【導讀】視頻監控的使用持續增長(cháng)，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(huì )場(chǎng)所進(jìn)行智能、自動(dòng)化監控。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)境和倉庫等封閉區域，視頻監控的安保應用也越來(lái)越多。這種廣泛的使用，加上 AI 分析的要求，意味著(zhù)設計人員在爭相提高系統效率和性能的同時(shí)還要降低成本。
視頻監控的使用持續增長(cháng)，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(huì )場(chǎng)所進(jìn)行智能、自動(dòng)化監控。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)境和倉庫等封閉區域，視頻監控的安保應用也越來(lái)越多。這種廣泛的使用，加上 AI 分析的要求，意味著(zhù)設計人員在爭相提高系統效率和性能的同時(shí)還要降低成本。
借助緊湊型、低功耗、靈敏、高分辨率的成像 IC，結合智能、精密的運動(dòng)控制系統，可大部分實(shí)現這些改善目標。利用這種方法的要素，設計人員可以實(shí)現高能效遠程視頻監控，這樣一來(lái)，因圖像模糊或事件發(fā)生在攝像頭視線(xiàn)范圍外而需要人員親臨現場(chǎng)檢查區域或場(chǎng)所的情況就越來(lái)越少。
然而，與任何不斷增長(cháng)的應用領(lǐng)域一樣，仍有各種技術(shù)挑戰亟待克服，而通過(guò)直接使用高能效電子子系統進(jìn)行攝像頭的平移、傾斜和變焦 (PTZ)，可以解決其中許多挑戰。
本文探討了 PTZ 在監控中的作用，并討論了用于控制 PTZ 功能的高能效、精密、低功耗電機和運動(dòng)控制電子裝置如何成為實(shí)施視頻監控系統的關(guān)鍵。隨后介紹并探討了 TRINAMIC Motion Control GmbH（現為 Analog Devices, Inc. 旗下公司）的運動(dòng)控制 IC 相關(guān)應用，同時(shí)還會(huì )介紹評估板。
通過(guò) PTZ 運動(dòng)控制加強有效監控
無(wú)論用于安防設施還是過(guò)程監控，現代視頻監控系統都不再僅僅是一個(gè)在固定方位指向目標區域的攝像頭。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(dòng) PTZ 的使用允許攝像頭左右掃描（平移）和上下移動(dòng)（傾斜），從而重新定義監視區域（圖 1）。AI 和 PTZ 都有助于實(shí)現更高效和普遍“更環(huán)?！钡谋O控方式。對于 PTZ，根據系統設計，運動(dòng)可以由攝像頭組件自主引導，由安全系統遠程控制，甚至可以遠程手動(dòng)操作。
圖 1：具有左右平移、上下傾斜和伸縮變焦 (PTZ) 功能的監控攝像頭比固定原位的靜態(tài)攝像頭更具靈活性。（圖片來(lái)源：Aximmetry Technologies Ltd.）
這種通過(guò)平移和傾斜來(lái)移動(dòng)攝像頭的做法克服了使用廣角鏡頭和寬視場(chǎng) (FOV) 的權衡困境（即，可以捕獲更大的區域，但以犧牲場(chǎng)景細節和引入曲率畸變?yōu)榇鷥r(jià)）。PTZ 功能還有助于節省安防系統成本，因為一個(gè)攝像頭就可以完成許多靜態(tài)攝像頭的工作。
攝像頭的運動(dòng)可以通過(guò)不同的技術(shù)來(lái)引導。具有 PTZ 功能的監控攝像頭通常還支持多個(gè)預設位置，用戶(hù)可以指定需要監控的位置，以及從一個(gè)位置到另一個(gè)位置的預定順序和步進(jìn)時(shí)間。這樣可以實(shí)現對寬廣區域的遠程監控，無(wú)需用戶(hù)輸入。
電子器件與 PTZ 電機的匹配
雖然運動(dòng)控制是 PTZ 實(shí)施的核心，但高效 PTZ 系統的重要因素是通過(guò)卓越的電機控制實(shí)現平穩精確的追蹤。設計人員既可以考慮使用無(wú)刷直流電機，也可以考慮更具挑戰性但往往也更有利的步進(jìn)電機，以實(shí)現高精度，并且可以利用 ADI 的 Trinamic 技術(shù)和 IC 實(shí)現必要的平穩性和準確性。
低功耗操作也很關(guān)鍵。許多配備了精密 PTZ 控制功能的監控攝像頭現在都是支持以太網(wǎng)供電 (PoE) 的設備。最新 PoE 標準 (IEEE 802.3bt-2018) 支持每個(gè)以太網(wǎng)電纜連接高達 100 W 的供電。
PTZ 系統的設計人員有三種電機類(lèi)型可以選擇，而選擇的類(lèi)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、無(wú)刷直流電機 (BLDC) 和步進(jìn)電機（圖 2）。
