Jak učinit svět bezpečnějším pomocí návrhů s energeticky účinnými integrovanými obvody PTZ pro sledovací kameru

Používání video sledování se stále rozšiřuje, částečně díky rozvoji umělé inteligence (AI) jako součásti různých iniciativ „inteligentních měst“ s inteligentním, automatizovaným sledováním veřejných ulic, uliček a shromažďovacích míst. Stále více se také používá video sledování v uzavřených prostorách, jako jsou kanceláře, maloobchodní prodejny, obytné haly, supermarkety, muzea, staveniště, průmyslová zařízení a sklady pro bezpečnost a ochranu. Toto široké využití v kombinaci s požadavky analýzy založené na umělé inteligenci znamená, že konstruktéři soutěží o zlepšení účinnosti a výkonu systému při současném snížení nákladů.

Těchto zdokonalení lze z velké části dosáhnout kombinací kompaktních, nízkoenergetických, citlivých zobrazovacích integrovaných obvodů s vysokým rozlišením ve spojení s chytrými a přesnými systémy řízení pohybu. Prvky této koncepce umožňují konstruktérům aktivovat energeticky účinné dálkové video monitorování, které může stále více eliminovat potřebu fyzické kontroly oblasti nebo prostorů osobami z důvodů nejednoznačných snímků nebo událostí mimo zorný úhel kamery.

Stejně jako u každé rostoucí oblasti aplikace však existuje i zde řada technických problémů, které je třeba překonat. Mnohé z nich lze řešit přímo pomocí energeticky účinných elektronických subsystémů na otáčení, naklápění a zoom kamery (PTZ).

Tento článek se zabývá úlohou funkcí PTZ ve sledování a pojednává o tom, jak energeticky účinný, přesný a nízkopříkonový motor a elektronika řízení pohybu na ovládání funkcí PTZ mají zásadní význam pro implementaci video monitorovacích systémů. Poté představuje a zabývá se využitím integrovaných obvodů řízení pohybu od společnosti TRINAMIC Motion Control GmbH, nyní součást Analog Devices, Inc. Popisuje také vyhodnocovací desky.

Efektivní sledování vylepšené ovládáním pohybu PTZ

Ať již jde o bezpečnostní instalace nebo monitorování procesů, moderní video sledovací systémy představují mnohem více, než jen kameru pevně namířenou na cílovou zónu. Umělá inteligence namísto toho efektivněji využívá zachycené snímky tím, že omezuje falešné poplachy a zajišťuje optimální nasazení zdrojů, zatímco použití motorizované funkce PTZ umožňuje kameře snímat zleva doprava (otáčení) a pohybovat se nahoru a dolů (náklon), čímž vytváří novou definici sledované oblasti (obrázek 1). AI i funkce PTZ přispívají k efektivnější a obecně „zelenější“ koncepci sledování. V případě PTZ může být v závislosti na konstrukci systému pohyb řízen autonomně kamerovou sestavou, dálkově řízen zabezpečovacím systémem nebo dokonce ovládán ručně.

Obrázek 1: sledovací kamera s otáčením zleva doprava, náklonem nahoru a dolů a přiblížením/oddálením (PTZ) nabízí podstatně vyšší flexibilitu v porovnání s pevnou statickou kamerou. (Zdroj obrázku: Aximmetry Technologies Ltd.)

Tento pohyb kamery prostřednictvím otáčení a náklonu překonává kompromisní dilema použití širokoúhlého objektivu a širokého zorného pole (FOV), který dokáže zachytit větší oblast, avšak na úkor detailů scény a se zavedením zkreslení zakřivením. Funkce PTZ také poskytuje úspory nákladů na bezpečnostní systém, protože jedna kamera může vykonávat práci mnoha statických kamer.

Pohyb kamery lze řídit různými technikami. Sledovací kamery s funkcí PTZ často také podporují více přednastavených pozic, kde může uživatel specifikovat požadované pozice k monitorování, společně s naplánovaným sekvencováním a načasováním přecházení z pozice do pozice. Takové řešení poskytuje vzdálené sledování široké oblasti bez zásahu uživatele.

Přizpůsobení elektroniky motorům funkce PTZ

Ačkoli řízení pohybu je jádrem implementace funkce PTZ, důležitými faktory efektivních systémů PTZ jsou plynulá a přesná sledování prostřednictvím dokonalého ovládání motoru. Konstruktéři mohou využívat jak bezkartáčové stejnosměrné motory, tak i náročnější, ale často výhodnější krokové motory s vysokou přesností a dosáhnout tak potřebné plynulosti a přesnosti pomocí technologie ADI Trinamic a integrovaných obvodů.

