Slik konstruerer du for en tryggere verden ved å bruke energieffektive overvåkingskameraer med PTZ-IC-er (PTZ – Pan Tilt Zoom)

Bruken av videoovervåking fortsetter å spre seg, og er delvis drevet av utviklingen innen kunstig intelligens (AI) som en del av ulike «smartby»-initiativer med smart, automatisert overvåking av offentlige gater, smug og samlingssteder. Det er også økende bruk av videoovervåking i lukkede områder som kontorer, butikker, boligtrappehaller, supermarkeder, museer, byggeplasser, industrielle omgivelser og lagerhus, for trygghet og sikkerhet. Denne utbredte bruken, kombinert med kravene til AI-basert analyse, betyr at konstruktører konkurrerer om å forbedre systemets effektivitet og ytelse, samtidig som kostnadene reduseres.

Disse forbedringene kan i stor grad oppnås ved å bruke en kombinasjon av kompakte, laveffekts, følsomme, høyoppløselige avbildnings-IC-er, kombinert med smarte og presise bevegelsesstyringssystemer. Ved å ta i bruk elementer fra denne tilnærmingen kan konstruktører muliggjøre energieffektiv ekstern videoovervåking, som i økende grad kan eliminere behovet for at noen fysisk må sjekke et område eller lokaler på grunn av tvetydige bilder eller hendelser som er ute av kameraets synsfelt.

I likhet med andre voksende bruksområder, er det en rekke tekniske utfordringer som må fås bukt med, der mange av disse kan løses direkte ved å bruke energieffektive elektroniske delsystemer for kameraets svingning, vipping og zooming (PTZ – pan, tilt, zoom).

Denne artikkelen ser nærmere på PTZs rolle innen overvåking, og den diskuterer hvordan energieffektiv og presis motor- og bevegelsesstyringselektronikk med lav effekt for styring av PTZ-funksjoner er den viktigste faktoren når det gjelder å implementere videoovervåkningssystemer. Den introduserer og studerer deretter anvendelsen av bevegelsesstyrings-IC-er fra TRINAMIC Motion Control GmbH, som nå er en del av Analog Devices, Inc. Evalueringskort er også beskrevet.

Effektiv overvåking forbedret med PTZ-bevegelsesstyring

Enten det er snakk om sikkerhetsinstallasjoner eller prosessovervåking, er moderne videoovervåkingssystemer mye mer enn bare et kamera som peker i en fast retning i en målsone. I stedet gjør AI mer effektiv bruk av lagrede bilder ved å redusere falske alarmer og sikre optimal distribusjon av ressurser, mens bruken av motorisert PTZ gjør at kameraet kan skanne fra venstre til høyre (svinge) og bevege seg opp og ned (vippe), og dermed omdefinere området som blir overvåket (figur 1). Både AI og PTZ bidrar til en mer effektiv og generelt «grønnere» tilnærming til overvåking. Når det gjelder PTZ, og avhengig av systemkonstruksjonen, kan bevegelsen styres autonomt av kamerasammenstillingen, fjernstyres av et sikkerhetssystem eller til og med betjenes manuelt.

Figur 1: Et overvåkingskamera med venstre/høyre-svingning, opp/ned-vipping og inn/ut-zooming (PTZ) gir mye bedre fleksibilitet sammenlignet med et statisk kamera som er låst i en fast posisjon. (Bildekilde: Aximmetry Technologies Ltd.)

Denne svinge- og vippebevegelsen til kameraet får bukt med ulempene forbundet med å bruke et vidvinkelobjektiv og et bredt synsfelt (FOV – field of view), som kan fange et større område, men som går på bekostning av detaljer og fører til krumningsforvrengning. PTZ-funksjonalitet gir også kostnadsbesparelser for et sikkerhetssystem, siden ett kamera kan gjøre jobben til mange stillestående kameraer.

Kameraets bevegelse kan styres ved å bruke diverse teknikker. Overvåkingskameraer med PTZ-funksjonalitet støtter ofte flere forhåndsinnstilte posisjoner, der brukeren kan spesifisere ønskede overvåkingsposisjoner, i tillegg til den planlagte sekvenseringen og timingen til trinnene for å gå fra posisjon til posisjon. Dette gir ekstern overvåking for et bredt område, uten brukerinput.

Tilpasning av elektronikk til PTZ-motorer

Selv om bevegelsesstyring er kjernen i PTZ-implementeringen, er en annen viktig faktor for å oppnå effektive PTZ-systemer, jevn og nøyaktig sporing via overlegen motorstyring. Konstruktører kan se på både børsteløse DC-motorer og de mer utfordrende – men ofte fordelaktige – trinnmotorene for høy presisjon som kan oppnå den nødvendige jevnheten og nøyaktigheten ved å bruke ADIs Trinamic-teknologi og IC-er.