圖 2：三種基本直流電機分別是經(jīng)典有刷、無(wú)刷和步進(jìn)電機。（圖片來(lái)源：Analog Devices）
每種電機配置在功能、性能和管理/控制需求方面各有優(yōu)劣：
有刷直流電機是最早開(kāi)發(fā)的直流電機，已經(jīng)成功使用 100 多年。它設計簡(jiǎn)單，但難以控制，最適合開(kāi)放式的自由運行情況，而不適合精確定位或走走停停的操作。此外，有刷電機的電刷會(huì )受到磨損，存在可靠性問(wèn)題，并且可能產(chǎn)生不可接受的電磁干擾 (EMI)。雖然這種電機在低成本的大眾市場(chǎng)應用（如玩具）中，甚至一些高端應用（如醫療輸液泵）中仍有使用，但對于 PTZ 設計來(lái)說(shuō)，通常不是可行的選擇。
BLDC 電機（也稱(chēng)為電子換向或 EC 電機）很適合于帶位置傳感器的閉環(huán)設計，這種設計也可用于速度控制（圖 3）。其速度快且使用壽命長(cháng)，同時(shí)封裝高功率密度。
圖 3：BLDC 電機最常用于閉環(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(lái)源：Analog Devices）
對 BLDC 電機的控制需要對電機定子線(xiàn)圈的上電電流進(jìn)行精確定時(shí)。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(lái)感應轉子位置，同時(shí)感應線(xiàn)圈電流，以用于實(shí)施磁場(chǎng)定向控制 (FOC) 的設計（更多關(guān)于 FOC 的介紹見(jiàn)下文）。
Trinamic 的 TMC4671-LA 多相伺服控制器/電機驅動(dòng)器是專(zhuān)門(mén)針對此任務(wù)設計的 IC，它為 BLDC 電機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/電機驅動(dòng)器，專(zhuān)門(mén)針對 BLDC 電機設計，硬連接了嵌入式 FOC 算法。（圖片來(lái)源：Analog Devices）
該器件也可用于其他類(lèi)型的電機，如永磁同步電機 (PMSM) 以及兩相步進(jìn)電機、直流電機和音圈致動(dòng)器。請注意，BLDC 電機與 PMSM 的區別是，前者是直流 (DC) 電機，而 PMSM 是交流 (AC) 電機。因此，BLDC 電機是一種電子換向的直流電機，沒(méi)有物理?yè)Q向器組件；相反，PMSM 是一種交流同步電機，使用永磁體提供必要的磁場(chǎng)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)現了所有需要的控制功能和特性，同時(shí)還具有錯誤/故障狀況監測功能。其包含集成式模數轉換器 (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用的完整控制器。
為了應對 BLDC 電機控制的挑戰，這一功能性至關(guān)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 負責處理，所以這些細節不會(huì )對設計工程師或系統微控制器造成負擔（圖 5）。
圖 5：TMC4671-LA 包含并執行實(shí)現復雜、精密的 BLDC 控制功能所需的多個(gè)鏈接功能塊（如 FOC），從而使設計人員和主機處理器無(wú)需執行此任務(wù)。（圖片來(lái)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(lái)關(guān)鍵優(yōu)勢，包括更快的穩定時(shí)間、對扭矩控制命令更快的響應、更好的位置穩定性，以及更低的過(guò)電流狀況風(fēng)險。這類(lèi)風(fēng)險可能損壞電機驅動(dòng)器或電機。
步進(jìn)電機是 BLDC 電機的替代方案。這種電機非常適合用于開(kāi)環(huán)定位或速度操作，并可在低速和中等速度時(shí)提供高扭矩（圖 6）。一般來(lái)說(shuō)，性能相當的步進(jìn)電機比 BLDC 電機便宜，但步進(jìn)電機存在必須解決的操作難題。
圖 6：與 BLDC 電機控制器相比，步進(jìn)電機控制器從主機到電機驅動(dòng)器和電機的路徑更為直接。（圖片來(lái)源：Analog Devices）
乍看之下，步進(jìn)電機控制器的信號路徑流程似乎比 BLDC 電機控制器簡(jiǎn)單一些。雖然在某些方面確實(shí)如此，但精密有效的步進(jìn)電機控制器必須提供特定的功能來(lái)滿(mǎn)足該電機的需求。
TMC5130A 是一款具有串行通信接口的高性能控制器和驅動(dòng)器 IC，專(zhuān)為兩相步進(jìn)電機設計。此類(lèi) IC 旨在最大限度地減少或消除相關(guān)問(wèn)題（圖 7）。