Důležitý je také provoz s nízkou spotřebou. Mnoho sledovacích kamer vybavených sofistikovaným ovládáním funkcí PTZ jsou nyní zařízení s podporou napájení přes Ethernet (PoE). Nejnovější standard PoE (IEEE 802.3bt-2018) podporuje až 100 W na jedno připojení ethernetovým kabelem.

Konstruktéři systémů PTZ mají tři možnosti volby typu motoru a tento výběr určuje, které řídicí integrované obvody budou použity. Možnosti zahrnují klasický kartáčovaný DC motor, bezkartáčový stejnosměrný (BLDC) motor a krokový motor (obrázek 2).

Obrázek 2: tři základní stejnosměrné motory zahrnují klasické kartáčové, bezkartáčové a krokové. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Každé uspořádání motoru má kompromisy ve schopnostech, výkonu a potřebách správy/řízení:

Kartáčový stejnosměrný motor byl prvním vyvinutým stejnosměrným motorem, který se úspěšně používá již přes 100 let. Má jednoduchou konstrukci, ale je obtížné jej ovládat a pracuje nejlépe v situacích s časově neomezeným volným chodem. Nehodí se příliš na přesné polohování a provoz typu zastavení-chod. Jeho kartáče dále podléhají opotřebení, mají problémy se spolehlivostí a mohou generovat nežádoucí elektromagnetické rušení (EMI). I když se stále používá v levných aplikacích pro masový trh, jako jsou hračky, a dokonce i v některých špičkových aplikacích, jako jsou lékařské infuzní pumpy, obecně nepředstavuje schůdnou volbu pro konstrukce s funkcemi PTZ.

Bezkartáčový (BLDC) motor (také nazývaný elektronicky komutovaný nebo EC motor) se dobře hodí pro konstrukce s uzavřenou smyčkou se snímačem polohy, který lze také použít pro řízení rychlosti (obrázek 3). Dokáže dosáhnout vysokých rychlostí a dlouhé životnosti při vysoké hustotě výkonu.

Obrázek 3: bezkartáčový stejnosměrný motor (BLDC) se nejčastěji používá v uspořádání s uzavřenou smyčkou pro přesné polohování a vysokou rychlost; snímač polohy namontovaný na hřídeli poskytuje potřebnou zpětnou vazbu servoovladače. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Řízení BLDC motorů vyžaduje přesné časování proudu, který napájí cívky statoru motoru. Ke zvýšení výkonu a přesnosti se často používá zpětná vazba s uzavřenou smyčkou. U konstrukcí implementujících vektorové řízení (FOC) (více o FOC později) lze k tomuto účelu použít kodér pro snímání polohy rotoru společně se snímáním proudu cívky).

Vícefázový servoovladač/řadič motoru Trinamic TMC4671-LA je integrovaný obvod speciálně navržený pro tento účel, který je pevně propojený s vestavěným algoritmem FOC pro motory BLDC (obrázek 4).

Obrázek 4: servoovladač/řadič motoru Trinamic TMC4671-LA, navržený pro BLDC motory, je pevně propojen s vestavěným algoritmem FOC. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Lze jej používat i pro jiné typy motorů, např. pro synchronní motory s permanentními magnety (PMSM), stejně jako pro dvoufázové krokové motory, stejnosměrné motory a ovladače kmitací cívky. Všimněte si, že rozdíl mezi BLDC a PMSM motorem spočívá ve skutečnosti, že BLDC motor je stejnosměrným motorem (DC), zatímco PMSM je motor na střídavý proud (AC). BLDC motor je tedy elektronicky komutovaný stejnosměrný motor, který nemá fyzickou sestavu komutátoru; naproti tomu PMSM je střídavý synchronní motor, který využívá permanentní magnety k zajištění potřebného buzení pole.

Obvod TMC4671-LA používá pro komunikaci se svým mikrokontrolérem základní rozhraní SPI nebo UART. Implementuje všechny potřebné řídicí funkce a vlastnosti v hardwaru společně s monitorováním chyb/poruch. Zahrnuje integrované analogově-digitální převodníky (ADC), rozhraní snímačů polohy, interpolátory polohy a další funkce nezbytné k tomu, aby bylo možné vytvořit kompletní řídicí jednotku pro širokou škálu servo aplikací.

Tato funkce je kriticky důležitá pro splnění úkolu řízení motoru BLDC, protože tyto algoritmy jsou velmi sofistikované. Naštěstí se o komplikovaná specifika plně stará IO, a tyto detaily tak nejsou zátěží pro konstruktéra ani pro systémový mikrokontrolér (obrázek 5).

