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

　　視頻監(jiān)控的使用繼續(xù)普及，部分原因是人工智能(AI)的發(fā)展，作為各種“智能城市”計(jì)劃的一部分，對(duì)公共街道，小巷和聚會(huì)場(chǎng)所進(jìn)行智能，自動(dòng)監(jiān)控。在辦公室、零售商店、住宅大堂、超市、博物館、建筑工地、工業(yè)環(huán)境和倉(cāng)庫(kù)等封閉區(qū)域，視頻監(jiān)控的使用也越來(lái)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(shè)計(jì)人員正在競(jìng)相提高系統(tǒng)效率和性能，同時(shí)降低成本。

　　這些改進(jìn)在很大程度上可以通過(guò)將緊湊、低功耗、靈敏、高分辨率的成像IC與智能、精密的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)。使用這種方法的元素，設(shè)計(jì)人員可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控，從而越來(lái)越多地消除由于模糊的圖像或攝像機(jī)視線之外的事件而需要有人親自檢查區(qū)域或場(chǎng)所的需要。

　　然而，與任何不斷增長(zhǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域一樣，需要克服各種技術(shù)挑戰(zhàn)，其中許多挑戰(zhàn)可以直接使用用于攝像機(jī)平移、傾斜和變焦 (PTZ) 的節(jié)能電子子系統(tǒng)來(lái)解決。

　　本文著眼于 PTZ 在監(jiān)控中的作用，并討論用于控制 PTZ 功能的節(jié)能、精密、低功耗電機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制電子設(shè)備如何成為實(shí)施視頻監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵。然后介紹并研究了運(yùn)動(dòng)控制IC的應(yīng)用 特瑞邁運(yùn)動(dòng)控制有限公司，現(xiàn)在是 ADI公司 還介紹了評(píng)估板。

　　通過(guò) PTZ 運(yùn)動(dòng)控制增強(qiáng)有效監(jiān)控

　　無(wú)論是用于安全安裝還是過(guò)程監(jiān)控，現(xiàn)代視頻監(jiān)控系統(tǒng)都不僅僅是一個(gè)以固定方向指向目標(biāo)區(qū)域的攝像機(jī)。相反，人工智能通過(guò)減少誤報(bào)和確保資源的最佳部署來(lái)更有效地利用捕獲的圖像，而電動(dòng) PTZ 的使用允許攝像機(jī)從左到右掃描(平移)和上下移動(dòng)(傾斜)，從而重新定義被監(jiān)視的區(qū)域(圖 1)。人工智能和PTZ都有助于更有效，通常更“綠色”的監(jiān)控方法。在 PTZ 的情況下，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，運(yùn)動(dòng)可以由攝像機(jī)組件自主引導(dǎo)，由安全系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制，甚至手動(dòng)操作。

　　圖 1：具有從左到右平移、上下傾斜和進(jìn)/出變焦 (PTZ) 的監(jiān)控?cái)z像機(jī)比靜態(tài)固定就地?cái)z像機(jī)提供了更大的靈活性。(圖片來(lái)源：軸測(cè)技術(shù)有限公司)

　　相機(jī)通過(guò)平移和傾斜移動(dòng)克服了使用廣角鏡頭和寬視場(chǎng)(FOV)的權(quán)衡困境，可以捕獲更大的區(qū)域，但以犧牲場(chǎng)景細(xì)節(jié)和引入曲率失真為代價(jià)。PTZ 功能還可以為安全系統(tǒng)節(jié)省成本，因?yàn)橐慌_(tái)攝像機(jī)可以完成許多靜態(tài)攝像機(jī)的工作。

　　相機(jī)的運(yùn)動(dòng)可以通過(guò)不同的技術(shù)進(jìn)行指導(dǎo)。具有 PTZ 功能的監(jiān)控?cái)z像機(jī)通常還支持多個(gè)預(yù)設(shè)位置，用戶可以在其中指定要監(jiān)控的所需位置，以及從一個(gè)位置到另一個(gè)位置的預(yù)定順序和時(shí)間。這提供了對(duì)廣闊區(qū)域的遠(yuǎn)程監(jiān)控，無(wú)需用戶輸入。

