Hur man konstruerar för en säkrare värld genom att använda energieffektiva integrerade kretsar för PTZ-styrning av övervakningskameror

Användningen av videoövervakning fortsätter att spridas, delvis drivet av utvecklingen inom artificiell intelligens (AI) som en del av olika initiativ med "smarta städer" med smart, automatiserad övervakning av offentliga gator, gränder och samlingsplatser. Det finns även en ökande användning av videoövervakning inom inhägnade områden som exempelvis kontor, butiker, lobbyer, stormarknader, museer, byggarbetsplatser, industriella miljöer och lagerlokaler för att öka säkerheten och tryggheten. Denna utbredda användning, i kombination med kraven på AI-baserade analyser, innebär att konstruktörerna konkurrerar om att förbättra systemets effektivitet och prestanda samtidigt som de sänker kostnaderna.

Förbättringarna kan i stor utsträckning åstadkommas genom en kombination av kompakta, energisnåla, känsliga integrerade kretsar för högupplöst bilddiagnostik i kombination med smarta, precisionsstyrda rörelsestyrningssystem. Med delar av detta tillvägagångssätt kan konstruktörer möjliggöra energieffektiv fjärrövervakning via video som i allt större utsträckning kan eliminera behovet av att någon fysiskt kontrollerar ett område eller en lokal på grund av tvetydiga bilder eller incidenter som befinner sig utanför kamerans synfält.

Som med alla växande tillämpningsområden finns det dock en rad tekniska utmaningar som måste övervinnas, och många av dem kan lösas direkt med hjälp av energieffektiva elektroniska delsystem för kamerans panorering, lutning och zoom (PTZ).

Artikeln handlar om PTZ-funktionernas roll i övervakningen och diskuterar hur energieffektiva, exakta och energisnåla motorer och elektronik för rörelsestyrning för att styra PTZ-funktionerna är nyckeln till att införa videoövervakningssystem. Därefter presenteras och studeras tillämpningen av integrerade kretsar för rörelsestyrning från TRINAMIC Motion Control GmbH, som nu är en del av Analog Devices, Inc. Utvärderingskort beskrivs också.

Effektiv övervakning förbättras med styrning av PTZ

Vare sig det gäller säkerhetsinstallationer eller processövervakning är moderna videoövervakningssystem mycket mer än bara en kamera som riktas i en fast riktning mot ett målområde. Istället drar AI effektivare nytta av de bilder som fångas in genom att minska antalet falska larm och säkerställa optimal resursanvändning, medan användningen av motoriserad PTZ gör det möjligt för kameran att skanna från vänster till höger (panorera), röra sig uppåt och nedåt (lutning), och på så sätt omdefiniera det bevakade området (figur 1). Både AI och PTZ bidrar till en effektivare och generellt sett "miljövänligare" övervakning. Vad det gäller PTZ, och beroende på systemets utformning, kan rörelsen styras autonomt av kameran, fjärrstyras av ett säkerhetssystem eller till och med styras manuellt.

Figur 1: En övervakningskamera med panorering från vänster till höger, lutning uppåt och nedåt samt in-/utzoomning (PTZ) ger mycket större flexibilitet än en statisk kamera som är fast monterad på en plats. (Bildkälla: Aximmetry Technologies Ltd.)

Denna rörelse av kameran via panorering och lutning övervinner dilemmat med att använda ett vidvinkelobjektiv och ett stort synfält (FOV) som kan fånga ett större område, men på bekostnad av detaljer i scenen och införandet av krökningar i bilden. PTZ-funktionen ger även kostnadsbesparingar i ett säkerhetssystem, eftersom en kamera kan göra samma sak som många fasta kameror.

Kamerans rörelse kan styras med hjälp av olika tekniker. Övervakningskameror med PTZ-funktion har ofta stöd för flera förinställda positioner där användaren kan ange önskade positioner att övervaka, tillsammans med den schemalagda sekvensen och tidpunkten för att gå från position till position. Detta ger fjärrövervakning av ett stort område utan att användaren behöver göra något.

Matchande elektronik för PTZ-motorer

Rörelsestyrning är kärnan i implementeringen av PTZ, och viktiga faktorer i effektiva PTZ-system är smidig och exakt spårning med hjälp av överlägsen motorstyrning. Konstruktörer kan överväga både borstlösa likströmsmotorer och de mer utmanande - men ofta fördelaktiga - stegmotorerna för hög precision och kan uppnå den nödvändiga jämnheten och noggrannheten med hjälp av tekniken Trinamic och integrerade kretsar från ADI.

