原標題：https://www.digikey.com/en/articles/how-to-design-for-a-safer-world-using-energy-efficient-surveillance-camera-ptz-ics

　　視頻監控的使用繼續普及，部分原因是人工智能(AI)的發展，作為各種“智能城市”計劃的一部分，對公共街道，小巷和聚會場所進行智能，自動監控。在辦公室、零售商店、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，視頻監控的使用也越來越多，以確保安全和安保。這種廣泛使用，加上基于人工智能的分析要求，意味著設計人員正在競相提高系統效率和性能，同時降低成本。

　　這些改進在很大程度上可以通過將緊湊、低功耗、靈敏、高分辨率的成像IC與智能、精密的運動控制系統相結合來實現。使用這種方法的元素，設計人員可以實現節能的遠程視頻監控，從而越來越多地消除由于模糊的圖像或攝像機視線之外的事件而需要有人親自檢查區域或場所的需要。

　　然而，與任何不斷增長的應用領域一樣，需要克服各種技術挑戰，其中許多挑戰可以直接使用用于攝像機平移、傾斜和變焦 (PTZ) 的節能電子子系統來解決。

　　本文著眼于 PTZ 在監控中的作用，并討論用于控制 PTZ 功能的節能、精密、低功耗電機和運動控制電子設備如何成為實施視頻監控系統的關鍵。然后介紹并研究了運動控制IC的應用 特瑞邁運動控制有限公司，現在是 ADI公司 還介紹了評估板。

　　通過 PTZ 運動控制增強有效監控

　　無論是用于安全安裝還是過程監控，現代視頻監控系統都不僅僅是一個以固定方向指向目標區域的攝像機。相反，人工智能通過減少誤報和確保資源的最佳部署來更有效地利用捕獲的圖像，而電動 PTZ 的使用允許攝像機從左到右掃描(平移)和上下移動(傾斜)，從而重新定義被監視的區域(圖 1)。人工智能和PTZ都有助于更有效，通常更“綠色”的監控方法。在 PTZ 的情況下，根據系統設計，運動可以由攝像機組件自主引導，由安全系統遠程控制，甚至手動操作。

　　圖 1：具有從左到右平移、上下傾斜和進/出變焦 (PTZ) 的監控攝像機比靜態固定就地攝像機提供了更大的靈活性。(圖片來源：軸測技術有限公司)

　　相機通過平移和傾斜移動克服了使用廣角鏡頭和寬視場(FOV)的權衡困境，可以捕獲更大的區域，但以犧牲場景細節和引入曲率失真為代價。PTZ 功能還可以為安全系統節省成本，因為一臺攝像機可以完成許多靜態攝像機的工作。

　　相機的運動可以通過不同的技術進行指導。具有 PTZ 功能的監控攝像機通常還支持多個預設位置，用戶可以在其中指定要監控的所需位置，以及從一個位置到另一個位置的預定順序和時間。這提供了對廣闊區域的遠程監控，無需用戶輸入。

　　將電子設備與 PTZ 電機匹配

　　雖然運動控制是 PTZ 實施的核心，但有效 PTZ 系統的重要因素是通過卓越的電機控制進行平穩準確的跟蹤。設計人員可以考慮使用無刷直流電機和更具挑戰性但通常更具優勢的步進電機來實現高精度，并可以使用ADI的Trinamic技術和IC實現必要的平滑度和精度。

　　低功耗運行也至關重要。許多配備復雜 PTZ 控制的監控攝像機現在都是支持以太網供電 (PoE) 的設備。最新的 PoE 標準 (IEEE 802.3bt-2018) 支持每個以太網電纜連接高達 100 瓦的功率。

　　PTZ系統的設計人員對電機類型有三種選擇，選擇決定了要使用的控制 IC。選項包括經典有刷直流電機、無刷直流 (BLDC) 電機和步進電機(圖 2)。

　　圖 2：三種基本的直流電機是古老的有刷、無刷和步進電機。(圖片來源：ADI公司)

　　每種電機配置在功能、性能和管理/控制需求方面都有權衡：

　　有刷直流電機 是第一個開發的直流電機，并已成功使用超過100年。它設計簡單，但難以控制，最適合開放式自由運行情況，而不是精確定位或走走停停的操作。此外，它的電刷容易磨損，存在可靠性問題，并可能產生不可接受的電磁干擾(EMI)。雖然它仍然用于低成本的大眾市場應用，如玩具，甚至一些高端應用，如醫療輸液泵，但它通常不是PTZ設計的可行選擇。

　　無刷直流電機 (也稱為電子換向或EC電機)非常適合帶有位置傳感器的閉環設計，位置傳感器也可用于速度控制(圖3)。它可以實現高速和長壽命，同時封裝高功率密度。

　　圖 3：BLDC 電機最常用于閉環布置，以實現定位精度和高速;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：ADI公司)

　　BLDC 電機的控制需要精確計時為電機定子線圈供電的電流。為了提高性能和精度，經常使用閉環反饋。為此，編碼器可用于檢測轉子位置，以及用于實現磁場定向控制(FOC)的設計的線圈電流檢測(稍后將詳細介紹FOC)。