Obrázek 5: servoovladač/řadič TMC4671-LA obsahuje a spouští více propojených funkčních bloků potřebných pro komplexní a přesné řídicí funkce motoru BLDC, jako je FOC, čímž od tohoto úkolu odlehčuje konstruktéra a hostitelský procesor. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Jeho frekvence řídicí smyčky 100 kHz, která je pětkrát vyšší než frekvence 20 kHz mnoha ovladačů BLDC, přináší zásadní výhody, ke kterým patří rychlejší doba ustálení, rychlejší odezva na příkazy řízení točivého momentu, lepší stabilita polohy a nižší riziko nadproudových situací. Posledně jmenovaný problém může potenciálně poškodit řadič motoru nebo samotný motor.

Alternativou k BLDC motoru je krokový motor. Tento motor je vhodný pro polohování v otevřené smyčce nebo pro rychlostní provoz, a poskytuje také vysoký točivý moment při nízkých a středních rychlostech (obrázek 6). Obecně jsou krokové motory se srovnatelným výkonem levnější než BLDC motory, ale mají provozní problémy, které je třeba řešit.

Obrázek 6: ovladač krokového motoru má v porovnání s ovladačem motoru BLDC má přímější cestu od hostitele k motoru a jeho řadičům. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Na první pohled se tok signálu u ovladače krokového motoru zdá být o něco jednodušší než u ovladače BLDC motoru. I tomu tak v určitém smyslu může být, přesný a účinný ovladač krokového motoru musí poskytovat specifické funkce, aby vyhovoval jeho potřebám.

IO, jako např. vysoce výkonný ovladač a řadič TMC5130A se sériovým komunikačním rozhraním - zaměřený na dvoufázové krokové motory - je navržený tak, aby minimalizoval nebo odstraňoval související problémy (obrázek 7).

Obrázek 7: obvod TMC5130A je vysoce výkonný integrovaný ovladač a řadič se sériovým komunikačním rozhraním zaměřený na dvoufázové krokové motory. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Tato součástka kombinuje flexibilní rampový generátor pro automatické určování polohy cíle s vysoce pokročilým řadičem krokového motoru. Zahrnuje také interní tranzistory MOSFET, které mohou do cívky přímo dodávat proud až 2 A (2,5 A ve špičce) a nabízí rozlišení 256 mikrokroků na plný krok.

Obvod TMC5130A však přesahuje rámec základního řízení krokového motoru, protože řeší některé problémy, kterým konstruktéři při volbě tohoto typu motoru čelí. Ke dvěma nejvýznamnějším obavám patří slyšitelný hluk, který motor generuje během krokování, a také „hladkost“ chodu motoru. Ačkoli se nemusí jednat o problém v prostředích, jako jsou průmyslové aplikace, při použití PTZ sledování může být tento jev znepokojující až kontraproduktivní.

V reakci na první problém obvod TMC5130A implementuje technologii StealthChop, patentovaný chopper s pulzně šířkovou modulací (PWM), který moduluje proud na základě pracovního cyklu (obrázek 8). Tato funkce je optimalizována pro nízké až střední rychlosti a dramaticky snižuje slyšitelný hluk.

Obrázek 8: technologie StealthChop v obvodu TMC5130A moduluje proudový pohon na základě pracovního cyklu, čímž výrazně snižuje slyšitelný hluk krokového motoru. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Pro druhý problém používá obvod TMC5130A patentovanou technologii přerušování proudu s názvem SpreadCycle. Toto schéma přerušování proudu motoru po cyklech využívá pomalý pokles fází pohonu, což snižuje elektrické ztráty a zvlnění točivého momentu. Využívá hysterezní zprůměrování proudu motoru vzhledem k cílovému proudu, čímž proud motoru dostává sinusový průběh, a to i při vysokých rychlostech (obrázek 9).

Obrázek 9: schéma přerušování proudu po cyklech pomocí technologie SpreadCycles s tranzistory MOSFET v obvodu TMC5130A snižuje elektrické ztráty a zvlnění točivého momentu. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Další unikátní funkce obvodu TMC5130A zahrnují detekci blokování motoru StallGuard a dynamicky adaptivní proudový pohon CoolStep, přičemž druhá jmenovaná funkce využívá první funkci.