Låg energiförbrukning är också viktigt. Många övervakningskameror som är utrustade med sofistikerad PTZ-styrning har nu PoE (Power over Ethernet). Den senaste PoE-standarden (IEEE 802.3bt-2018) har stöd för upp till 100 W per ansluten Ethernet-kabel.

Konstruktörer av PTZ-system har tre valmöjligheter när det gäller motortypen, och valet avgör vilka styrkretsar som ska användas. Alternativen är den klassiska likströmsmotorn med borstar, den borstlösa likströmsmotorn (BLDC) och stegmotorn (figur 2).

Figur 2: De tre grundläggande likströmsmotorerna är de välkända motorerna med borstar, borstlösa motorer och stegmotorer. (Bildkälla: Analog Devices)

Respektive motorarrangemang innebär kompromisser när det gäller kapacitet, prestanda och behov av hantering/styrning:

Likströmsmotorn med borstar var den första likströmsmotorn som utvecklades och har använts med framgång i över 100 år. Den är enkel i sin konstruktion men svår att styra och fungerar bäst i öppna situationer med fri drift snarare än exakt positionering eller drift med många start och stopp. Dessutom är borstarna utsatta för slitage, har problem med tillförlitligheten och kan generera oacceptabla elektromagnetiska störningar (EMI). Även om den fortfarande används i billiga massmarknadstillämpningar som t.ex. leksaker och till och med i vissa avancerade tillämpningar som medicinska infusionspumpar, är den i allmänhet inte ett gångbart alternativ för PTZ-konstruktioner.

Den borstlösa likströmsmotorn passar bra i konstruktioner med en sluten krets och en lägesgivare, som även kan användas för hastighetsreglering (figur 3). Den kan uppnå höga hastigheter och har lång livslängd samtidigt som den har hög effekttäthet.

Figur 3: Den borstlösa likströmsmotorn används oftast i en sluten krets för exakt positionering och hög hastighet; en axelmonterad positionssensor ger den nödvändiga återkopplingen till servostyrningen. (Bildkälla: Analog Devices)

Styrning av borstlösa likströmsmotorer kräver en exakt timing av den ström som aktiverar motorns statorspolar. För att förbättra prestanda och precision används ofta återkoppling med en sluten krets. För detta kan en kodare användas för att känna av rotorns position, tillsammans med avkänning av spolströmmen för konstruktioner som tillämpar fältorienterad styrning (FOC) (mer om FOC senare).

Servostyrenheten/motordrivkretsen TMC4671-LA för flera faser från Trinamic är en integrerad krets som är särskilt konstruerad för den här uppgiften, och den är fast ansluten till en inbäddad FOC-algoritm för bortslösa likströmsmotorer (figur 4).

Figur 4: Servostyrenheten/Motordrivkretsen TMC4671-LA från Trinamic som är konstruerad för borstlösa likströmsmotorer, är fast ansluten till en inbyggd FOC-algoritm. (Bildkälla: Analog Devices)

Den kan även användas för andra motortyper, som t.ex. synkronmotorer med permanentmagnet (PMSM), samt tvåfasiga stegmotorer, likströmsmotorer och resonansställdon. Skillnaden mellan den borstlösa likströmsmotorn och PMSM är att den förstnämnda är en likströmsmotor, medan PMSM är en växelströmsmotor. Den borstlösa likströmsmotorn är således en elektroniskt kommuterad likströmsmotor som inte har någon fysisk kommutator, medan PMSM är en synkronmotor med växelström som använder permanentmagneter för att ge den nödvändiga fältspänningen.

TMC4671-LA använder ett grundläggande SPI- eller UART-gränssnitt för att kommunicera med sin microcontroller. Den implementerar alla nödvändiga styrfunktioner och egenskaper i hårdvara, tillsammans med övervakning av fel/feltillstånd. Den innehåller integrerade analog-till-digitalomvandlare (ADC), gränssnitt för positionssensorer, positionsinterpolatorer och andra funktioner som behövs för att möjliggöra en komplett styrenhet för ett brett spektrum av servotillämpningar.

Denna funktion är avgörande för att klara av utmaningen med motorstyrning av bortslösa likströmsmotorer, eftersom algoritmerna är mycket sofistikerade. Lyckligtvis hanteras de komplicerade detaljerna helt och hållet av den integrerade kretsen, så dessa detaljer är inte en börda för konstruktören eller systemets microcontroller (figur 5).