　　將電子設(shè)備與 PTZ 電機(jī)匹配

　　雖然運(yùn)動(dòng)控制是 PTZ 實(shí)施的核心，但有效 PTZ 系統(tǒng)的重要因素是通過(guò)卓越的電機(jī)控制進(jìn)行平穩(wěn)準(zhǔn)確的跟蹤。設(shè)計(jì)人員可以考慮使用無(wú)刷直流電機(jī)和更具挑戰(zhàn)性但通常更具優(yōu)勢(shì)的步進(jìn)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度，并可以使用ADI的Trinamic技術(shù)和IC實(shí)現(xiàn)必要的平滑度和精度。

　　低功耗運(yùn)行也至關(guān)重要。許多配備復(fù)雜 PTZ 控制的監(jiān)控?cái)z像機(jī)現(xiàn)在都是支持以太網(wǎng)供電 (PoE) 的設(shè)備。最新的 PoE 標(biāo)準(zhǔn) (IEEE 802.3bt-2018) 支持每個(gè)以太網(wǎng)電纜連接高達(dá) 100 瓦的功率。

　　PTZ系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員對(duì)電機(jī)類型有三種選擇，選擇決定了要使用的控制 IC。選項(xiàng)包括經(jīng)典有刷直流電機(jī)、無(wú)刷直流 (BLDC) 電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)(圖 2)。

　　圖 2：三種基本的直流電機(jī)是古老的有刷、無(wú)刷和步進(jìn)電機(jī)。(圖片來(lái)源：ADI公司)

　　每種電機(jī)配置在功能、性能和管理/控制需求方面都有權(quán)衡：

　　有刷直流電機(jī) 是第一個(gè)開發(fā)的直流電機(jī)，并已成功使用超過(guò)100年。它設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但難以控制，最適合開放式自由運(yùn)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(chǎn)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(chǎng)應(yīng)用，如玩具，甚至一些高端應(yīng)用，如醫(yī)療輸液泵，但它通常不是PTZ設(shè)計(jì)的可行選擇。

　　無(wú)刷直流電機(jī) (也稱為電子換向或EC電機(jī))非常適合帶有位置傳感器的閉環(huán)設(shè)計(jì)，位置傳感器也可用于速度控制(圖3)。它可以實(shí)現(xiàn)高速和長(zhǎng)壽命，同時(shí)封裝高功率密度。

　　圖 3：BLDC 電機(jī)最常用于閉環(huán)布置，以實(shí)現(xiàn)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(lái)源：ADI公司)

　　BLDC 電機(jī)的控制需要精確計(jì)時(shí)為電機(jī)定子線圈供電的電流。為了提高性能和精度，經(jīng)常使用閉環(huán)反饋。為此，編碼器可用于檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，以及用于實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)定向控制(FOC)的設(shè)計(jì)的線圈電流檢測(cè)(稍后將詳細(xì)介紹FOC)。

　　特里納米克 TMC4671-LA 多相伺服控制器/電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是專門為此任務(wù)設(shè)計(jì)的 IC，它硬連線了用于 BLDC 電機(jī)的嵌入式 FOC 算法(圖 4)。

　　圖 4：專為 BLDC 電機(jī)設(shè)計(jì)的 Trinamic TMC4671-LA 伺服控制器/電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用嵌入式 FOC 算法硬連線。(圖片來(lái)源：ADI公司)

　　它也可以用于其他電機(jī)類型，例如 永磁同步電機(jī) (PMSM)，以及兩相步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)和音圈執(zhí)行器。請(qǐng)注意，BLDC 電機(jī)和永磁同步電機(jī)之間的區(qū)別在于，前者是直流 (DC) 電機(jī)，而永磁同步電機(jī)是交流 (AC) 電機(jī)。因此，BLDC 電機(jī)是一種電子換向直流電機(jī)，沒有物理?yè)Q向器組件;相比之下，PMSM是一種交流同步電機(jī)，它使用永磁體提供必要的勵(lì)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(shí)現(xiàn)了所有必需的控制功能和特性，以及錯(cuò)誤/故障狀態(tài)監(jiān)控。它包括集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)、位置傳感器接口、位置插補(bǔ)器和其他必要的功能，可為各種伺服應(yīng)用提供完整的控制器。

