AI) 發展，這些計劃包含對公共街道、小巷和集會場所進行智能、自動化監控。在辦公室、零售店、住宅大堂、超市、博物館、建筑工地、工業環境和倉庫等封閉區域，視頻監控的安保應用也越來越多。這種廣泛的使用，加上 AI 分析的要求，意味著設計人員在爭相提高系統效率和性能的同時還要降低成本。
本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/202303/444377.htm視頻監控的使用持續增長，部分原因是各種“智慧城市”創新計劃引領的人工智能 (AI) 發展，這些計劃包含對公共街道、小巷和集會場所進行智能、自動化監控。在辦公室、零售店、住宅大堂、超市、博物館、建筑工地、工業環境和倉庫等封閉區域，視頻監控的安保應用也越來越多。這種廣泛的使用，加上 AI 分析的要求，意味著設計人員在爭相提高系統效率和性能的同時還要降低成本。
借助緊湊型、低功耗、靈敏、高分辨率的成像 IC，結合智能、精密的運動控制系統，可大部分實現這些改善目標。利用這種方法的要素，設計人員可以實現高能效遠程視頻監控，這樣一來，因圖像模糊或事件發生在攝像頭視線范圍外而需要人員親臨現場檢查區域或場所的情況就越來越少。
然而，與任何不斷增長的應用領域一樣，仍有各種技術挑戰亟待克服，而通過直接使用高能效電子子系統進行攝像頭的平移、傾斜和變焦 (PTZ)，可以解決其中許多挑戰。
本文探討了 PTZ 在監控中的作用，并討論了用于控制 PTZ 功能的高能效、精密、低功耗電機和運動控制電子裝置如何成為實施視頻監控系統的關鍵。隨后介紹并探討了 TRINAMIC Motion Control GmbH（現為 Analog Devices, Inc. 旗下公司）的運動控制 IC 相關應用，同時還會介紹評估板。
通過 PTZ 運動控制加強有效監控
無論用于安防設施還是過程監控，現代視頻監控系統都不再僅僅是一個在固定方位指向目標區域的攝像頭。相反，AI 能夠減少誤報并確保資源的最佳部署，從而更高效地利用所捕獲的影像，而電動 PTZ 的使用允許攝像頭左右掃描（平移）和上下移動（傾斜），從而重新定義監視區域（圖 1）。AI 和 PTZ 都有助于實現更高效和普遍“更環?！钡谋O控方式。對于 PTZ，根據系統設計，運動可以由攝像頭組件自主引導，由安全系統遠程控制，甚至可以遠程手動操作。
圖 1：具有左右平移、上下傾斜和伸縮變焦 (PTZ) 功能的監控攝像頭比固定原位的靜態攝像頭更具靈活性。（圖片來源：Aximmetry Technologies Ltd.）
這種通過平移和傾斜來移動攝像頭的做法克服了使用廣角鏡頭和寬視場 (FOV) 的權衡困境（即，可以捕獲更大的區域，但以犧牲場景細節和引入曲率畸變為代價）。PTZ 功能還有助于節省安防系統成本，因為一個攝像頭就可以完成許多靜態攝像頭的工作。
攝像頭的運動可以通過不同的技術來引導。具有 PTZ 功能的監控攝像頭通常還支持多個預設位置，用戶可以指定需要監控的位置，以及從一個位置到另一個位置的預定順序和步進時間。這樣可以實現對寬廣區域的遠程監控，無需用戶輸入。
電子器件與 PTZ 電機的匹配
雖然運動控制是 PTZ 實施的核心，但高效 PTZ 系統的重要因素是通過卓越的電機控制實現平穩精確的追蹤。設計人員既可以考慮使用無刷直流電機，也可以考慮更具挑戰性但往往也更有利的步進電機，以實現高精度，并且可以利用 ADI 的 Trinamic 技術和 IC 實現必要的平穩性和準確性。
低功耗操作也很關鍵。許多配備了精密 PTZ 控制功能的監控攝像頭現在都是支持以太網供電 (PoE) 的設備。最新 PoE 標準 (IEEE 802.3bt-2018) 支持每個以太網電纜連接高達 100 W 的供電。
PTZ 系統的設計人員有三種電機類型可以選擇，而選擇的類型決定了要使用的控制 IC。選擇包括經典的有刷直流電機、無刷直流電機 (BLDC) 和步進電機（圖 2）。
圖 2：三種基本直流電機分別是經典有刷、無刷和步進電機。（圖片來源：Analog Devices）
