如何利用高能效監(jiān)控攝像頭 PTZ IC 進(jìn)行設(shè)計以打造更安全的環(huán)境

視頻監(jiān)控的使用持續(xù)增長，部分原因是各種“智慧城市”創(chuàng)新計劃引領(lǐng)的人工智能 (AI) 發(fā)展，這些計劃包含對公共街道、小巷和集會場所進(jìn)行智能、自動化監(jiān)控。在辦公室、零售店、住宅大堂、超市、博物館、建筑工地、工業(yè)環(huán)境和倉庫等封閉區(qū)域，視頻監(jiān)控的安保應(yīng)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(shè)計人員在爭相提高系統(tǒng)效率和性能的同時還要降低成本。

視頻監(jiān)控的使用持續(xù)增長，部分原因是各種“智慧城市”創(chuàng)新計劃引領(lǐng)的人工智能 (AI) 發(fā)展，這些計劃包含對公共街道、小巷和集會場所進(jìn)行智能、自動化監(jiān)控。在辦公室、零售店、住宅大堂、超市、博物館、建筑工地、工業(yè)環(huán)境和倉庫等封閉區(qū)域，視頻監(jiān)控的安保應(yīng)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(shè)計人員在爭相提高系統(tǒng)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(jié)合智能、精密的運(yùn)動控制系統(tǒng)，可大部分實(shí)現(xiàn)這些改善目標(biāo)。利用這種方法的要素，設(shè)計人員可以實(shí)現(xiàn)高能效遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控，這樣一來，因圖像模糊或事件發(fā)生在攝像頭視線范圍外而需要人員親臨現(xiàn)場檢查區(qū)域或場所的情況就越來越少。

然而，與任何不斷增長的應(yīng)用領(lǐng)域一樣，仍有各種技術(shù)挑戰(zhàn)亟待克服，而通過直接使用高能效電子子系統(tǒng)進(jìn)行攝像頭的平移、傾斜和變焦 (PTZ)，可以解決其中許多挑戰(zhàn)。

本文探討了 PTZ 在監(jiān)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(jī)和運(yùn)動控制電子裝置如何成為實(shí)施視頻監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵。隨后介紹并探討了 TRINAMIC Motion Control GmbH（現(xiàn)為 Analog Devices, Inc. 旗下公司）的運(yùn)動控制 IC 相關(guān)應(yīng)用，同時還會介紹評估板。

通過 PTZ 運(yùn)動控制加強(qiáng)有效監(jiān)控

無論用于安防設(shè)施還是過程監(jiān)控，現(xiàn)代視頻監(jiān)控系統(tǒng)都不再僅僅是一個在固定方位指向目標(biāo)區(qū)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(jiān)視區(qū)域（圖 1）。AI 和 PTZ 都有助于實(shí)現(xiàn)更高效和普遍“更環(huán)?！钡谋O(jiān)控方式。對于 PTZ，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計，運(yùn)動可以由攝像頭組件自主引導(dǎo)，由安全系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制，甚至可以遠(yuǎn)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(jiān)控攝像頭比固定原位的靜態(tài)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(quán)衡困境（即，可以捕獲更大的區(qū)域，但以犧牲場景細(xì)節(jié)和引入曲率畸變?yōu)榇鷥r）。PTZ 功能還有助于節(jié)省安防系統(tǒng)成本，因?yàn)橐粋€攝像頭就可以完成許多靜態(tài)攝像頭的工作。

攝像頭的運(yùn)動可以通過不同的技術(shù)來引導(dǎo)。具有 PTZ 功能的監(jiān)控攝像頭通常還支持多個預(yù)設(shè)位置，用戶可以指定需要監(jiān)控的位置，以及從一個位置到另一個位置的預(yù)定順序和步進(jìn)時間。這樣可以實(shí)現(xiàn)對寬廣區(qū)域的遠(yuǎn)程監(jiān)控，無需用戶輸入。

電子器件與 PTZ 電機(jī)的匹配

雖然運(yùn)動控制是 PTZ 實(shí)施的核心，但高效 PTZ 系統(tǒng)的重要因素是通過卓越的電機(jī)控制實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)精確的追蹤。設(shè)計人員既可以考慮使用無刷直流電機(jī)，也可以考慮更具挑戰(zhàn)性但往往也更有利的步進(jìn)電機(jī)，以實(shí)現(xiàn)高精度，并且可以利用 ADI 的 Trinamic 技術(shù)和 IC 實(shí)現(xiàn)必要的平穩(wěn)性和準(zhǔn)確性。

低功耗操作也很關(guān)鍵。許多配備了精密 PTZ 控制功能的監(jiān)控攝像頭現(xiàn)在都是支持以太網(wǎng)供電 (PoE) 的設(shè)備。最新 PoE 標(biāo)準(zhǔn) (IEEE 802.3bt-2018) 支持每個以太網(wǎng)電纜連接高達(dá) 100 W 的供電。

