Hvordan man designer til en sikrere verden ved hjælp af energieffektive overvågningskamera-PTZ-IC'er

Brugen af videoovervågning fortsætter med at brede sig, bl.a. på grund af udviklingen inden for kunstig intelligens (AI) som led i forskellige "intelligente byer"-initiativer med intelligent, automatiseret overvågning af offentlige gader, gyder og mødesteder. Der er også en stigende brug af videoovervågning i lukkede områder som kontorer, detailbutikker, lobbyer, supermarkeder, museer, byggepladser, industriområder og lagerhaller af hensyn til sikkerhed og sikring. Denne udbredte brug kombineret med kravene til AI-baseret analyse betyder, at designerne konkurrerer om at forbedre systemets effektivitet og ydeevne og samtidig sænke omkostningerne.

Disse forbedringer kan i vid udstrækning opnås ved hjælp af en kombination af kompakte, strømbesparende, følsomme, højopløselige billeddannelses-IC'er med lavt strømforbrug kombineret med intelligente, præcise bevægelsesstyringssystemer. Ved hjælp af elementer af denne tilgang kan designere muliggøre energieffektiv fjernvideoovervågning, der i stigende grad kan fjerne behovet for, at nogen skal kontrollere et område eller lokale fysisk på grund af tvetydige billeder eller hændelser, der er uden for kameraets synsfelt.

Som med ethvert voksende anvendelsesområde er der imidlertid en række tekniske udfordringer, der skal overvindes, hvoraf mange kan løses direkte ved hjælp af energieffektive elektroniske delsystemer til panorering, tilt og zoom (PTZ) af kameraet.

Denne artikel ser på PTZ's rolle i overvågningen og diskuterer, hvordan energieffektive, præcise, strømbesparende motorer og bevægelsesstyringselektronik til styring af PTZ-funktioner er nøglen til implementering af videoovervågningssystemer. Derefter introduceres og undersøges anvendelsen af IC'er til bevægelsesstyring fra TRINAMIC Motion Control GmbH, som nu er en del af Analog Devices, Inc. Evalueringskort beskrives også.

Effektiv overvågning forbedret med PTZ-bevægelsesstyring

Uanset om det er til sikkerhedsinstallationer eller procesovervågning, er moderne videoovervågningssystemer meget mere end blot et kamera, der er rettet i en fast retning mod et målområde. I stedet gør AI en mere effektiv brug af de optagne billeder ved at reducere falske alarmer og sikre optimal ressourceanvendelse, mens brugen af motoriseret PTZ gør det muligt for kameraet at scanne fra venstre til højre (panorering) og bevæge sig op og ned (tilt) og dermed omdefinere det område, der overvåges (figur 1). Både AI og PTZ bidrager til en mere effektiv og generelt "grønnere" tilgang til overvågning. I PTZ-systemet kan bevægelsen, afhængigt af systemets udformning, styres autonomt af kameramodulet, fjernstyres af et sikkerhedssystem eller endda manuelt betjenes.

Figur 1: Et overvågningskamera med panorering fra venstre til højre, op- og nedadgående tilt og ind- og udzoom (PTZ) giver meget mere fleksibilitet end et statisk kamera, der er fast placeret på et sted. (Billedkilde: Aximmetry Technologies Ltd.)

Denne bevægelse af kameraet via panorering og tilt overvinder dilemmaet med at bruge et vidvinkelobjektiv og et stort synsfelt (FOV), som kan indfange et større område, men på bekostning af detaljerne i scenen og med indførelsen af krumningsforvrængning. PTZ-funktionen giver også omkostningsbesparelser for et sikkerhedssystem, da ét kamera kan gøre det samme som mange statiske kameraer.

Kameraets bevægelse kan styres ved hjælp af forskellige teknikker. Overvågningskameraer med PTZ-funktion understøtter ofte også flere forudindstillede positioner, hvor brugeren kan angive de ønskede positioner, der skal overvåges, sammen med den planlagte sekvensering og timing af trin fra position til position. Dette giver fjernovervågning af et stort område uden brugerindgreb.

Tilpasning af elektronik til PTZ-motorer

Mens bevægelsesstyring er kernen i PTZ-implementering, er det vigtigt for effektive PTZ-systemer at sikre en jævn og præcis sporing via en overlegen motorstyring. Designere kan overveje både børsteløse DC-motorer og de mere udfordrende - men ofte fordelagtige - stepmotorer til høj præcision og kan opnå den nødvendige jævnhed og nøjagtighed ved hjælp af ADI's Trinamic-teknologi og IC'er.