Drift med lav effekt er også svært viktig. Mange av overvåkingskameraene som er utstyrt med avansert PTZ-styring, er nå enheter kompatible med Strøm over Ethernet (PoE – Power over Ethernet). Den nyeste PoE-standarden (IEEE 802.3bt-2018) støtter opptil 100 watt per Ethernet-kabelforbindelse.

Konstruktører av PTZ-systemer har tre motortypevalg, og valget fastsetter hvilke styrings-IC-er som skal brukes. Alternativene er den klassiske DC-motoren med børster, den børsteløse DC-motoren (BLDC) og trinnmotoren (figur 2).

Figur 2: De tre grunnleggende DC-motorene er de høyaktede børstede, børsteløse og trinnløse motorene. (Bildekilde: Analog Devices)

Hver motorsammenstilling har kompromisser når det gjelder evne, ytelse og styringsbehov:

Den børstede DC-motoren var den første DC-motoren som ble utviklet, og den har vært i bruk i over 100 år. Den er konstruksjonsmessig enkel, men vanskelig å styre, og den fungerer best for åpne frittkjørende (open-ended free-running) situasjoner i stedet for drift med nøyaktig posisjonering eller start-og-stopp-drift. Videre er børstene utsatt for slitasje, har pålitelighetsproblemer og kan generere uakseptabel elektromagnetisk interferens (EMI). Selv om de fortsatt brukes i billige konstruksjoner som er masseprodusert, for eksempel leker, og til og med noen avanserte konstruksjoner som medisinske infusjonspumper, er de som regel ikke noe levedyktig alternativ for PTZ-konstruksjoner.

BLDC-motoren (også kalt en elektronisk kommutert motor eller EC-motor) passer godt for konstruksjoner med lukkede sløyfer med posisjonssensor, som også kan brukes til hastighetsstyring (figur 3). Den kan oppnå høye hastigheter og lang levetid, samtidig som den leverer høy effekttetthet.

Figur 3: BLDC-motoren brukes oftest i en lukket sløyfe-sammenstilling for posisjoneringspresisjon og høy hastighet. En akselmontert posisjonssensor gir den nødvendige feedbacken til servostyringen. (Bildekilde: Analog Devices)

Styring av BLDC-motorer krever nøyaktig timing av strømmen som strømsetter motorens statorspoler. For å forbedre ytelsen og presisjonen, brukes ofte feedback med lukket sløyfe. For dette kan en pulsgiver brukes til å detektere rotorposisjon, kombinert med spolestrømdeteksjon for konstruksjoner som implementerer feltorientert styring (FOC) (mer om FOC senere).

Den flerfasede Trinamic TMC4671-LA-servostyringen/motordriveren er en IC som er spesialkonstruert for denne oppgaven, og den har en integrert FOC-algoritme for BLDC-motorer (figur 4).

Figur 4: Trinamic TMC4671-LA-servostyringen/motordriveren, som er konstruert for BLDC-motorer, har en integrert FOC-algoritme. (Bildekilde: Analog Devices)

Den kan også brukes for andre motortyper, for eksempel permanentmagnetmotorer (PMSM-er), samt tofasede trinnmotorer, DC-motorer og svingspoleaktuatorer. Vær oppmerksom på at forskjellen mellom BLDC-motoren og PMSM-en er at førstnevnte er en likestrømsmotor (DC), mens PMSM-en er en vekselstrømsmotor (AC). Således er BLDC-motoren en elektronisk kommutert DC-motor som ikke har noen fysisk kommutatorenhet. PMSM-en er derimot en permanentmagnetmotor (AC) som bruker permanente magneter til å gi den nødvendige feltmagnetiseringen (eksitasjonen).

TMC4671-LA bruker et grunnleggende SPI- eller UART-grensesnitt til å kommunisere med mikrokontrolleren. Den implementerer alle nødvendige styringsfunksjoner og -egenskaper i maskinvaren, i tillegg til feiltilstandsovervåking. Den inkluderer integrerte analog-til-digital-omformere (ADC-er), posisjonssensorgrensesnitt, posisjonsinterpolatorer og andre funksjoner som er nødvendige for å lage en komplett styring for et bredt spekter av servokonstruksjoner.

Denne funksjonaliteten er svært viktig for å møte utfordringen rundt styringen av BLDC-motoren, siden disse algoritmene er svært sofistikerte. Heldigvis er kompliserte detaljer fullstendig tatt hånd om av IC-en, så disse detaljene vil ikke være noen byrde for teknikeren eller systemets mikrokontroller (figur 5).