PTZ 系統(tǒng)的設(shè)計人員有三種電機(jī)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(jīng)典的有刷直流電機(jī)、無刷直流電機(jī) (BLDC) 和步進(jìn)電機(jī)（圖 2）。

圖 2：三種基本直流電機(jī)分別是經(jīng)典有刷、無刷和步進(jìn)電機(jī)。（圖片來源：Analog Devices）

每種電機(jī)配置在功能、性能和管理/控制需求方面各有優(yōu)劣：

有刷直流電機(jī)是最早開發(fā)的直流電機(jī)，已經(jīng)成功使用 100 多年。它設(shè)計簡單，但難以控制，最適合開放式的自由運(yùn)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(jī)的電刷會受到磨損，存在可靠性問題，并且可能產(chǎn)生不可接受的電磁干擾 (EMI)。雖然這種電機(jī)在低成本的大眾市場應(yīng)用（如玩具）中，甚至一些高端應(yīng)用（如醫(yī)療輸液泵）中仍有使用，但對于 PTZ 設(shè)計來說，通常不是可行的選擇。

BLDC 電機(jī)（也稱為電子換向或 EC 電機(jī)）很適合于帶位置傳感器的閉環(huán)設(shè)計，這種設(shè)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(jī)最常用于閉環(huán)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(jī)的控制需要對電機(jī)定子線圈的上電電流進(jìn)行精確定時。為了提高性能和精度，通常使用閉環(huán)反饋。為此，可以使用編碼器來感應(yīng)轉(zhuǎn)子位置，同時感應(yīng)線圈電流，以用于實(shí)施磁場定向控制 (FOC) 的設(shè)計（更多關(guān)于 FOC 的介紹見下文）。

Trinamic 的 TMC4671-LA 多相伺服控制器/電機(jī)驅(qū)動器是專門針對此任務(wù)設(shè)計的 IC，它為 BLDC 電機(jī)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(jī)驅(qū)動器，專門針對 BLDC 電機(jī)設(shè)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(jī)，如永磁同步電機(jī) (PMSM) 以及兩相步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)和音圈致動器。請注意，BLDC 電機(jī)與 PMSM 的區(qū)別是，前者是直流 (DC) 電機(jī)，而 PMSM 是交流 (AC) 電機(jī)。因此，BLDC 電機(jī)是一種電子換向的直流電機(jī)，沒有物理換向器組件；相反，PMSM 是一種交流同步電機(jī)，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(jìn)行通信。該器件在硬件方面實(shí)現(xiàn)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(jiān)測功能。其包含集成式模數(shù)轉(zhuǎn)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(yīng)用的完整控制器。

為了應(yīng)對 BLDC 電機(jī)控制的挑戰(zhàn)，這一功能性至關(guān)重要，因?yàn)檫@些算法非常復(fù)雜。幸運(yùn)的是，復(fù)雜的細(xì)節(jié)完全由 IC 負(fù)責(zé)處理，所以這些細(xì)節(jié)不會對設(shè)計工程師或系統(tǒng)微控制器造成負(fù)擔(dān)（圖 5）。

圖 5：TMC4671-LA 包含并執(zhí)行實(shí)現(xiàn)復(fù)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(shè)計人員和主機(jī)處理器無需執(zhí)行此任務(wù)。（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(guān)鍵優(yōu)勢，包括更快的穩(wěn)定時間、對扭矩控制命令更快的響應(yīng)、更好的位置穩(wěn)定性，以及更低的過電流狀況風(fēng)險。這類風(fēng)險可能損壞電機(jī)驅(qū)動器或電機(jī)。

步進(jìn)電機(jī)是 BLDC 電機(jī)的替代方案。這種電機(jī)非常適合用于開環(huán)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(dāng)?shù)牟竭M(jìn)電機(jī)比 BLDC 電機(jī)便宜，但步進(jìn)電機(jī)存在必須解決的操作難題。

圖 6：與 BLDC 電機(jī)控制器相比，步進(jìn)電機(jī)控制器從主機(jī)到電機(jī)驅(qū)動器和電機(jī)的路徑更為直接。（圖片來源：Analog Devices）

乍看之下，步進(jìn)電機(jī)控制器的信號路徑流程似乎比 BLDC 電機(jī)控制器簡單一些。雖然在某些方面確實(shí)如此，但精密有效的步進(jìn)電機(jī)控制器必須提供特定的功能來滿足該電機(jī)的需求。