　　此功能對(duì)于應(yīng)對(duì) BLDC 電機(jī)控制挑戰(zhàn)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處理，因此這些細(xì)節(jié)不會(huì)給設(shè)計(jì)工程師或系統(tǒng)微控制器帶來(lái)負(fù)擔(dān)(圖5)。

　　圖 5：TMC4671-LA 包含并執(zhí)行復(fù)雜、精密 BLDC 控制功能(如 FOC)所需的多個(gè)鏈接功能塊，從而將這項(xiàng)任務(wù)從設(shè)計(jì)人員和主機(jī)處理器中卸下來(lái)。(圖片來(lái)源：ADI公司)

　　其 100 kHz 控制環(huán)路頻率是許多 BLDC 控制器 20 kHz 頻率的五倍，具有關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)，包括更快的建立時(shí)間、更快的扭矩控制命令響應(yīng)、更好的位置穩(wěn)定性以及降低過(guò)流情況的風(fēng)險(xiǎn)。后者可能會(huì)損壞電機(jī)驅(qū)動(dòng)器或電機(jī)。

　　步進(jìn)電機(jī) 是 BLDC 電機(jī)的替代品。該電機(jī)非常適合開環(huán)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(jìn)電機(jī)比 BLDC 電機(jī)便宜，但它們存在必須解決的操作挑戰(zhàn)。

　　圖 6：與 BLDC 電機(jī)控制器相比，步進(jìn)電機(jī)控制器具有從主機(jī)到電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)的更直接路徑。(圖片來(lái)源：ADI公司)

　　乍一看，步進(jìn)電機(jī)控制器的信號(hào)路徑流程似乎比 BLDC 電機(jī)控制器簡(jiǎn)單一些。雖然這在某些方面是正確的，但精確有效的步進(jìn)電機(jī)控制器必須提供特定功能以滿足該電機(jī)的需求。

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

　　圖 7：TMC5130A 是一款高性能控制器和驅(qū)動(dòng)器 IC，具有面向兩相步進(jìn)電機(jī)的串行通信接口。(圖片來(lái)源：ADI公司)

　　該設(shè)備將用于自動(dòng)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(dòng)器相結(jié)合。它還包括內(nèi)部 MOSFET，可直接提供高達(dá) 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(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，因?yàn)樗鉀Q了設(shè)計(jì)人員在決定使用這種電機(jī)類型時(shí)面臨的一些挑戰(zhàn)。兩個(gè)最值得注意和最明顯的問題是電機(jī)在行走時(shí)產(chǎn)生的可聽噪聲，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)境中可能不是問題，但在 PTZ 監(jiān)控使用中可能會(huì)令人不安，甚至適得其反。

　　對(duì)于第一個(gè)挑戰(zhàn)，TMC5130A 實(shí)現(xiàn)了 StealthChop，這是一種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)。此功能針對(duì)中低速度進(jìn)行了優(yōu)化，并顯著降低了可聽噪聲。

　　圖 8：TMC5130A 中的 StealthChop 技術(shù)根據(jù)占空比調(diào)制電流驅(qū)動(dòng)，大大降低步進(jìn)電機(jī)可聞噪聲。(圖片來(lái)源：ADI公司)

　　對(duì)于第二個(gè)挑戰(zhàn)，TMC5130A 使用專有的電流斬波技術(shù) SpreadCycle。這種逐周期、基于電流的驅(qū)動(dòng)斬波方案實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)相位的緩慢衰減，從而減少了電損耗和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。它使用基于遲滯的電機(jī)電流與目標(biāo)電流的平均，即使在高速下也能產(chǎn)生電機(jī)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(zhuǎn)矩紋波。(圖片來(lái)源：ADI公司)

　　TMC5130A 的其他獨(dú)特功能包括其 StallGuard 電機(jī)失速檢測(cè)和 CoolStep 動(dòng)態(tài)自適應(yīng)電流驅(qū)動(dòng)，后者利用了前者。