Figur 5: TMC4671-LA inneholder og utfører de flerkoblede blokkoblingene som er nødvendige for komplekse og presise BLDC-styringsfunksjoner, f.eks. FOC, og gir dermed konstruktøren og vertsprosessoren avlastning fra å måtte utføre denne oppgaven. (Bildekilde: Analog Devices)

Styringssløyfefrekvensen på 100 kilohertz (kHz), som er fem ganger høyere enn 20 kHz-frekvensen til mange BLDC-styringer, gir viktige fordeler som omfatter raskere innsvingningstid, raskere respons på styringskommandoer for dreiemoment, bedre posisjonsstabilitet og redusert risiko for overstrømsituasjoner. Sistnevnte er potensielt skadelig for motordriveren eller motoren.

Trinnmotoren er et alternativ til BLDC-motoren. Denne motoren er godt egnet for åpen sløyfe-posisjonering eller hastighetsdrift, samt for å gi høyt dreiemoment ved lave og mellomstore hastigheter (figur 6). Generelt sett er trinnmotorer med sammenlignbar ytelse billigere enn BLDC-motorer, men de har driftsutfordringer som må tas hensyn til.

Figur 6: Sammenlignet med BLDC-motorstyringen, har trinnmotorstyringen en mer direkte bane fra verten til motordriverne og motoren. (Bildekilde: Analog Devices)

Ved første øyekast virker det som signalbanestrømmen for trinnmotoren er litt enklere enn for BLDC-motorstyringen. Selv om dette til en viss grad er sant, må en presis og effektiv trinnmotorstyring levere de spesifikke funksjonene for å imøtekomme behovene til denne motoren.

IC-er som TMC5130A, en kraftig styrings- og driver-IC med serielt kommunikasjonsgrensesnitt – som er hovedsakelig konstruert for tofasede trinnmotorer – er konstruert for å minimere eller eliminere de tilknyttede problemene (figur 7).

Figur 7: TMC5130A er en høyytelses styrings- og driver-IC med serielle kommunikasjonsgrensesnitt rettet mot tofasede trinnmotorer. (Bildekilde: Analog Devices)

Denne enheten kombinerer en fleksibel rampegenerator for automatisk målposisjonering med en svært avansert trinnmotordriver. Den inkluderer også interne MOSFET-er som kan levere opptil 2 ampere (A) spolestrøm (2,5 A spiss) direkte og har en oppløsning på 256 mikrotrinn per fulle trinn.

TMC5130A går imidlertid utover den grunnleggende driften til trinnmotoren, fordi den adresserer noen utfordringer som konstruktører står overfor når de vurderer om de skal bruke denne motortypen. De to mest bemerkelsesverdige og merkbare bekymringene er den hørbare støyen som motoren genererer når den går gjennom trinnene, samt «jevnheten» til motordriften. Selv om det ikke er sikkert disse vil være noe problem i industrielle konstruksjoner, kan det være en bekymring – og til og med kontraproduktivt – for PTZ-overvåkingsbruk.

For den første utfordringen implementerer TMC5130A StealthChop, en proprietær spenningsbasert pulsbreddemodulasjon-pulsforsterker (PWM – pulse width modulation) som modulerer strøm basert på driftssyklusen (figur 8). Denne funksjonen er optimalisert for lave til middels hastigheter og reduserer hørbar støy dramatisk.

Figur 8: StealthChop-teknikken i TMC5130A modulerer strømstyringen basert på driftssyklusen, noe som i stor grad reduserer lyden fra trinnmotoren. (Bildekilde: Analog Devices)

For den andre utfordringen bruker TMC5130A SpreadCycle, en proprietær strømopphakkingsteknikk (current-chopping technique). Denne syklus-etter-syklus-planen for strømbasert drivopphakking (cycle-by-cycle, current-based drive-chopping scheme) implementerer sakte svekkelse (decay) av driftsfaser, noe som reduserer elektriske tap og dreiemomentrippel. Den bruker et hysteresebasert gjennomsnitt av motorstrømmen til målstrømmen, noe som gir en sinusbølge for motorstrømmen, selv ved høye hastigheter (Figur 9).

Figur 9: SpreadCycle syklus-etter-syklus-plan for strømbasert MOSFET-opphakking i TMC5130A reduserer elektriske tap og dreiemomentrippel. (Bildekilde: Analog Devices)

Andre unike trekk ved TMC5130A er StallGuard motorstansdeteksjon og CoolStep dynamisk adaptiv strømdrift, der sistnevnte drar nytte av førstnevnte.