TMC5130A 是一款具有串行通信接口的高性能控制器和驅(qū)動器 IC，專為兩相步進(jìn)電機(jī)設(shè)計。此類 IC 旨在最大限度地減少或消除相關(guān)問題（圖 7）。

圖 7：TMC5130A 是一款高性能的控制器和驅(qū)動器 IC，配備串行通信接口，專為兩相步進(jìn)電機(jī)設(shè)計。（圖片來源：Analog Devices）

該器件將用于自動目標(biāo)定位的靈活斜坡發(fā)生器與高度先進(jìn)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器相結(jié)合。其還包含內(nèi)部 MOSFET，可以直接提供高達(dá) 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(jìn)電機(jī)驅(qū)動功能，因?yàn)樗鉀Q了設(shè)計人員在決定使用這種電機(jī)類型時所面臨的一些挑戰(zhàn)。兩個最明顯和最值得關(guān)注的問題是電機(jī)在步進(jìn)時產(chǎn)生的噪音，以及電機(jī)運(yùn)行的“平穩(wěn)性”。雖然這些在工業(yè)應(yīng)用等環(huán)境下可能不是問題，但在 PTZ 監(jiān)控使用中可能會令人不安，甚至適得其反。

對于第一個挑戰(zhàn)，TMC5130A 實(shí)施了 StealthChop，這是一款專有的基于電壓的脈寬調(diào)制 (PWM) 斬波器，可根據(jù)占空比調(diào)制電流（圖 8）。該功能針對中低速進(jìn)行了優(yōu)化，可大幅減少噪音。

圖 8：TMC5130A 中的 StealthChop 技術(shù)根據(jù)占空比對電流驅(qū)動進(jìn)行調(diào)制，大幅減少了步進(jìn)電機(jī)的噪音。（圖片來源：Analog Devices）

對于第二個挑戰(zhàn)，TMC5130A 采用了 SpreadCycle，一種專有的電流斬波技術(shù)。這種逐周期電流型驅(qū)動斬波方案實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動相位的慢衰減，從而減少了電能損耗和轉(zhuǎn)矩波動。該技術(shù)使用基于磁滯的電機(jī)電流與目標(biāo)電流平均方式，產(chǎn)生正弦波的電機(jī)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(zhuǎn)矩波動。（圖片來源：Analog Devices）

TMC5130A 的其他獨(dú)特功能包括其 StallGuard 電機(jī)失速檢測和 CoolStep 動態(tài)自適應(yīng)電流驅(qū)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(fù)載檢測，并能在一整步內(nèi)停止電機(jī)，從而保護(hù)電機(jī)驅(qū)動器和電機(jī)。另一個好處是，它的靈敏度可以調(diào)整，以符合應(yīng)用的要求。CoolStep 根據(jù)反電動勢 StallGuard 的讀數(shù)調(diào)整電機(jī)電流。在低負(fù)載情況下，可以將電機(jī)電流降低 75%，從而節(jié)省電能并減少發(fā)熱。

在驅(qū)動兩臺兩相步進(jìn)電機(jī)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(qū)動兩個獨(dú)立的線圈，每個線圈的電流高達(dá) 1.1 A（峰值 1.5 A）；兩個驅(qū)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(qū)動版本；兩個獨(dú)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(jī)的位置反饋。步進(jìn)電機(jī)不需要反饋，但會經(jīng)常添加反饋以確保高精度控制，而 BLDC 設(shè)計需要反饋。反饋一般使用編碼器（通?；诨魻栃?yīng)傳感器或光學(xué)編碼器）來實(shí)現(xiàn)，但會受限于更新率和分辨率，以及給系統(tǒng)增加的處理負(fù)擔(dān)。

對于 BLDC 電機(jī)，還有另一種控制選項(xiàng)。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(guān)的問題，以及編碼器成本和安裝問題而設(shè)計。

簡而言之，F(xiàn)OC 是一種用于電機(jī)的電流調(diào)節(jié)方案，其利用磁場方向和電機(jī)轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行調(diào)節(jié)。FOC 基于“簡單”的觀察結(jié)果，即有兩個分力作用在電機(jī)的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩（圖 11）。

圖 11：FOC 靈感的原理是觀察到轉(zhuǎn)子受到兩個正交力的作用，一個是轉(zhuǎn)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(huán)控制，從而產(chǎn)生純轉(zhuǎn)矩生成的電流 (IQ)，而沒有直接電流 ID。然后，調(diào)整驅(qū)動電流的強(qiáng)度，使電機(jī)提供目標(biāo)轉(zhuǎn)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(jī)控制方法。這種方法在高電機(jī)動態(tài)和高速度的條件下工作良好，并且因其閉環(huán)控制特性，增強(qiáng)了內(nèi)在的安全功能。FOC 使用標(biāo)準(zhǔn)的電阻式電流感應(yīng)來測量通過定子線圈的電流強(qiáng)度和相位，以及轉(zhuǎn)子的角度。然后，將測得的轉(zhuǎn)子角度調(diào)整到磁軸上。轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子的磁場方向。