　　StallGuard 通過(guò)反電動(dòng)勢(shì) (EMF) 提供無(wú)傳感器負(fù)載檢測(cè)，并且可以在一個(gè)完整的步驟內(nèi)停止電機(jī)，從而保護(hù)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)。另一個(gè)好處是，可以調(diào)整其靈敏度以滿足應(yīng)用的要求。CoolStep 根據(jù)反電動(dòng)勢(shì)失速防護(hù)讀數(shù)調(diào)整電機(jī)電流。在低負(fù)載情況下，它可以將電機(jī)電流降低 75%，從而節(jié)省功耗并減少發(fā)熱。

　　當(dāng)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)兩相步進(jìn)電機(jī)而不是單個(gè)兩相步進(jìn)電機(jī)(如 TMC5130A 所支持的那樣)時(shí)， TMC5072 具有許多相同的功能(圖 10)。它可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)獨(dú)立的線圈，每個(gè)線圈的電流高達(dá)1.1 A(峰值為1.5 A);兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器也可以并聯(lián)，為單個(gè)線圈提供2.2 A(3 A峰值)。

　　圖 10：TMC5072 是 TMC5130A 的雙驅(qū)動(dòng)器版本;兩個(gè)獨(dú)立的輸出可以并聯(lián)使用。(圖片來(lái)源：ADI公司)

　　FOC 改變場(chǎng)景

　　還有一個(gè)來(lái)自電機(jī)的位置反饋問題。步進(jìn)電機(jī)不需要反饋，但通常會(huì)添加反饋以確保高精度控制，而 BLDC 設(shè)計(jì)則需要反饋。反饋通常使用編碼器(通?；诨魻栃?yīng)傳感器或光學(xué)編碼器)實(shí)現(xiàn)，但受到更新速率和分辨率以及增加系統(tǒng)處理負(fù)擔(dān)的限制。

　　對(duì)于 BLDC 電機(jī)，還有另一種控制選項(xiàng)。磁場(chǎng)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(guān)的問題。

　　簡(jiǎn)而言之，F(xiàn)OC是一種用于電機(jī)的電流調(diào)節(jié)方案，它使用磁場(chǎng)的方向和電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置。它基于“簡(jiǎn)單”的觀察，即兩個(gè)力分量作用在電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子上。一個(gè)組件，稱為直接或 ID，只是沿徑向方向拉動(dòng)，而另一個(gè)分量，正交或IQ，通過(guò)切向拉動(dòng)施加扭矩(圖 11)。

　　圖 11：?jiǎn)l(fā) FOC 的原理是觀察到轉(zhuǎn)子受到兩個(gè)正交力，一個(gè)徑向到轉(zhuǎn)子軸，另一個(gè)與轉(zhuǎn)子軸線相切。(圖片來(lái)源：ADI公司)。

　　理想的FOC提供電流的閉環(huán)控制，從而產(chǎn)生純轉(zhuǎn)矩電流(IQ)—無(wú)直流電，ID.然后，它調(diào)整驅(qū)動(dòng)電流強(qiáng)度，使電機(jī)提供目標(biāo)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(dòng)機(jī)的節(jié)能方法。它適用于高電機(jī)動(dòng)力學(xué)和高速條件，并且由于其閉環(huán)控制方面，它增加了本質(zhì)安全功能。它使用基于電阻的標(biāo)準(zhǔn)電流檢測(cè)來(lái)測(cè)量通過(guò)定子線圈的電流幅度和相位以及轉(zhuǎn)子的角度。然后將轉(zhuǎn)子的測(cè)量角度調(diào)整到磁軸。轉(zhuǎn)子角度使用霍爾傳感器或位置編碼器測(cè)量，因此已知轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的方向。

　　然而，從FOC觀測(cè)到完整的電機(jī)控制方案，有一條漫長(zhǎng)而極其復(fù)雜的路徑。FOC需要了解一些靜態(tài)參數(shù)，包括電機(jī)極對(duì)的數(shù)量，每轉(zhuǎn)的編碼器脈沖數(shù)，編碼器相對(duì)于轉(zhuǎn)子磁軸的方向，以及編碼器的計(jì)數(shù)方向，以及一些動(dòng)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(gè)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(dòng)勢(shì)常數(shù)(也是電機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù))和電源電壓。