圖 7：TMC5130A 是一款高性能的控制器和驅動(dòng)器 IC，配備串行通信接口，專(zhuān)為兩相步進(jìn)電機設計。（圖片來(lái)源：Analog Devices）
該器件將用于自動(dòng)目標定位的靈活斜坡發(fā)生器與高度先進(jìn)的步進(jìn)電機驅動(dòng)器相結合。其還包含內部 MOSFET，可以直接提供高達 2 A 的線(xiàn)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)電機驅動(dòng)功能，因為它解決了設計人員在決定使用這種電機類(lèi)型時(shí)所面臨的一些挑戰。兩個(gè)最明顯和最值得關(guān)注的問(wèn)題是電機在步進(jìn)時(shí)產(chǎn)生的噪音，以及電機運行的“平穩性”。雖然這些在工業(yè)應用等環(huán)境下可能不是問(wèn)題，但在 PTZ 監控使用中可能會(huì )令人不安，甚至適得其反。
對于第一個(gè)挑戰，TMC5130A 實(shí)施了 StealthChop，這是一款專(zhuān)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）。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)根據占空比對電流驅動(dòng)進(jìn)行調制，大幅減少了步進(jìn)電機的噪音。（圖片來(lái)源：Analog Devices）
對于第二個(gè)挑戰，TMC5130A 采用了 SpreadCycle，一種專(zhuān)有的電流斬波技術(shù)。這種逐周期電流型驅動(dòng)斬波方案實(shí)現了驅動(dòng)相位的慢衰減，從而減少了電能損耗和轉矩波動(dòng)。該技術(shù)使用基于磁滯的電機電流與目標電流平均方式，產(chǎn)生正弦波的電機電流，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矩波動(dòng)。（圖片來(lái)源：Analog Devices）
TMC5130A 的其他獨特功能包括其 StallGuard 電機失速檢測和 CoolStep 動(dòng)態(tài)自適應電流驅動(dòng)，其中后者利用了前者。
StallGuard 通過(guò)反電動(dòng)勢 (EMF) 提供無(wú)傳感器的負載檢測，并能在一整步內停止電機，從而保護電機驅動(dòng)器和電機。另一個(gè)好處是，它的靈敏度可以調整，以符合應用的要求。CoolStep 根據反電動(dòng)勢 StallGuard 的讀數調整電機電流。在低負載情況下，可以將電機電流降低 75%，從而節省電能并減少發(fā)熱。
在驅動(dòng)兩臺兩相步進(jìn)電機而不是一臺時(shí)，TMC5072 提供了許多與 TMC5130A 所支持的相同功能（圖 10）。該器件可以驅動(dòng)兩個(gè)獨立的線(xiàn)圈，每個(gè)線(xiàn)圈的電流高達 1.1 A（峰值 1.5 A）；兩個(gè)驅動(dòng)器也可以并行工作，為單個(gè)線(xiàn)圈提供 2.2 A（峰值 3 A）電流。
圖 10：TMC5072 是 TMC5130A 的雙驅動(dòng)版本；兩個(gè)獨立的輸出可以并行使用。（圖片來(lái)源：Analog Devices）
FOC 改變局面
還有一個(gè)問(wèn)題是電機的位置反饋。步進(jìn)電機不需要反饋，但會(huì )經(jīng)常添加反饋以確保高精度控制，而 BLDC 設計需要反饋。反饋一般使用編碼器（通?；诨魻栃獋鞲衅骰蚬鈱W(xué)編碼器）來(lái)實(shí)現，但會(huì )受限于更新率和分辨率，以及給系統增加的處理負擔。
對于 BLDC 電機，還有另一種控制選項。磁場(chǎng)定向控制 (FOC)（也稱(chēng)為矢量控制 (VC)），專(zhuān)為解決與反饋更新率和分辨率有關(guān)的問(wèn)題，以及編碼器成本和安裝問(wèn)題而設計。
簡(jiǎn)而言之，FOC 是一種用于電機的電流調節方案，其利用磁場(chǎng)方向和電機轉子位置進(jìn)行調節。FOC 基于“簡(jiǎn)單”的觀(guān)察結果，即有兩個(gè)分力作用在電機的轉子上。一個(gè)分力，稱(chēng)為直接分力或 ID，只是沿徑向拉動(dòng)；而另一個(gè)分力，即正交分力或 IQ，是通過(guò)切向拉動(dòng)來(lái)施加轉矩（圖 11）。
圖 11：FOC 靈感的原理是觀(guān)察到轉子受到兩個(gè)正交力的作用，一個(gè)是轉子軸上的徑向力，另一個(gè)是切向力。（圖片來(lái)源：Analog Devices）。