Det er også afgørende, at de kører med lavt strømforbrug. Mange af de overvågningskameraer, der er udstyret med sofistikeret PTZ-styring, er nu PoE-kompatible (Power over Ethernet) enheder. Den nyeste PoE-standard (IEEE 802.3bt-2018) understøtter op til 100 watt pr. Ethernet-kabelforbindelse.

Designere af PTZ-systemer har tre valgmuligheder med hensyn til motortype, og valget bestemmer de kontrol-IC'er, der skal anvendes. Valgmulighederne er den klassiske børstede DC-motor, den børsteløse DC-motor (BLDC) og stepmotoren (figur 2).

Figur 2: De tre grundlæggende DC-motorer er de hæderkronede børste-, børsteløse og trinmotorerne. (Billedkilde: Analog Devices)

Hvert motorarrangement har afvejninger med hensyn til kapacitet, ydeevne og behov for styring/kontrol:

Den børstede DC-motor var den første DC-motor, der blev udviklet, og den har været anvendt med succes i over 100 år. Den er enkel i sin konstruktion, men vanskelig at styre og fungerer bedst i åbne, fritløbende situationer snarere end ved præcis positionering eller stop-and-go-drift. Desuden er børsterne udsat for slitage, har problemer med pålideligheden og kan generere uacceptabel elektromagnetisk interferens (EMI). Selv om det stadig bruges i billige masseapplikationer som legetøj og endda i nogle high-end applikationer som medicinske infusionspumper, er det generelt ikke en brugbar løsning til PTZ-designs.

BLDC-motoren (også kaldet en elektronisk kommuteret motor eller EC-motor) passer godt til konstruktioner med lukket kredsløb med en positionssensor, som også kan bruges til hastighedsregulering (Figur 3). Den kan opnå høje hastigheder og lang levetid, samtidig med at den har en høj effekttæthed.

Figur 3: BLDC-motoren anvendes oftest i et lukket kredsløb for at opnå positioneringspræcision og høj hastighed; en positionssensor monteret på akslen giver den nødvendige feedback til servostyringen. (Billedkilde: Analog Devices)

Styring af BLDC-motorer kræver præcis timing af den strøm, der aktiverer motorens statorspoler. For at forbedre ydeevnen og præcisionen anvendes der ofte feedback i lukket kredsløb. Til dette formål kan der anvendes en enkoder til at registrere rotorens position sammen med spolestrømsaflæsning til konstruktioner, der implementerer feltorienteret styring (FOC) (mere om FOC senere).

Trinamic TMC4671-LA flerfaseservokontroller/motordriver er en IC specielt designet til denne opgave, og den er fastforbundet med en indbygget FOC-algoritme til BLDC-motorer (figur 4).

Figur 4: Trinamic TMC4671-LA-servokontrolleren/motordriveren, der er designet til BLDC-motorer, er fastforbundet med en indbygget FOC-algoritme. (Billedkilde: Analog Devices)

Den kan også bruges til andre motortyper, f.eks. synkronmotorer med permanentmagnet (PMSM'er) samt tofasede stepmotorer, DC-motorer og stemmespolede aktuatorer. Bemærk, at forskellen mellem BLDC-motoren og PMSM-motoren er, at førstnævnte er en DC-motor (DC), mens PMSM-motoren er en AC-motor. BLDC-motoren er således en elektronisk kommuteret DC-motor, som ikke har en fysisk kommutator; i modsætning hertil er PMSM-motoren en synkron AC-motor, som anvender permanente magneter til at levere den nødvendige feltspænding.

TMC4671-LA bruger en grundlæggende SPI- eller UART-grænseflade til at kommunikere med sin mikrocontroller. Den implementerer alle nødvendige kontrolfunktioner og funktioner i hardware sammen med overvågning af fejl/fejltilstande. Den indeholder integrerede analog-til-digital-konvertere (ADC'er), positionssensorinterfaces, positionsinterpolatorer og andre funktioner, der er nødvendige for at muliggøre en komplet controller til en lang række servoapplikationer.