　　設(shè)計(jì)人員在應(yīng)用FOC時(shí)面臨的挑戰(zhàn)是所有參數(shù)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(shí)現(xiàn)它所需的實(shí)際“可交付”代碼是復(fù)雜而復(fù)雜的。它包括多個(gè)坐標(biāo)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(fù)計(jì)算和計(jì)算。網(wǎng)上有許多 FOC 教程，從定性、無(wú)方程/輕的教程到密集的數(shù)學(xué)教程;TMC4671 數(shù)據(jù)表位于中間位置，值得查看。

　　嘗試通過(guò)固件實(shí)現(xiàn) FOC 需要大量的 CPU 計(jì)算能力和資源，因此限制了設(shè)計(jì)人員在處理器選擇方面的限制。但是，通過(guò)使用 TMC4671，設(shè)計(jì)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(shí)還不存在中斷處理和直接存儲(chǔ)器訪問等編碼問題。只需通過(guò) SPI(或 UART)通信端口連接到 TMC4671，因?yàn)榫幊毯蛙浖O(shè)計(jì)簡(jiǎn)化為目標(biāo)參數(shù)的初始化和設(shè)置。

　　不要忘記司機(jī)

　　雖然某些電機(jī)控制 IC(例如用于步進(jìn)電機(jī)的 TMC5130A 和 TMC5072)集成了大約 2 A 驅(qū)動(dòng)器的電機(jī)柵極驅(qū)動(dòng)器功能，但其他 IC(例如用于 BLDC 電機(jī)的 TMC4671-LA)則沒有。對(duì)于這些情況，諸如 TMC6100-LA-T 半橋柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 增加了所需的功能(圖 12)。這款三通道半橋 MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)器采用 7 × 7 毫米 (mm) QFN 封裝，提供高達(dá) 1.5 A 的驅(qū)動(dòng)電流，適合驅(qū)動(dòng)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(dòng)器 IC 提供高達(dá) 1.5 A 的驅(qū)動(dòng)電流，適合驅(qū)動(dòng)提供高達(dá) 100 A 線圈電流的外部 MOSFET。(圖片來(lái)源：ADI公司)。

　　TMC6100-LA-T 具有驅(qū)動(dòng)電流的軟件控制功能，可在系統(tǒng)內(nèi)優(yōu)化其設(shè)置。它還包括可編程安全功能，如短路檢測(cè)和過(guò)熱閾值;與用于診斷的SPI接口一起，這支持穩(wěn)健可靠的設(shè)計(jì)。

　　為了進(jìn)一步加快上市時(shí)間并簡(jiǎn)化參數(shù)優(yōu)化和驅(qū)動(dòng)程序調(diào)整，Trinamic 提供了 TMC6100-評(píng)估 通用評(píng)估板(圖 13)。該裝置提供方便的硬件操作，以及用于評(píng)估的用戶友好型軟件工具。該系統(tǒng)由三部分組成：基板、帶有多個(gè)測(cè)試點(diǎn)的連接器板、TMC6100-EVAL 以及 TMC4671-評(píng)估 FOC 控制器。

　　圖 13：TMC6100-EVAL 通用評(píng)估板簡(jiǎn)化了驅(qū)動(dòng)器參數(shù)的優(yōu)化和驅(qū)動(dòng)器的調(diào)整，以匹配電機(jī)和負(fù)載情況。(圖片來(lái)源：ADI公司)

　　結(jié)論

　　用于監(jiān)控和安全的攝像機(jī)是減少物理旅行和相關(guān)能源使用的強(qiáng)大工具。它們通常使用 PoE，并通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的 PTZ 控制進(jìn)行增強(qiáng)，但這種控制功能很復(fù)雜。如圖所示，通過(guò)集成有效電機(jī)控制所需的各種功能，并根據(jù)需要使用柵極驅(qū)動(dòng)器，Trinamic的IC為PTZ使用的無(wú)刷和步進(jìn)直流電機(jī)提供了平穩(wěn)精確的運(yùn)動(dòng)和定位。

　　Trinamic 為工程師提供廣泛的解決方案，可加速實(shí)施針對(duì)應(yīng)用需求量身定制的高效、精密電機(jī)控制系統(tǒng)。這些產(chǎn)品解決了硬件方面的挑戰(zhàn)，從而最大限度地降低了整體設(shè)計(jì)和軟件復(fù)雜性。