　　特里納米克 TMC4671-LA 多相伺服控制器/電機驅動器是專門為此任務設計的 IC，它硬連線了用于 BLDC 電機的嵌入式 FOC 算法(圖 4)。

　　圖 4：專為 BLDC 電機設計的 Trinamic TMC4671-LA 伺服控制器/電機驅動器采用嵌入式 FOC 算法硬連線。(圖片來源：ADI公司)

　　它也可以用于其他電機類型，例如 永磁同步電機 (PMSM)，以及兩相步進電機、直流電機和音圈執行器。請注意，BLDC 電機和永磁同步電機之間的區別在于，前者是直流 (DC) 電機，而永磁同步電機是交流 (AC) 電機。因此，BLDC 電機是一種電子換向直流電機，沒有物理換向器組件;相比之下，PMSM是一種交流同步電機，它使用永磁體提供必要的勵磁。

　　TMC4671-LA 使用基本的 SPI 或 UART 接口與其微控制器通信。它在硬件中實現了所有必需的控制功能和特性，以及錯誤/故障狀態監控。它包括集成模數轉換器 (ADC)、位置傳感器接口、位置插補器和其他必要的功能，可為各種伺服應用提供完整的控制器。

　　此功能對于應對 BLDC 電機控制挑戰至關重要，因為這些算法非常復雜。幸運的是，復雜的細節完全由IC處理，因此這些細節不會給設計工程師或系統微控制器帶來負擔(圖5)。

　　圖 5：TMC4671-LA 包含并執行復雜、精密 BLDC 控制功能(如 FOC)所需的多個鏈接功能塊，從而將這項任務從設計人員和主機處理器中卸下來。(圖片來源：ADI公司)

　　其 100 kHz 控制環路頻率是許多 BLDC 控制器 20 kHz 頻率的五倍，具有關鍵優勢，包括更快的建立時間、更快的扭矩控制命令響應、更好的位置穩定性以及降低過流情況的風險。后者可能會損壞電機驅動器或電機。

　　步進電機 是 BLDC 電機的替代品。該電機非常適合開環定位或速度操作，并在中低檔速度下提供高扭矩(圖 6)。通常，具有可比性能的步進電機比 BLDC 電機便宜，但它們存在必須解決的操作挑戰。

　　圖 6：與 BLDC 電機控制器相比，步進電機控制器具有從主機到電機驅動器和電機的更直接路徑。(圖片來源：ADI公司)

　　乍一看，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。雖然這在某些方面是正確的，但精確有效的步進電機控制器必須提供特定功能以滿足該電機的需求。

　　IC 例如 TMC5130A，具有串行通信接口的高性能控制器和驅動器 IC(面向兩相步進電機)旨在最大限度地減少或消除相關問題(圖 7)。

　　圖 7：TMC5130A 是一款高性能控制器和驅動器 IC，具有面向兩相步進電機的串行通信接口。(圖片來源：ADI公司)

　　該設備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。它還包括內部 MOSFET，可直接提供高達 2 安培 (A) 的線圈電流(峰值為 2.5 A)，并具有每整步 256 微步的分辨率。

　　然而，TMC5130A 超越了基本的步進電機驅動，因為它解決了設計人員在決定使用這種電機類型時面臨的一些挑戰。兩個最值得注意和最明顯的問題是電機在行走時產生的可聽噪聲，以及電機運行的“平穩性”。雖然這些在工業應用等環境中可能不是問題，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 實現了 StealthChop，這是一種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)。此功能針對中低速度進行了優化，并顯著降低了可聽噪聲。

　　圖 8：TMC5130A 中的 StealthChop 技術根據占空比調制電流驅動，大大降低步進電機可聞噪聲。(圖片來源：ADI公司)

　　對于第二個挑戰，TMC5130A 使用專有的電流斬波技術 SpreadCycle。這種逐周期、基于電流的驅動斬波方案實現了驅動相位的緩慢衰減，從而減少了電損耗和轉矩脈動。它使用基于遲滯的電機電流與目標電流的平均，即使在高速下也能產生電機電流的正弦波(圖 9)。

　　圖 9：TMC5130A 中基于逐周期電流的 MOSFET 斬波方案可降低電氣損耗和轉矩紋波。(圖片來源：ADI公司)

　　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，后者利用了前者。

　　StallGuard 通過反電動勢 (EMF) 提供無傳感器負載檢測，并且可以在一個完整的步驟內停止電機，從而保護電機驅動器和電機。另一個好處是，可以調整其靈敏度以滿足應用的要求。CoolStep 根據反電動勢失速防護讀數調整電機電流。在低負載情況下，它可以將電機電流降低 75%，從而節省功耗并減少發熱。

　　當驅動兩個兩相步進電機而不是單個兩相步進電機(如 TMC5130A 所支持的那樣)時， TMC5072 具有許多相同的功能(圖 10)。它可以驅動兩個獨立的線圈，每個線圈的電流高達1.1 A(峰值為1.5 A);兩個驅動器也可以并聯，為單個線圈提供2.2 A(3 A峰值)。