StallGuard gir sensorløs lastdeteksjon via motelektromotorisk kraft (EMF) og kan stoppe en motor i løpet av ett helt trinn, noe som dermed beskytter motordriveren og motoren. En annen fordel er at følsomheten kan justeres for å dekke konstruksjonens krav. CoolStep justerer motorstrømmen basert på StallGuard-avlesningen for motelektromotorisk kraft (EMF). Den kan redusere motorstrømmen med 75 % i situasjoner med lav belastning, noe som resulterer i energibesparelser og mindre varmeproduksjon.

Når to tofasede trinnmotorer brukes i stedet for én enkel motor, som er støttet av TMC5130A, er TMC5072 tilgjengelig med mange av de samme egenskapene (figur 10). Den kan drive to uavhengige spoler med opptil 1,1 A strøm per spole (1,5 A spiss). De to driverne kan også parallellkobles for å gi 2,2 A (3 A spiss) til én enkel spole.

Figur 10: TMC5072 er en versjon av TMC5130A med to drivere. De to uavhengige utgangene kan brukes parallelt. (Bildekilde: Analog Devices)

FOC endrer scenariet

Det er også en utfordring forbundet med posisjonsfeedback fra motoren. Trinnmotorer krever ikke feedback, men de legger ofte til feedback for å sikre styring med høy presisjon. BLDC-konstruksjoner krever imidlertid feeback. Feedback implementeres vanligvis ved å bruke en pulsgiver (vanligvis basert på Hall-effektsensorer eller optiske pulsgiver), men er begrenset av oppdateringshastigheten og oppløsningen, samt prosesseringsbyrden den legger til for systemet.

Det finnes et annet styringsalternativ for BLDC-motorer. Feltorientert styring (FOC – field-oriented control) – også kjent som vektorstyring (VC – vector control) – ble utviklet for å løse problemer knyttet til oppdateringshastighet og oppløsning for feedback, samt kostnader og installasjonsproblemer til pulsgiveren.

Kort sagt er FOC en strømreguleringsplan for motorer som bruker retningen til magnetfeltet og posisjonen til motorens rotor. Den er basert på den «enkle» observasjonen at to kraftkomponenter virker på rotoren til en elektrisk motor. Én komponent, kalt direkte (direct), eller I_D, trekker bare i en radiell retning, mens den andre komponenten, blindstrømmen (quadrature), eller I_Q, påfører dreiemoment ved å trekke tangentielt (figur 11).

Figur 11: Prinsippet som inspirerte FOC er observasjonen at en rotor er utsatt for to ortogonale krefter, der den ene er radiell til rotoraksen og den andre er tangentiell. (Bildekilde: Analog Devices).

Den ideelle FOC-en gir lukket-sløyfe-styring av strømmen, noe som resulterer i en ren dreiemomentgenererende strøm (I_Q) – uten likestrøm (direct current), I_D. Den justerer deretter drivstrømsstyrkene slik at motoren leverer den tiltenkte dreiemomentmengden. En av FOC-ens mange funksjoner, er at den maksimerer aktiv effekt og minimerer tomgangsytelsen.

FOC er en energieffektiv tilnærming til å styre en elektrisk motor. Den fungerer godt under forhold som omfatter høy motordynamikk og høy hastighet, og den bidrar med intrinsik sikkerhetsfunksjonalitet takket være aspektene med lukket-sløyfe-styring. Den bruker standard motstandsbasert strømdeteksjon til å måle strømmengde og -fase gjennom spolene til statoren og vinkelen til rotoren. Rotorens målte vinkel justeres deretter til de magnetiske aksene. Rotorvinkelen måles ved å bruke en Hall-sensor eller posisjonspulsgiver slik at retningen til magnetfeltet fra rotoren er kjent.

Det er imidlertid en lang og ekstremt kompleks prosess å gå fra FOC-observasjonene til et komplett motorstyringssystem. FOC krever kunnskap om noen statiske parametere, for eksempel antall motorpolpar, antall pulsgiverpulser per omdreining, pulsgiverorienteringen i forhold til rotorens magnetiske akse, samt telleretningen til pulsgiveren, sammen med noen dynamiske parametere som fasestrømmer og rotororienteringen.

Videre er innstillingen av de proporsjonale og integrerte (P og I) parametrene for de to PI-regulatorene som benyttes for regulering av fasestrømmene i lukket sløyfe, avhengig av motorens elektriske parametere. Disse parametrene inkluderer motstand, induktans, konstanten for motelektromotorisk kraft for motoren (som også er motorens dreiemomentkonstant) og forsyningsspenningen.