然而，從 FOC 得出觀察結(jié)果到形成完整的電機(jī)控制方案，還需要一個漫長而極其復(fù)雜的過程。FOC 需要了解一些靜態(tài)參數(shù)，包括電機(jī)磁極對的數(shù)量、每轉(zhuǎn)的編碼器脈沖數(shù)、編碼器相對于轉(zhuǎn)子磁軸的方向和編碼器的計數(shù)方向，以及一些動態(tài)參數(shù)，如相電流和轉(zhuǎn)子方向。

此外，用于相電流閉環(huán)控制的兩個 PI 控制器的比例和積分（P 和 I）參數(shù)的調(diào)整取決于電機(jī)的電氣參數(shù)。這些參數(shù)包括電阻、電感、電機(jī)的反電動勢常數(shù)（也是電機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)）以及電源電壓。

設(shè)計人員在應(yīng)用 FOC 時面臨的挑戰(zhàn)是所有參數(shù)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(shí)現(xiàn) FOC 所需的實(shí)際“可交付”代碼復(fù)雜而精密。其中包括多種坐標(biāo)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(jié)為一組矩陣乘法），還包括密集的重復(fù)計算和運(yùn)算。網(wǎng)上有許多 FOC 的教程，從定性的無方程式/淺顯的教程到復(fù)雜的數(shù)學(xué)教程；TMC4671 的規(guī)格書介于中間，值得一看。

試圖通過固件來實(shí)現(xiàn) FOC，需要大量的 CPU 計算能力和資源，因此對設(shè)計人員選擇處理器會有所限制。然而，借助 TMC4671，設(shè)計人員可以從更廣泛的微處理器甚至低端微控制器中進(jìn)行選擇，同時還可以避免中斷處理和直接內(nèi)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?yàn)榫幊毯蛙浖O(shè)計已簡化到只需初始化和設(shè)置目標(biāo)參數(shù)。

不要忘記驅(qū)動器

雖然一些電機(jī)控制 IC（如用于步進(jìn)電機(jī)的 TMC5130A 和 TMC5072）集成了驅(qū)動電流約為 2 A 的電機(jī)柵極驅(qū)動器功能，但其他 IC（如用于 BLDC 電機(jī)的 TMC4671-LA）沒有。對于這些情況，諸如 TMC6100-LA-T 半橋柵極驅(qū)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(qū)動器采用 7 × 7 mm 的 QFN 封裝，提供高達(dá) 1.5 A 的驅(qū)動電流，適合驅(qū)動處理高達(dá) 100 A 線圈電流的外部 MOSFET。

圖 12：TMC6100-LA-T 半橋柵極驅(qū)動器 IC 提供高達(dá) 1.5 A 的驅(qū)動電流，適合驅(qū)動處理高達(dá) 100 A 線圈電流的外部 MOSFET。（圖片來源：Analog Devices）。

TMC6100-LA-T 具有對驅(qū)動電流進(jìn)行軟件控制的功能，可對其設(shè)置進(jìn)行系統(tǒng)內(nèi)優(yōu)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(wěn)健可靠的設(shè)計。

為了進(jìn)一步加速產(chǎn)品上市時間，方便優(yōu)化參數(shù)和微調(diào)驅(qū)動器，Trinamic 提供了 TMC6100-EVAL 通用評估板（圖 13）。該評估板方便進(jìn)行硬件處理，并且配有用戶友好的評估軟件工具。該系統(tǒng)由三部分組成：一塊底板，一塊帶有幾個測試點(diǎn)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(jī)和負(fù)載情況而需要進(jìn)行的驅(qū)動器參數(shù)優(yōu)化和驅(qū)動器微調(diào)。（圖片來源：Analog Devices）

總結(jié)

用于監(jiān)控和安防的視頻攝像頭是一種強(qiáng)大的工具，能夠減少親自出行需求和相關(guān)的能源使用。這類攝像頭通常采用 PoE 供電，并借助電機(jī)驅(qū)動的 PTZ 控制來增強(qiáng)功能，但這種控制功能非常復(fù)雜。如前所述，通過整合高效電機(jī)控制所需的各種功能，并根據(jù)需要使用柵極驅(qū)動器，Trinamic 的 IC 為用于 PTZ 的無刷和步進(jìn)直流電機(jī)提供平穩(wěn)精確的運(yùn)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(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)施，以滿足應(yīng)用需求。這些產(chǎn)品解決了硬件方面的挑戰(zhàn)，從而最大程度地降低了整體設(shè)計及軟件的復(fù)雜性。