每種電機配置在功能、性能和管理/控制需求方面各有優劣：
有刷直流電機是最早開發的直流電機，已經成功使用 100 多年。它設計簡單，但難以控制，最適合開放式的自由運行情況，而不適合精確定位或走走停停的操作。此外，有刷電機的電刷會受到磨損，存在可靠性問題，并且可能產生不可接受的電磁干擾 (EMI)。雖然這種電機在低成本的大眾市場應用（如玩具）中，甚至一些高端應用（如醫療輸液泵）中仍有使用，但對于 PTZ 設計來說，通常不是可行的選擇。
BLDC 電機（也稱為電子換向或 EC 電機）很適合于帶位置傳感器的閉環設計，這種設計也可用于速度控制（圖 3）。其速度快且使用壽命長，同時封裝高功率密度。
圖 3：BLDC 電機最常用于閉環配置中，以確保定位精度和高速度；安裝在軸上的位置傳感器向伺服控制器提供所需的反饋。（圖片來源：Analog Devices）
對 BLDC 電機的控制需要對電機定子線圈的上電電流進行精確定時。為了提高性能和精度，通常使用閉環反饋。為此，可以使用編碼器來感應轉子位置，同時感應線圈電流，以用于實施磁場定向控制 (FOC) 的設計（更多關于 FOC 的介紹見下文）。
Trinamic 的 TMC4671-LA 多相伺服控制器/電機驅動器是專門針對此任務設計的 IC，它為 BLDC 電機硬連接了一種嵌入式 FOC 算法（圖 4）。
圖 4：Trinamic 的 TMC4671-LA 伺服控制器/電機驅動器，專門針對 BLDC 電機設計，硬連接了嵌入式 FOC 算法。（圖片來源：Analog Devices）
該器件也可用于其他類型的電機，如永磁同步電機 (PMSM) 以及兩相步進電機、直流電機和音圈致動器。請注意，BLDC 電機與 PMSM 的區別是，前者是直流 (DC) 電機，而 PMSM 是交流 (AC) 電機。因此，BLDC 電機是一種電子換向的直流電機，沒有物理換向器組件；相反，PMSM 是一種交流同步電機，使用永磁體提供必要的磁場激勵。
TMC4671-LA 使用基本的 SPI 或 UART 接口與其微控制器進行通信。該器件在硬件方面實現了所有需要的控制功能和特性，同時還具有錯誤/故障狀況監測功能。其包含集成式模數轉換器 (ADC)、位置傳感器接口、位置插值器和其他必要的功能，使其成為適用于各種伺服應用的完整控制器。
為了應對 BLDC 電機控制的挑戰，這一功能性至關重要，因為這些算法非常復雜。幸運的是，復雜的細節完全由 IC 負責處理，所以這些細節不會對設計工程師或系統微控制器造成負擔（圖 5）。
圖 5：TMC4671-LA 包含并執行實現復雜、精密的 BLDC 控制功能所需的多個鏈接功能塊（如 FOC），從而使設計人員和主機處理器無需執行此任務。（圖片來源：Analog Devices）
其控制回路頻率為 100 kHz，比許多 BLDC 控制器的 20 kHz 頻率高 4 倍，因此可帶來關鍵優勢，包括更快的穩定時間、對扭矩控制命令更快的響應、更好的位置穩定性，以及更低的過電流狀況風險。這類風險可能損壞電機驅動器或電機。
步進電機是 BLDC 電機的替代方案。這種電機非常適合用于開環定位或速度操作，并可在低速和中等速度時提供高扭矩（圖 6）。一般來說，性能相當的步進電機比 BLDC 電機便宜，但步進電機存在必須解決的操作難題。
圖 6：與 BLDC 電機控制器相比，步進電機控制器從主機到電機驅動器和電機的路徑更為直接。（圖片來源：Analog Devices）
乍看之下，步進電機控制器的信號路徑流程似乎比 BLDC 電機控制器簡單一些。雖然在某些方面確實如此，但精密有效的步進電機控制器必須提供特定的功能來滿足該電機的需求。
TMC5130A 是一款具有串行通信接口的高性能控制器和驅動器 IC，專為兩相步進電機設計。此類 IC 旨在最大限度地減少或消除相關問題（圖 7）。
圖 7：TMC5130A 是一款高性能的控制器和驅動器 IC，配備串行通信接口，專為兩相步進電機設計。（圖片來源：Analog Devices）