Figur 5: TMC4671-LA innehåller och utför de många länkade funktionsblock som behövs för komplicerade, exakta styrfunktioner för borstlösa likströmsmotorer, som t.ex. FOC, och avlastar därmed konstruktören och värdprocessorn från denna uppgift. (Bildkälla: Analog Devices)

Dess frekvens på 100 kilohertz (kHz) i den slutna reglerkretsen, vilket är fem gånger högre än frekvensen på 20 kHz hos många styrenheter för borstlösa likströmsmotorer, ger kritiska fördelar, bland annat snabbare styrtid, snabbare respons på kommandon för vridmomentsreglering, bättre lägesstabilitet och minskad risk för överströmssituationer. De sistnämnda kan vara skadliga för motordrivkretsen eller motorn.

Stegmotorn är ett alternativ till den borstlösa likströmsmotorn. Den här motorn är väl lämpad för positionering eller hastighetsdrift med öppen slinga samt för att ge ett högt vridmoment vid låga och medelhöga hastigheter (figur 6). I allmänhet är stegmotorer med jämförbar prestanda billigare än borstlösa likströmsmotorer, men de har driftsutmaningar som måste hanteras.

Figur 6: Jämfört med styrningen för de borstlösa likströmsmotorerna, har stegmotorstyrningen en mer direkt väg från värddatorn till motordrivrkretsarna och motorn. (Bildkälla: Analog Devices)

Vid en första anblick verkar signalvägen för stegmotorstyrningen vara något enklare än motorstyrkretsen för den borstlösa likströmsmotorn. Även om detta är sant på vissa sätt måste en exakt och effektiv stegmotorstyrning tillhandahålla de specifika funktioner som behövs för att uppfylla motorns behov.

Integrerade kretsar som t.ex. TMC5130A, en högeffektiv styr- och drivkrets med seriellt kommunikationsgränssnitt - som är inriktad på stegmotorer med två faser, är konstruerade för att minimera eller eliminera de tillhörande problemen (figur 7).

Figur 7: TMC5130A är en högeffektiv styr- och drivkrets med seriellt kommunikationsgränssnitt för stegmotorer med två faser. (Bildkälla: Analog Devices)

Enheten kombinerar en flexibel rampgenerator för automatisk målpositionering med en mycket avancerad stegmotordrivkrets. Den innehåller även interna MOSFET:ar som kan leverera upp till 2 A spolström direkt (2,5 A toppvärde) och har en upplösning på 256 mikrosteg per fullt steg.

TMC5130A går dock längre än grundläggande stegmotordrift, eftersom den även hanterar vissa utmaningar som konstruktörer ställs inför när de beslutar sig för att använda denna motortyp. De två mest anmärkningsvärda och märkbara problemen är det hörbara ljudet som motorn genererar när den går i steg, samt hur "jämnt" motorn rör sig. Även om detta kanske inte är något problem i industriella tillämpningar kan det vara störande - och till och med kontraproduktivt - vid användning för PTZ-övervakning.

För den första utmaningen implementerar TMC5130A StealthChop, en egenutvecklad spänningsbaserad pulsbreddsmodulering (PWM) som modulerar strömmen baserat på arbetscykeln (Figur 8). Funktionen är optimerad för låga till medelhöga hastigheter och minskar det hörbara ljudet betydligt.

Figur 8: Tekniken StealthChop i TMC5130A modulerar strömstyrningen baserat på arbetscykeln, vilket kraftigt minskar det hörbara ljudet från stegmotorn. (Bildkälla: Analog Devices)

För den andra utmaningen använder TMC5130A SpreadCycle, en egenutvecklad teknik för att kapa upp strömmen. Det här strömbaserade systemet för att kapa strömmen cykel för cykel implementerar en långsam avveckling av drivningsfaserna, vilket minskar elektriska förluster och vridmomentrippel. Den använder ett hysteresbaserat medelvärde av motorströmmen till målströmmen, vilket ger en sinusvåg för motorströmmen, även vid höga hastigheter (figur 9).

Figur 9: Det strömbaserade systemet SpreadCycle i TMC5120A som kapar strömmen med MOSFET cykel för-cykel, minskar de elektriska förlusterna och vridmomentets rippel. (Bildkälla: Analog Devices)

Andra unika egenskaper hos TMC5130A är StallGuard, som känner av motorstopp samt CoolStep som är en dynamiskt adaptiv strömstyrning, där den sistnämnda drar nytta av den förstnämnda.