　　圖 10：TMC5072 是 TMC5130A 的雙驅動器版本;兩個獨立的輸出可以并聯使用。(圖片來源：ADI公司)

　　FOC 改變場景

　　還有一個來自電機的位置反饋問題。步進電機不需要反饋，但通常會添加反饋以確保高精度控制，而 BLDC 設計則需要反饋。反饋通常使用編碼器(通常基于霍爾效應傳感器或光學編碼器)實現，但受到更新速率和分辨率以及增加系統處理負擔的限制。

　　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))旨在解決與反饋更新速率和分辨率以及編碼器成本和安裝問題相關的問題。

　　簡而言之，FOC是一種用于電機的電流調節方案，它使用磁場的方向和電機轉子的位置。它基于“簡單”的觀察，即兩個力分量作用在電動機的轉子上。一個組件，稱為直接或 ID，只是沿徑向方向拉動，而另一個分量，正交或IQ，通過切向拉動施加扭矩(圖 11)。

　　圖 11：啟發 FOC 的原理是觀察到轉子受到兩個正交力，一個徑向到轉子軸，另一個與轉子軸線相切。(圖片來源：ADI公司)。

　　理想的FOC提供電流的閉環控制，從而產生純轉矩電流(IQ)—無直流電，ID.然后，它調整驅動電流強度，使電機提供目標扭矩量。FOC 的眾多功能之一是它可以最大化有功功率并最大限度地減少空閑功率。

　　FOC 是一種控制電動機的節能方法。它適用于高電機動力學和高速條件，并且由于其閉環控制方面，它增加了本質安全功能。它使用基于電阻的標準電流檢測來測量通過定子線圈的電流幅度和相位以及轉子的角度。然后將轉子的測量角度調整到磁軸。轉子角度使用霍爾傳感器或位置編碼器測量，因此已知轉子磁場的方向。

　　然而，從FOC觀測到完整的電機控制方案，有一條漫長而極其復雜的路徑。FOC需要了解一些靜態參數，包括電機極對的數量，每轉的編碼器脈沖數，編碼器相對于轉子磁軸的方向，以及編碼器的計數方向，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)和電源電壓。

　　設計人員在應用FOC時面臨的挑戰是所有參數中的高自由度。雖然 FOC 的流程圖甚至源代碼都隨處可見，但實現它所需的實際“可交付”代碼是復雜而復雜的。它包括多個坐標變換(克拉克變換、公園變換、逆公園變換和逆克拉克變換)，這些變換公式化為一組矩陣乘法，以及密集的重復計算和計算。網上有許多 FOC 教程，從定性、無方程/輕的教程到密集的數學教程;TMC4671 數據表位于中間位置，值得查看。

　　嘗試通過固件實現 FOC 需要大量的 CPU 計算能力和資源，因此限制了設計人員在處理器選擇方面的限制。但是，通過使用 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，同時還不存在中斷處理和直接存儲器訪問等編碼問題。只需通過 SPI(或 UART)通信端口連接到 TMC4671，因為編程和軟件設計簡化為目標參數的初始化和設置。

　　不要忘記司機

　　雖然某些電機控制 IC(例如用于步進電機的 TMC5130A 和 TMC5072)集成了大約 2 A 驅動器的電機柵極驅動器功能，但其他 IC(例如用于 BLDC 電機的 TMC4671-LA)則沒有。對于這些情況，諸如 TMC6100-LA-T 半橋柵極驅動器 IC 增加了所需的功能(圖 12)。這款三通道半橋 MOSFET 柵極驅動器采用 7 × 7 毫米 (mm) 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，適合驅動提供高達 100 A 線圈電流的外部 MOSFET。(圖片來源：ADI公司)。

　　TMC6100-LA-T 具有驅動電流的軟件控制功能，可在系統內優化其設置。它還包括可編程安全功能，如短路檢測和過熱閾值;與用于診斷的SPI接口一起，這支持穩健可靠的設計。

　　為了進一步加快上市時間并簡化參數優化和驅動程序調整，Trinamic 提供了 TMC6100-評估 通用評估板(圖 13)。該裝置提供方便的硬件操作，以及用于評估的用戶友好型軟件工具。該系統由三部分組成：基板、帶有多個測試點的連接器板、TMC6100-EVAL 以及 TMC4671-評估 FOC 控制器。

　　圖 13：TMC6100-EVAL 通用評估板簡化了驅動器參數的優化和驅動器的調整，以匹配電機和負載情況。(圖片來源：ADI公司)

　　結論

　　用于監控和安全的攝像機是減少物理旅行和相關能源使用的強大工具。它們通常使用 PoE，并通過電機驅動的 PTZ 控制進行增強，但這種控制功能很復雜。如圖所示，通過集成有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PTZ使用的無刷和步進直流電機提供了平穩精確的運動和定位。

　　Trinamic 為工程師提供廣泛的解決方案，可加速實施針對應用需求量身定制的高效、精密電機控制系統。這些產品解決了硬件方面的挑戰，從而最大限度地降低了整體設計和軟件復雜性。