該器件將用于自動目標定位的靈活斜坡發生器與高度先進的步進電機驅動器相結合。其還包含內部 MOSFET，可以直接提供高達 2 A 的線圈電流（峰值 2.5 A），并具有 256 微步/全步的分辨率。
但是，TMC5130A 超越了基本的步進電機驅動功能，因為它解決了設計人員在決定使用這種電機類型時所面臨的一些挑戰。兩個最明顯和最值得關注的問題是電機在步進時產生的噪音，以及電機運行的“平穩性”。雖然這些在工業應用等環境下可能不是問題，但在 PTZ 監控使用中可能會令人不安，甚至適得其反。
對于第一個挑戰，TMC5130A 實施了 StealthChop，這是一款專有的基于電壓的脈寬調制 (PWM) 斬波器，可根據占空比調制電流（圖 8）。該功能針對中低速進行了優化，可大幅減少噪音。
圖 8：TMC5130A 中的 StealthChop 技術根據占空比對電流驅動進行調制，大幅減少了步進電機的噪音。（圖片來源：Analog Devices）
對于第二個挑戰，TMC5130A 采用了 SpreadCycle，一種專有的電流斬波技術。這種逐周期電流型驅動斬波方案實現了驅動相位的慢衰減，從而減少了電能損耗和轉矩波動。該技術使用基于磁滯的電機電流與目標電流平均方式，產生正弦波的電機電流，即使在高速下也是如此（圖 9）。
圖 9：TMC5130A 中的 SpreadCycle 逐周期電流型 MOSFET 斬波方案減少了電能損耗和轉矩波動。（圖片來源：Analog Devices）
TMC5130A 的其他獨特功能包括其 StallGuard 電機失速檢測和 CoolStep 動態自適應電流驅動，其中后者利用了前者。
StallGuard 通過反電動勢 (EMF) 提供無傳感器的負載檢測，并能在一整步內停止電機，從而保護電機驅動器和電機。另一個好處是，它的靈敏度可以調整，以符合應用的要求。CoolStep 根據反電動勢 StallGuard 的讀數調整電機電流。在低負載情況下，可以將電機電流降低 75%，從而節省電能并減少發熱。
在驅動兩臺兩相步進電機而不是一臺時，TMC5072 提供了許多與 TMC5130A 所支持的相同功能（圖 10）。該器件可以驅動兩個獨立的線圈，每個線圈的電流高達 1.1 A（峰值 1.5 A）；兩個驅動器也可以并行工作，為單個線圈提供 2.2 A（峰值 3 A）電流。
圖 10：TMC5072 是 TMC5130A 的雙驅動版本；兩個獨立的輸出可以并行使用。（圖片來源：Analog Devices）
FOC 改變局面
還有一個問題是電機的位置反饋。步進電機不需要反饋，但會經常添加反饋以確保高精度控制，而 BLDC 設計需要反饋。反饋一般使用編碼器（通?；诨魻栃獋鞲衅骰蚬鈱W編碼器）來實現，但會受限于更新率和分辨率，以及給系統增加的處理負擔。
對于 BLDC 電機，還有另一種控制選項。磁場定向控制 (FOC)（也稱為矢量控制 (VC)），專為解決與反饋更新率和分辨率有關的問題，以及編碼器成本和安裝問題而設計。
簡而言之，FOC 是一種用于電機的電流調節方案，其利用磁場方向和電機轉子位置進行調節。FOC 基于“簡單”的觀察結果，即有兩個分力作用在電機的轉子上。一個分力，稱為直接分力或 ID，只是沿徑向拉動；而另一個分力，即正交分力或 IQ，是通過切向拉動來施加轉矩（圖 11）。
圖 11：FOC 靈感的原理是觀察到轉子受到兩個正交力的作用，一個是轉子軸上的徑向力，另一個是切向力。（圖片來源：Analog Devices）。
理想的 FOC 提供了電流的閉環控制，從而產生純轉矩生成的電流 (IQ)，而沒有直接電流 ID。然后，調整驅動電流的強度，使電機提供目標轉矩量。FOC 的眾多特性之一是，它能最大程度地提高有功功率且最大程度地降低空閑功率。