Denne funktionalitet er afgørende for at imødegå udfordringen med BLDC-motorstyring, da disse algoritmer er meget sofistikerede. Heldigvis klarer IC'en de komplicerede detaljer fuldt ud, så disse detaljer er ikke en byrde for designingeniøren eller systemets mikrocontroller (Figur 5).

Figur 5: TMC4671-LA indeholder og udfører de mange forbundne funktionsblokke, der er nødvendige for komplekse BLDC-styringsfunktioner med præcision, f.eks. FOC, og aflaster dermed designeren og værtsprocessoren for denne opgave. (Billedkilde: Analog Devices)

Dens frekvens på 100 kilohertz (kHz) i kontrolkredsløbet, som er fem gange højere end frekvensen på 20 kHz i mange BLDC-regulatorer, giver kritiske fordele, herunder hurtigere nedreguleringstid, hurtigere reaktion på momentreguleringskommandoer, bedre positionsstabilitet og reduceret risiko for overstrømssituationer. Sidstnævnte er potentielt skadelige for motordriveren eller motoren.

Skridmotoren er et alternativ til BLDC-motoren. Denne motor er velegnet til positionering eller hastighedsdrift med åben sløjfe samt til at levere et højt drejningsmoment ved lav og mellemliggende hastigheder (Figur 6). Generelt er stepmotorer med sammenlignelig ydeevne billigere end BLDC-motorer, men de har driftsmæssige udfordringer, som skal løses.

Figur 6: Sammenlignet med BLDC-motorstyringen har stepmotorstyringen en mere direkte vej fra værten til motordriverne og motoren. (Billedkilde: Analog Devices)

Ved første øjekast ser signalvejstrækningen i stepmotorstyringen ud til at være noget enklere end i BLDC-motorstyringen. Selv om dette er sandt på nogle måder, skal en præcis og effektiv stepmotorcontroller levere de specifikke funktioner, der opfylder motorens behov.

IC'er som TMC5130A, en højtydende controller- og driver-IC med seriel kommunikationsgrænseflade - og som er rettet mod tofasede stepmotorer - er designet til at minimere eller fjerne de dermed forbundne problemer (Figur 7).

Figur 7: TMC5130A er en højtydende controller og driver-IC med seriel kommunikationsgrænseflade til tofasede stepmotorer. (Billedkilde: Analog Devices)

Denne enhed kombinerer en fleksibel rampe generator til automatisk målpositionering med en meget avanceret stepmotor driver. Den indeholder også interne MOSFET'er, der direkte kan levere op til 2 ampere (A) spolestrøm (2,5 A peak) og har en opløsning på 256 mikrotrin pr. fuldt trin.

TMC5130A går imidlertid videre end grundlæggende trinmotorstyring, da den løser nogle af de udfordringer, som designere står over for, når de beslutter sig for at bruge denne motortype. De to mest bemærkelsesværdige og mærkbare problemer er den hørbare støj, som motoren genererer, når den træder, samt motorens "jævnhed" i drift. Selv om dette ikke nødvendigvis er et problem i f.eks. industrielle applikationer, kan det være foruroligende - og endda kontraproduktivt - i PTZ-overvågning.

Til den første udfordring implementerer TMC5130A StealthChop, en proprietær spændingsbaseret PWM-chopper (pulse width modulation), som modulerer strømmen baseret på duty cycle (arbejdscyklus) (Figur 8). Denne funktion er optimeret til lave til middelhøje hastigheder og reducerer støjen drastisk.

Figur 8: StealthChop-teknikken i TMC5130A modulerer strømstyringen baseret på arbejdscyklusen, hvilket i høj grad reducerer hørbar støj fra trinmotorerne. (Billedkilde: Analog Devices)

Til den anden udfordring bruger TMC5130A SpreadCycle, en proprietær teknik til strømopdeling. Denne cyklus-for-cyklus-, strømbaserede drev-chopping-ordning implementerer langsom afvikling af drevfaser, hvilket reducerer elektriske tab og momentbølger. Den anvender en hysterese-baseret middelværdiberegning af motorstrømmen til målstrømmen, hvilket giver en sinuskurve for motorstrømmen, selv ved høje hastigheder (Figur 9).

Figur 9: SpreadCycle-cyklus-for-cyklus-strømbaseret MOSFET-chopping-ordning i TMC5130A reducerer elektriske tab og momentbølger. (Billedkilde: Analog Devices)

Andre unikke funktioner i TMC5130A er StallGuard-detektion af motorstop og CoolStep dynamisk adaptiv strømafbrydelse, hvor sidstnævnte udnytter førstnævnte.