StallGuard tillhandahåller sensorlös belastningsdetektering via den motriktade elektromotoriska kraften (EMF) och kan stoppa en motor inom ett helt steg, vilket skyddar motordrivkretsen och motorn. Som en ytterligare fördel kan känsligheten justeras så att den motsvarar tillämpningens krav. CoolStep justerar motorströmmen baserat på avläsningen av den motriktade elektromotoriska kraften från StallGuard. Det kan minska motorströmmen med 75 % i situationer med låg belastning, vilket leder till energibesparingar och mindre värmeutveckling.

Vid drivning av två stegmotorer med två faser, istället för en enda, som stöds av TMC5130A, finns TMC5072 med många av samma funktioner (figur 10). Den kan driva två oberoende spolar med upp till 1,1 A ström per spole (1,5 A toppvärde); de två drivkretsarna kan även parallellkopplas för att ge 2,2 A (3 A toppvärde) till en spole.

Figur 10: TMC5072 är en version av TMC5130A med dubbla drivkretsar, de två oberoende utgångarna kan användas parallellt. (Bildkälla: Analog Devices)

Fältorienterad styrning (FOC) förändrar scenariot

Det finns även ett problem med lägesåterkoppling från motorn. Stegmotorer kräver inte återkoppling men lägger ofta till det för att garantera styrning med hög precision, medan konstruktioner med borstlösa likströmsmotorer kräver det. Återkoppling implementeras vanligtvis med hjälp av en kodare (vanligtvis baserat på Hall-effektsensorer eller optiska kodare), men begränsas av uppdateringshastigheten och upplösningen samt den bearbetningsbörda som läggs på systemet.

För borstlösa likströmsmotorer finns det ett annat styrningsalternativ. Fältorienterad styrning (FOC) - även kallad vektorstyrning (VC) - utformades för att lösa problemet med uppdateringshastigheten och upplösningen i återkopplingen, samt kostnaderna för kodaren och installationsproblem.

I korthet är FOC ett system för strömreglering av motorer som använder magnetfältets riktning och positionen på motorns rotor. Den bygger på den "enkla" iakttagelsen att två kraftkomponenter verkar på en elmotors rotor. Den ena komponenten, som kallas direkt, eller I_D, drar bara i radiell riktning, medan den andra komponenten, kvadratur I_Q), tillämpar ett vridmoment genom att dra tangentiellt (figur 11).

Figur 11: Principen som inspirerade FOC är observationen att en rotor utsätts för två ortogonala krafter, en radiell till rotoraxeln och en tangentiell. (Bildkälla: Analog Devices).

Den perfekta fältorienterade styrningen reglerar strömmen i en sluten krets, vilket resulterar i en ren vridmomentgenererande ström (I_Q) - utan likström (I_D). Den justerar sedan drivströmmens styrka så att motorn ger det önskade vridmomentet. En av den fältorienterade styrningens många funktioner är att den maximerar effekten vid aktivitet och minimerar effekten i vila.

FOC är ett energieffektivt sätt att styra en elektrisk motor. Den fungerar bra med förhållanden med hög motordynamik och höga hastigheter, och den bidrar till den inneboende säkerhetsfunktionen tack vare den slutna regleringen. Den använder vanlig resistansbaserad strömavkänning för att mäta strömstyrkan och fasen genom statorspolarna och rotorns vinkel. Rotorns uppmätta vinkel justeras sedan mot de magnetiska axlarna. Rotorns vinkel mäts med en Hall-effektsensor eller en positionskodare så att riktningen på magnetfältet från rotorn är känd.

Det finns dock en lång och extremt komplicerad väg från observationerna i den fältorienterade styrningen, till ett komplett motorstyrningssystem. FOC kräver kunskap om vissa statiska parametrar, inklusive antalet polpar i motorn, antalet kodningspulser per varv, kodarens riktning i förhållande till rotorns magnetiska axel samt kodarens räkneriktning, tillsammans med vissa dynamiska parametrar, som t.ex. fasströmmar och rotorns riktning.

Justeringen av de proportionella och integrala parametrarna (P och I) för de två PI-regulatorer som används för den slutna regleringen av fasströmmarna är dessutom beroende av motorns elektriska parametrar. Dessa parametrar omfattar resistans, induktans, motorns konstant för motrikta elektromagnetisk kraft (som även är motorns vridmomentskonstant) och matningsspänningen.