FOC 是一種高能效的電機控制方法。這種方法在高電機動態和高速度的條件下工作良好，并且因其閉環控制特性，增強了內在的安全功能。FOC 使用標準的電阻式電流感應來測量通過定子線圈的電流強度和相位，以及轉子的角度。然后，將測得的轉子角度調整到磁軸上。轉子的角度用霍爾傳感器或位置編碼器測量得出，所以可以知道轉子的磁場方向。
然而，從 FOC 得出觀察結果到形成完整的電機控制方案，還需要一個漫長而極其復雜的過程。FOC 需要了解一些靜態參數，包括電機磁極對的數量、每轉的編碼器脈沖數、編碼器相對于轉子磁軸的方向和編碼器的計數方向，以及一些動態參數，如相電流和轉子方向。
此外，用于相電流閉環控制的兩個 PI 控制器的比例和積分（P 和 I）參數的調整取決于電機的電氣參數。這些參數包括電阻、電感、電機的反電動勢常數（也是電機的轉矩常數）以及電源電壓。
設計人員在應用 FOC 時面臨的挑戰是所有參數的自由度都很高。雖然 FOC 的流程圖甚至源代碼很容易獲得，但實現 FOC 所需的實際“可交付”代碼復雜而精密。其中包括多種坐標變換，如克拉克變換、帕克變換、逆帕克變換和逆克拉克變換（歸結為一組矩陣乘法），還包括密集的重復計算和運算。網上有許多 FOC 的教程，從定性的無方程式/淺顯的教程到復雜的數學教程；TMC4671 的規格書介于中間，值得一看。
試圖通過固件來實現 FOC，需要大量的 CPU 計算能力和資源，因此對設計人員選擇處理器會有所限制。然而，借助 TMC4671，設計人員可以從更廣泛的微處理器甚至低端微控制器中進行選擇，同時還可以避免中斷處理和直接內存訪問等編碼問題。所需要的只是通過其 SPI（或 UART）通信端口與 TMC4671 連接，因為編程和軟件設計已簡化到只需初始化和設置目標參數。
不要忘記驅動器
雖然一些電機控制 IC（如用于步進電機的 TMC5130A 和 TMC5072）集成了驅動電流約為 2 A 的電機柵極驅動器功能，但其他 IC（如用于 BLDC 電機的 TMC4671-LA）沒有。對于這些情況，諸如 TMC6100-LA-T 半橋柵極驅動器 IC 等器件增加了這種所需的能力（圖 12）。這款三層半橋 MOSFET 柵極驅動器采用 7 × 7 mm 的 QFN 封裝，提供高達 1.5 A 的驅動電流，適合驅動處理高達 100 A 線圈電流的外部 MOSFET。
圖 12：TMC6100-LA-T 半橋柵極驅動器 IC 提供高達 1.5 A 的驅動電流，適合驅動處理高達 100 A 線圈電流的外部 MOSFET。（圖片來源：Analog Devices）。
TMC6100-LA-T 具有對驅動電流進行軟件控制的功能，可對其設置進行系統內優化。該器件還包括可編程的安全功能，如短路檢測和過熱閾值；搭配用于診斷的 SPI 接口，支持穩健可靠的設計。
為了進一步加速產品上市時間，方便優化參數和微調驅動器，Trinamic 提供了 TMC6100-EVAL 通用評估板（圖 13）。該評估板方便進行硬件處理，并且配有用戶友好的評估軟件工具。該系統由三部分組成：一塊底板，一塊帶有幾個測試點的連接器板 TMC6100-EVAL，外加一個 TMC4671-EVAL FOC 控制器。
圖 13：TMC6100-EVAL 通用評估板可簡化為匹配電機和負載情況而需要進行的驅動器參數優化和驅動器微調。（圖片來源：Analog Devices）
總結
用于監控和安防的視頻攝像頭是一種強大的工具，能夠減少親自出行需求和相關的能源使用。這類攝像頭通常采用 PoE 供電，并借助電機驅動的 PTZ 控制來增強功能，但這種控制功能非常復雜。如前所述，通過整合高效電機控制所需的各種功能，并根據需要使用柵極驅動器，Trinamic 的 IC 為用于 PTZ 的無刷和步進直流電機提供平穩精確的運動和定位。
Trinamic 為工程師提供了廣泛的解決方案，可加快高效、精密電機控制系統的實施，以滿足應用需求。這些產品解決了硬件方面的挑戰，從而最大程度地降低了整體設計及軟件的復雜性。
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