Funkce StallGuard poskytující bezsenzorovou detekci zátěže prostřednictvím zpětné elektromotorické síly (EMF) dokáže zastavit motor během jednoho plného kroku, čímž chrání motor i jeho řadič. Další výhodou této funkce je možnost nastavení citlivosti podle požadavků aplikace. Funkce CoolStep upravuje proud motoru na základě hodnoty odečtu zpětné elektromotorické síly (EMF) funkce StallGuard. Může snížit proud motoru o 75 % v situacích nízké zátěže, což vede k úspoře energie a menšímu vývinu tepla.

Pokud je vyžadován pohon dvou dvoufázových krokových motorů namísto jednoho, který podporuje obvod TMC5130A, lze využít obvod TMC5072 s mnoha stejnými funkcemi (obrázek 10). Může řídit dvě nezávislé cívky s proudem až 1,1 A na cívku (1,5 A ve špičce); dva řadiče paralelním zapojení mohou dodávat proud až 2,2 A (3 A ve špičce) do jedné cívky.

Obrázek 10: obvod TMC5072 je verze obvodu TMC5130A se dvěma řadiči; dva nezávislé výstupy lze používat paralelně. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Řízení FOC mění scénář

Je zde také otázka zpětné vazby polohy od motoru. Krokové motory nevyžadují zpětnou vazbu, ale často ji přidávají, aby bylo zajištěno vysoce přesné řízení, zatímco konstrukce bezkartáčových motorů (BLDC) ji vyžadují. Zpětná vazba se běžně implementuje pomocí kodéru (typicky založeného na Hallově sondě nebo optických kodérech), je však omezena rychlostí aktualizace a rozlišením a také zátěží zpracování, kterou přidává do systému.

U BLDC motorů existuje další možnost ovládání. Řízení orientované na pole (FOC), také známé jako vektorové řízení (VC), bylo navrženo pro řešení problémů souvisejících s rychlostí aktualizace zpětné vazby a rozlišením, jakož i s náklady na kodér a problémy s instalací.

Stručně řečeno, řízení FOC je schéma regulace proudu pro motory, které využívá orientaci magnetického pole a polohu rotoru motoru. Vychází z „prostého“ zjištění, že na rotor elektromotoru působí dvě složky síly. Jedna složka, nazývaná přímá nebo I_D, působí pouze v radiálním směru, zatímco druhá složka, kvadratura neboli I_Q, aplikuje točivý moment tangenciálním tahem (obrázek 11).

Obrázek 11: princip, který inspiroval vznik řízení FOC je zjištění, že rotor je vystaven dvěma ortogonálním silám, jedné radiální k ose rotoru a druhé tangenciální. (Zdroj obrázku: Analog Devices).

Ideální funkce FOC provádí regulaci proudu v uzavřené smyčce, kdy výsledkem je čistý proud generující točivý moment (I_Q) bez stejnosměrné složky, tedy I_D. Poté upraví sílu hnacího proudu tak, aby motor poskytoval požadovanou velikost točivého momentu. Jednou z mnoha funkcí řízení FOC je maximalizace aktivního výkonu a minimalizace výkonu při volnoběhu.

FOC je energeticky účinná koncepce ovládání elektromotoru. Vykazuje dobrou funkci v podmínkách vysoké dynamiky a rychlosti motoru, a díky svým vlastnostem regulace v uzavřené smyčce přispívá ke zvýšení jiskrové bezpečnosti. K měření velikosti a fáze proudu pomocí cívky statoru a úhlu rotoru využívá standardní odporové snímání. Změřený úhel rotoru je pak přizpůsoben magnetickým osám. Úhel rotoru se měří pomocí Hallovy sondy nebo polohového kodéru, čímž se stane známý směr magnetického pole od rotoru.

Od pouhého zkoumání funkce FOC ke kompletnímu schématu řízení motoru však vede dlouhá a extrémně složitá cesta. Řízení FOC vyžaduje znalost některých statických parametrů, včetně počtu párů pólů motoru, počtu impulzů kodéru na otáčku, orientace kodéru vzhledem k magnetické ose rotoru, stejně jako směru čítání kodéru spolu s některými dynamickými parametry, jako jsou fázové proudy a orientace rotoru.

Nastavení proporcionálních a integrálních (P a I) parametrů dvou PI regulátorů používaných pro řízení fázových proudů v uzavřené smyčce je dále závislé na elektrických parametrech motoru. Mezi tyto parametry patří odpor, indukčnost, konstanta zpětné elektromotorické síly (EMF) motoru (což je také jeho momentová konstanta) a napájecí napětí.