Utmaningen för konstruktörer när de tillämpar fältorienterad styrning är det stora antalet frihetsgrader i alla parametrar. Även om flödesscheman och till och med källkoden för FOC är allmänt tillgängliga, är den faktiska koden som behövs för att genomföra den komplicerad och sofistikerad. Den omfattar flera koordinatomvandlingar - Clarke-omvandlingen, Park-omvandlingen, den inverterade Park-omvandlingen och den inverterade Clarke-omvandlingen - som är formulerade som en uppsättning matrismultiplikationer, samt intensiva upprepade beräkningar och uträkningar. Det finns många handledningar för FOC på nätet, från kvalitativa, ekvationsfria/lätta handledningar till mycket matematiska handledningar. Databladet för TMC4671 placerar sig i mitten och är värt att granska.

Att försöka genomföra FOC via firmware kräver betydande processorkraft och resurser och begränsar därför konstruktören när det gäller val av processor. Men, genom att använda TMC4671 kan konstruktörer välja mellan ett mycket bredare utbud av mikroprocessorer och till och med billiga microcontrollers, samtidigt som de slipper kodningsproblem som avbrottshantering och direktåtkomst till minnet. Allt som krävs är en anslutning till TMC4671 via dess SPI- (eller UART-) kommunikationsportar, eftersom programmering och programdesign reduceras till initialisering och inställning av målparametrar.

Glöm inte drivkretsen

Medan vissa integrerade kretsar för motorstyrning, som t.ex. TMC5130A och TMC5072 för stegmotorer, har funktionalitet för motorstyrning med cirka 2 A, har andra integrerade kretsar, som t.ex. TMC4671-LA för borstlösa likströmsmotorer, inte denna funktion. I dessa situationer har enheter som TMC6100-LA-T gatedrivkrets för halvbrygga den kapacitet som behövs (figur 12). Denna tredubbla MOSFET-gatedrivkrets med halvbrygga levereras i en QFN-kapsling på 7 × 7 mm, ger upp till 1,5 A drivström och är lämplig för att driva externa MOSFET:ar som hanterar spolströmmar på upp till 100 A.

Figur 12: Gatedrivkretsen TMC6100-LA-T med halvbrygga ger upp till 1,5 A drivström och lämpar sig för att driva externa MOSFET:ar som ger upp till 100 A spolström. (Bildkälla: Analog Devices).

TMC6100-LA-T har programstyrning av drivströmmen för optimering av inställningarna i systemet. Den innehåller även programmerbara säkerhetsfunktioner som kortslutningsdetektering och tröskelvärden för övertemperatur; tillsammans med ett SPI-gränssnitt för diagnostik, för att stödja robusta och tillförlitliga konstruktioner.

För att ytterligare förkorta tiden till marknaden och underlätta optimering av parametrar och justering av drivkretsen erbjuder Trinamic det universella utvärderingskortet TMC6100-EVAL (Figur 13). Enheten ger bekväm hantering av hårdvaran och ett användarvänligt programverktyg för utvärdering. Systemet består av tre delar: ett grundkort, ett anslutningskort med flera testpunkter, TMC6100-EVAL, samt FOC-styrenheten TMC4671-EVAL.

Figur 13: Det universella utvärderingskortet TMC6100-EVAL underlättar optimering av drivkretsens parametrar och inställning av drivkretsen för att motsvara motor- och belastningssituationen. (Bildkälla: Analog Devices)

Sammanfattning

Videokameror för övervakning och säkerhet är ett kraftfullt verktyg för att minska det fysiska resandet och den tillhörande energiförbrukningen. De använder ofta PoE och har en motorstyrd PTZ-styrning, men denna styrfunktion är komplicerad. Genom att integrera de olika funktioner som krävs för en effektiv motorstyrning - och använda gatedrivkretsar vid behov - ger integrerade kretsar från Trinamic jämna och exakta rörelser och positioneringar för de borstlösa likströmsmotorer och stegmotorer som används för PTZ.

Trinamic erbjuder ingenjörer ett brett utbud av lösningar som påskyndar genomförandet av effektiva, noggranna styrsystem för motorer som är anpassade för tillämpningens behov. Produkterna hanterar utmaningarna med hårdvara och minimerar därmed den totala komplexiteten i konstruktion och programvara.

Relaterat innehåll

1. TMC5130 stegmotordrivkrets och styrenhet med StealthChop™ (utbildningsmodul)
2. Stegmotorstyrning med två axlar och styrkrets med StealthChop™