StallGuard giver sensorløs belastningsdetektion via elektromotorisk kraft (EMF) og kan stoppe en motor inden for et fuldt trin og dermed beskytte motordriveren og motoren. Som en yderligere fordel kan dens følsomhed justeres, så den passer til applikationens krav. CoolStep justerer motorstrømmen på baggrund af den aflæste back-EMF StallGuard-måling. Den kan reducere motorstrømmen med 75 % i situationer med lav belastning, hvilket fører til energibesparelser og mindre varmeudvikling.

Når to to tofasede stepmotorer skal drives i stedet for en enkelt, som understøttet af TMC5130A, er TMC5072 tilgængelig med mange af de samme funktioner (Figur 10). Den kan drive to uafhængige spoler med op til 1,1 A strøm pr. spole (1,5 A peak); de to drivere kan også parallelkobles for at levere 2,2 A (3 A peak) til en enkelt spole.

Figur 10: TMC5072 er en version med to drivere af TMC5130A; de to uafhængige udgange kan bruges parallelt. (Billedkilde: Analog Devices)

FOC ændrer scenariet

Der er også spørgsmålet om positionsfeedback fra motoren. Steppermotorer kræver ikke feedback, men tilføjer det ofte for at sikre højpræcisionsstyring, mens BLDC-designs kræver det. Feedback implementeres normalt ved hjælp af en encoder (typisk baseret på Hall-effekt-sensorer eller optiske encodere), men er begrænset af opdateringshastigheden og opløsningen samt den behandlingsbyrde, som det tilføjer systemet.

For BLDC-motorer er der en anden styringsmulighed. Feltorienteret styring (FOC) - også kendt som vektorstyring (VC) - blev udviklet for at løse problemer i forbindelse med opdateringshastighed og opløsning af feedback samt omkostninger til enkodere og installationsproblemer.

Kort fortalt er FOC en strømreguleringsordning for motorer, der anvender magnetfeltets orientering og motorrotorenes position. Den er baseret på den "simple" observation, at to kraftkomponenter virker på rotoren i en elektromotor. Den ene komponent, kaldet direkte eller_ID, trækker blot i radial retning, mens den anden komponent, kvadratur eller_IQ, anvender et moment ved at trække tangentielt (Figur 11).

Figur 11: Princippet, der ligger til grund for FOC, er den iagttagelse, at en rotor er udsat for to ortogonale kræfter, en radial til rotoraksen og en tangentiel til den anden. (Billedkilde: Analog Devices).

Den ideelle FOC giver en lukket styring af strømmen, hvilket resulterer i en ren momentgenererende strøm (_IQ) - uden jævnstrøm (_ID). Derefter justeres drivstrømsstyrken, så motoren leverer det ønskede drejningsmoment. En af FOC's mange funktioner er, at den maksimerer den aktive effekt og minimerer tomgangseffekten.

FOC er en energieffektiv metode til styring af en elektrisk motor. Den fungerer godt med betingelser med høj motordynamik og høj hastighed, og den bidrager til den iboende sikkerhedsfunktionalitet på grund af dens lukkede kontrolaspekter. Den anvender standardmodstandsbaseret strømføling til at måle strømstyrken og fasen gennem statorspolerne og vinklen på rotoren. Den målte vinkel på rotoren justeres derefter i forhold til de magnetiske akser. Rotorvinklen måles ved hjælp af en Hall-sensor eller en positionskoder, så man kender retningen af det magnetiske felt fra rotoren.

Der er imidlertid en lang og yderst kompleks vej fra FOC-observationerne til et komplet motorstyringssystem. FOC kræver kendskab til nogle statiske parametre, herunder antallet af polpar i motoren, antallet af encoderimpulser pr. omdrejning, encoderens orientering i forhold til rotorens magnetiske akse samt encoderens tælleretning, sammen med nogle dynamiske parametre såsom fasestrømmene og rotorens orientering.

Endvidere afhænger justeringen af proportional- og integralparametrene (P og I) for de to PI-regulatorer, der anvendes til regulering af fasestrømmene i lukket kredsløb, af motorens elektriske parametre. Disse parametre omfatter modstand, induktans, motorens back EMF-konstant (som også er motorens drejningsmomentkonstant) og forsyningsspændingen.