Problém, kterému konstruktéři čelí při aplikaci funkce FOC, je vysoký počet stupňů volnosti všech parametrů. Zatímco vývojové diagramy a dokonce i zdrojový kód funkce FOC jsou široce dostupné, skutečný „dopravitelný“ kód potřebný k jeho implementaci je složitý a sofistikovaný. Zahrnuje vícenásobné souřadnicové transformace - Clarkeovu transformaci, Parkovou transformaci, inverzní Parkovou transformaci a inverzní Clarkeovu transformaci - formulované jako soubor maticových násobení, stejně jako intenzivní opakované výpočty. Na internetu je k dispozici mnoho výukových programů FOC, od kvalitativních, bez rovnic/jednoduchých až po hluboce matematické; datový list TMC4671 spadá doprostřed a stojí za to si jej prohlédnout.

Pokus o implementaci funkce FOC pomocí firmwaru vyžaduje značný výpočetní výkon a prostředky jednotky CPU, čímž omezuje konstruktéry při výběru procesoru. Při použití obvodu TMC4671 však konstruktéři mohou vybírat z mnohem širší škály mikroprocesorů a dokonce i mikrokontrolérů nižší třídy, a současně se zbavit problémů s kódováním, jako je zpracování přerušení a přímý přístup do paměti. Stačí pouze připojení k obvodu TMC4671 prostřednictvím jeho komunikačních portů SPI (nebo UART), protože programování a návrh softwaru je redukován na inicializaci a nastavení cílových parametrů.

Nezapomeňte na řidiče

Zatímco některé integrované obvody na řízení motoru, například TMC5130A a TMC5072 pro krokové motory, obsahují funkci hradového budiče s proudem přibližně 2 A, jiné integrované obvody, jako je TMC4671-LA pro motory BLDC, tuto funkci nemají. Pro tyto situace jsou vhodné obvody, které tuto potřebnou funkci přidávají, např. IO s hradovým polomůstkovým budičem TMC6100-LA-T (obrázek 12). Tento trojitý polomůstkový hradový budič s tranzistory MOSFET je dodáván v pouzdru QFN 7 × 7 mm, poskytuje budicí proud až 1,5 A a je vhodný pro řízení externích tranzistorů MOSFET, které dodávají do cívky proud až 100 A.

Obrázek 12: integrovaný polomůstkový hradlový budič TMC6100-LA-T poskytuje budicí proud až 1,5 A a je vhodný pro řízení externích tranzistorů MOSFET, které dodávají do cívky proud až 100 A. (Zdroj obrázku: Analog Devices).

Obvod TMC6100-LA-T obsahuje softwarovou regulaci budicího proudu pro interní optimalizaci nastavení systému. Obsahuje také programovatelné bezpečnostní funkce, jako je detekce zkratu a prahové hodnoty přehřátí. Takové řešení společně s rozhraním SPI pro diagnostiku podporuje robustní a spolehlivé návrhy.

Pro další urychlení uvedení na trh a usnadnění optimalizace parametrů a ladění ovladače nabízí společnost Trinamic univerzální vyhodnocovací desku TMC6100-EVAL (obrázek 13). Tato jednotka umožňuje pohodlnou manipulaci s hardwarem, jakož i uživatelsky přívětivý softwarový nástroj na vyhodnocování. Systém se skládá ze tří částí: základní desky, konektorové desky s několika testovacími body, desky TMC6100-EVAL a FOC řadiče TMC4671-EVAL.

Obrázek 13: univerzální vyhodnocovací deska TMC6100-EVAL usnadňuje optimalizaci parametrů budiče jeho vyladění tak, aby odpovídal stavu motoru a zátěže. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Závěr

Videokamery pro dohled a bezpečnost jsou mocným nástrojem pro omezení fyzického cestování a související spotřeby energie. Často využívají napájení PoE a jsou rozšířeny o funkce PTZ poháněné motorem, tato ovládací funkce je však složitá. Bylo ukázáno, že díky začlenění různých funkcí vyžadovaných pro efektivní řízení motoru, podle potřeby také pomocí hradových budičů, poskytují IO od společnosti Trinamic hladký a přesný pohyb a polohování bezkartáčových a krokových stejnosměrných motorů používaných pro funkce PTZ.

Společnost Trinamic nabízí konstruktérům širokou škálu řešení, která urychlují implementaci účinných a přesných systémů řízení motoru přizpůsobených potřebám aplikace. Tyto produkty řeší problémy v oblasti hardwaru, čímž minimalizují celkovou složitost návrhu a softwaru.

Související obsah

1. Řadič a ovladač krokového motoru TMC5130 s technologií StealthChop™ (školicí modul)
2. Integrovaný ovladač a řadič dvouosého krokového motoru s technologií StealthChop™