理想的 FOC 提供了電流的閉環(huán)控制，從而產(chǎn)生純轉矩生成的電流 (IQ)，而沒(méi)有直接電流 ID。然后，調整驅動(dòng)電流的強度，使電機提供目標轉矩量。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控制方法。這種方法在高電機動(dòng)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，增強了內在的安全功能。FOC 使用標準的電阻式電流感應來(lái)測量通過(guò)定子線(xiàn)圈的電流強度和相位，以及轉子的角度。然后，將測得的轉子角度調整到磁軸上。轉子的角度用霍爾傳感器或位置編碼器測量得出，所以可以知道轉子的磁場(chǎng)方向。
然而，從 FOC 得出觀(guān)察結果到形成完整的電機控制方案，還需要一個(gè)漫長(cháng)而極其復雜的過(guò)程。FOC 需要了解一些靜態(tài)參數，包括電機磁極對的數量、每轉的編碼器脈沖數、編碼器相對于轉子磁軸的方向和編碼器的計數方向，以及一些動(dòng)態(tài)參數，如相電流和轉子方向。
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(dòng)勢常數（也是電機的轉矩常數）以及電源電壓。
設計人員在應用 FOC 時(shí)面臨的挑戰是所有參數的自由度都很高。雖然 FOC 的流程圖甚至源代碼很容易獲得，但實(shí)現 FOC 所需的實(shí)際“可交付”代碼復雜而精密。其中包括多種坐標變換，如克拉克變換、帕克變換、逆帕克變換和逆克拉克變換（歸結為一組矩陣乘法），還包括密集的重復計算和運算。網(wǎng)上有許多 FOC 的教程，從定性的無(wú)方程式/淺顯的教程到復雜的數學(xué)教程；TMC4671 的規格書(shū)介于中間，值得一看。
試圖通過(guò)固件來(lái)實(shí)現 FOC，需要大量的 CPU 計算能力和資源，因此對設計人員選擇處理器會(huì )有所限制。然而，借助 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(jìn)行選擇，同時(shí)還可以避免中斷處理和直接內存訪(fǎng)問(wèn)等編碼問(wèn)題。所需要的只是通過(guò)其 SPI（或 UART）通信端口與 TMC4671 連接，因為編程和軟件設計已簡(jiǎn)化到只需初始化和設置目標參數。
不要忘記驅動(dòng)器
雖然一些電機控制 IC（如用于步進(jìn)電機的 TMC5130A 和 TMC5072）集成了驅動(dòng)電流約為 2 A 的電機柵極驅動(dòng)器功能，但其他 IC（如用于 BLDC 電機的 TMC4671-LA）沒(méi)有。對于這些情況，諸如 TMC6100-LA-T 半橋柵極驅動(dòng)器 IC 等器件增加了這種所需的能力（圖 12）。這款三層半橋 MOSFET 柵極驅動(dòng)器采用 7 × 7 mm 的 QFN 封裝，提供高達 1.5 A 的驅動(dòng)電流，適合驅動(dòng)處理高達 100 A 線(xiàn)圈電流的外部 MOSFET。
圖 12：TMC6100-LA-T 半橋柵極驅動(dòng)器 IC 提供高達 1.5 A 的驅動(dòng)電流，適合驅動(dòng)處理高達 100 A 線(xiàn)圈電流的外部 MOSFET。（圖片來(lái)源：Analog Devices）。
TMC6100-LA-T 具有對驅動(dòng)電流進(jìn)行軟件控制的功能，可對其設置進(jìn)行系統內優(yōu)化。該器件還包括可編程的安全功能，如短路檢測和過(guò)熱閾值；搭配用于診斷的 SPI 接口，支持穩健可靠的設計。
為了進(jìn)一步加速產(chǎn)品上市時(shí)間，方便優(yōu)化參數和微調驅動(dòng)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(hù)友好的評估軟件工具。該系統由三部分組成：一塊底板，一塊帶有幾個(gè)測試點(diǎn)的連接器板 TMC6100-EVAL，外加一個(gè) TMC4671-EVAL FOC 控制器。
圖 13：TMC6100-EVAL 通用評估板可簡(jiǎn)化為匹配電機和負載情況而需要進(jìn)行的驅動(dòng)器參數優(yōu)化和驅動(dòng)器微調。（圖片來(lái)源：Analog Devices）
總結
用于監控和安防的視頻攝像頭是一種強大的工具，能夠減少親自出行需求和相關(guān)的能源使用。這類(lèi)攝像頭通常采用 PoE 供電，并借助電機驅動(dòng)的 PTZ 控制來(lái)增強功能，但這種控制功能非常復雜。如前所述，通過(guò)整合高效電機控制所需的各種功能，并根據需要使用柵極驅動(dòng)器，Trinamic 的 IC 為用于 PTZ 的無(wú)刷和步進(jìn)直流電機提供平穩精確的運動(dòng)和定位。
Trinamic 為工程師提供了廣泛的解決方案，可加快高效、精密電機控制系統的實(shí)施，以滿(mǎn)足應用需求。這些產(chǎn)品解決了硬件方面的挑戰，從而最大程度地降低了整體設計及軟件的復雜性。
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