Utfordringen for konstruktører når de bruker FOC, er det høye antallet frihetsgrader (degrees of freedom) i alle parametere. Selv om flytskjemaene og til og med kildekoden for FOC er allment tilgjengelig, er den faktiske «leverbare» koden som trengs for å implementere den, kompleks og sofistikert. Den inkluderer flere koordinattransformasjoner – Clarke-transformasjonen, Park-transformasjonen, den inverse Park-transformasjonen og den inverse Clarke-transformasjonen – formulert som et sett med matrisemultiplikasjoner, samt intensiv gjentatt beregning og kalkulasjon. Det er mange FOC-opplæringer tilgjengelige på nettet, alt fra kvalitative opplæringer som er ligningsfrie/lettforståelige til svært matematiske opplæringer. TMC4671-databladet faller et sted imellom og er verdt å gjennomgå.

Implementering av FOC via fastvare krever betydelig CPU-beregningskraft og ressurser, og begrenser dermed konstruktøren med hensyn til prosessorvalg. Ved å bruke TMC4671 kan imidlertid konstruktører velge fra et mye bredere spekter av mikroprosessorer og til og med lavpris-mikrokontrollere, samtidig som de slipper å styre med kodingsproblemer som avbruddshåndtering og direkte minnetilgang. Alt som trengs er en tilkobling til TMC4671 via SPI-kommunikasjonsportene (eller UART-portene), ettersom programmering og programvareutforming reduseres til initialiseringen og innstillingen av målparameterene.

Ikke glem driveren

Selv om noen IC-er for motorstyring, for eksempel TMC5130A og TMC5072 for trinnmotorer, inkorporerer funksjonalitet for motor-gate-driver med en driver på ca. 2 A, gjør ikke andre IC-er det, f.eks. TMC4671-LA for BLDC-motorer. I slike situasjoner vil enheter som gate-driver-IC-en med halvbro, TMC6100-LA-T, bidra med den nødvendige funksjonaliteten (figur 12). Denne MOSFET-gate-driveren med tredobbel halvbro kommer i en QFN-kapsling på 7 × 7 millimeter (mm), gir en drivstrøm på opptil 1,5 A og er egnet for å drive eksterne MOSFET-er som håndterer en spolestrøm på opptil 100 A.

Figur 12: TMC6100-LA-T gate-driver-IC-en med halvbro leverer opptil 1,5 A drivstrøm og er egnet til å drive eksterne MOSFET-er som leverer opptil 100 A spolestrøm. (Bildekilde: Analog Devices).

TMC6100-LA-T har programvarestyring av drivstrømmen for optimalisering av innstillingene i systemet. Den inkluderer også programmerbare sikkerhetsfunksjoner som kortslutningsdeteksjon og overtemperaturterskler, og med et SPI-grensesnitt for diagnostikk støttes robuste og pålitelige konstruksjoner.

For å fremskynde tiden det tar å få produktet ut på markedet og gjøre det enklere å optimalisere parametere og justere driveren, tilbyr Trinamic det universelle evalueringskortet TMC6100-EVAL (figur 13). Denne enheten gir praktisk håndtering av maskinvaren, samt et brukervennlig programvareverktøy for evaluering. Systemet består av tre deler: Et basiskort, et kontaktkort med flere testpunkter, TMC6100-EVAL, pluss en TMC4671-EVAL FOC-styring.

Figur 13: Det universelle evalueringskortet TMC6100-EVAL gjør det enklere å optimalisere driverparametere og justere driveren slik at den samsvarer med motor- og lastsituasjonen. (Bildekilde: Analog Devices)

Konklusjon

Videokameraer for overvåking og sikkerhet er et veldig nyttig verktøy når det gjelder å redusere fysisk reising og den tilknyttede energibruken. De bruker ofte PoE og er forbedret med motordrevet PTZ-styring, men denne styringsfunksjonen er kompleks. Ved å integrere de forskjellige funksjonene som trengs for effektiv motorstyring – og ved å bruke gate-drivere etter behov – leverer IC-er fra Trinamic jevn og presis bevegelse og posisjonering for de børsteløse DC-motorene og trinnmotorene som brukes til PTZ.

Trinamic gir teknikere et bredt spekter av løsninger som kan akselerere implementeringen av effektive og presise motorstyringssystemer som er skreddersydd for behovene til konstruksjonen. Disse produktene løser utfordringene rundt maskinvare, noe som resulterer i at den generelle konstruksjons- og programvarekompleksiteten minimeres.

Relatert innhold

1. TMC5130-trinnmotordriver og -styring med StealthChop™ (opplæringsmodul)
2. Toakset trinnmotorstyring og-driver-IC med StealthChop™