Den udfordring, som designere står over for, når de anvender FOC, er det store antal frihedsgrader i alle parametre. Selv om flowdiagrammerne og endda kildekoden til FOC er bredt tilgængelige, er den egentlige kode, der kan sendes, og som er nødvendig for at implementere den, kompleks og sofistikeret. Den omfatter flere koordinattransformationer - Clarke-transformationen, Park-transformationen, den omvendte Park-transformation og den omvendte Clarke-transformation - formet som et sæt matrixmultiplikationer samt intensive gentagne beregninger og beregninger. Der findes mange FOC-vejledninger online, lige fra kvalitative, ligningsfrie/lette vejledninger til meget matematiske vejledninger; TMC4671-databladet ligger i midten og er værd at gennemgå.

Forsøg på at implementere FOC via firmware kræver betydelig CPU-beregningskraft og -ressourcer og begrænser derfor designeren med hensyn til valg af processor. Ved at bruge TMC4671 kan designere imidlertid vælge mellem et meget bredere udvalg af mikroprocessorer og endda low-end mikrocontrollere, samtidig med at de er fri for kodningsproblemer som f.eks. interrupt-håndtering og direkte hukommelsesadgang. Det eneste, der kræves, er en forbindelse til TMC4671 via dens SPI- (eller UART-) kommunikationsporte, da programmering og softwaredesign er reduceret til initialisering og indstilling af målparametre.

Glem ikke føreren

Mens nogle motorstyrings-IC'er, f.eks. TMC5130A og TMC5072 til stepmotorer, indeholder motor-gate-driver-funktionalitet med ca. 2 A-drift, er det ikke tilfældet for andre IC'er, f.eks. TMC4671-LA til BLDC-motorer. I disse situationer tilføjer enheder som TMC6100-LA-T halvbro-gate-driver-IC den nødvendige kapacitet (Figur 12). Denne tredobbelte halvbro MOSFET-gate-driver leveres i en QFN-pakke på 7 × 7 mm, giver op til 1,5 A drevstrøm og er velegnet til at drive eksterne MOSFET'er, der kan håndtere op til 100 A spolestrøm.

Figur 12: TMC6100-LA-T halvbro-gate-driver-IC'en giver op til 1,5 A drevstrøm og er velegnet til at drive eksterne MOSFET'er, der giver op til 100 A spolestrøm. (Billedkilde: Analog Devices).

TMC6100-LA-T har softwarekontrol af drevstrømmen til optimering af indstillingerne i systemet. Den indeholder også programmerbare sikkerhedsfunktioner som f.eks. kortslutningsdetektion og overtemperaturgrænser; sammen med en SPI-interface til diagnosticering understøtter dette robuste og pålidelige designs.

For yderligere at fremskynde markedsføringen og lette optimering af parametre og tuning af driveren tilbyder Trinamic det universelle TMC6100-EVAL-evalueringskort (Figur 13). Denne enhed giver nem håndtering af hardwaren samt et brugervenligt softwareværktøj til evaluering. Systemet består af tre dele: et bundkort, et forbindelseskort med flere testpunkter, TMC6100-EVAL, samt en TMC4671-EVAL FOC-controller.

Figur 13: Det universelle TMC6100-EVAL-evalueringskort gør det lettere at optimere driverparametre og indstille driveren til at matche motor- og belastningssituationen. (Billedkilde: Analog Devices)

Konklusion

Videokameraer til overvågning og sikkerhed er et effektivt redskab til at reducere fysisk transport og det dermed forbundne energiforbrug. De anvender ofte PoE og er forbedret med motordrevet PTZ-styring, men denne kontrolfunktion er kompleks. Som vist giver IC'er fra Trinamic, ved at integrere de forskellige funktioner, der er nødvendige for effektiv motorstyring - og ved at bruge gate-drivere efter behov - jævn og præcis bevægelse og positionering for de børsteløse og trinløse DC-motorer, der anvendes til PTZ.

Trinamic tilbyder ingeniører en bred vifte af løsninger, som fremskynder implementeringen af effektive, præcise motorstyringssystemer, der er skræddersyet til applikationens behov. Disse produkter løser udfordringerne i hardware og minimerer dermed den samlede kompleksitet af design og software.

Relateret indhold

1. TMC5130 stepmotordriver og controller med StealthChop™ (træningsmodul)
2. Dobbeltakset stepmotorcontroller og driver-IC med StealthChop™