Hoe ontwerpen voor een veiligere wereld met energie-efficiënte PTZ-IC's voor bewakingscamera's

Het gebruik van videobewaking blijft zich uitbreiden, deels onder impuls van ontwikkelingen op het gebied van kunstmatige intelligentie (AI) als onderdeel van verschillende "slimme steden"-initiatieven met slimme, geautomatiseerde bewaking van openbare straten, steegjes en verzamelplaatsen. Er is ook een toenemend gebruik van videobewaking in gesloten ruimten zoals kantoren, winkels, woonlobby's, supermarkten, musea, bouwplaatsen, industriële omgevingen en magazijnen voor veiligheid en beveiliging. Dit wijdverbreide gebruik, gecombineerd met de eisen van op AI gebaseerde analyse, betekent dat ontwerpers concurreren om de efficiëntie en prestaties van systemen te verbeteren en tegelijkertijd de kosten te verlagen.

Deze verbeteringen kunnen grotendeels worden bereikt door een combinatie van compacte, energiezuinige, gevoelige beeldvormende IC's met hoge resolutie in combinatie met slimme, nauwkeurige bewegingsbesturingsystemen. Door elementen van deze benadering te gebruiken, kunnen ontwerpers energie-efficiënte videobewaking op afstand mogelijk maken, waardoor het steeds vaker niet meer nodig is dat iemand een gebied of pand fysiek controleert vanwege dubbelzinnige beelden of incidenten die zich buiten het gezichtsveld van een camera bevinden.

Zoals bij elk groeiend toepassingsgebied zijn er echter diverse technische uitdagingen die moeten worden overwonnen, waarvan vele rechtstreeks kunnen worden aangepakt met energie-efficiënte elektronische subsystemen voor pan-, tilt- en zoomsystemen (PTZ) voor camera's.

In dit artikel wordt ingegaan op de rol van PTZ bij bewaking en wordt besproken hoe energie-efficiënte, nauwkeurige, energiezuinige motor- en bewegingsbesturingselektronica voor de aansturing van PTZ-functies essentieel is voor de implementatie van videobewakingssystemen. Vervolgens wordt de toepassing van bewegingsbesturing-IC's van TRINAMIC Motion Control GmbH, nu onderdeel van Analog Devices, Inc. geïntroduceerd en bestudeerd . Ook worden evaluatieborden beschreven.

Effectieve bewaking verbeterd met PTZ-bewegingsbesturing

Of het nu gaat om beveiligingsinstallaties of procesbewaking, moderne videobewakingssystemen zijn veel meer dan een camera die in een vaste oriëntatie op een doelgebied is gericht. In plaats daarvan maakt AI efficiënter gebruik van vastgelegde beelden door valse alarmen te verminderen en te zorgen voor een optimale inzet van middelen, terwijl het gebruik van gemotoriseerde PTZ de camera in staat stelt van links naar rechts te scannen (pan) en op en neer te bewegen (tilt), waardoor het in de gaten gehouden gebied opnieuw wordt gedefinieerd (Afbeelding 1). Zowel AI als PTZ dragen bij tot een efficiëntere en over het algemeen "groenere" benadering van bewaking. In het geval van PTZ en afhankelijk van het systeemontwerp kan de beweging autonoom door de camera-assemblage worden gestuurd, op afstand worden bestuurd door een beveiligingssysteem, of zelfs handmatig worden bediend.

Afbeelding 1: Een bewakingscamera met pan, tilt en tilt van links naar rechts en in- en uitzoom (PTZ) biedt veel meer flexibiliteit dan een statische vaste camera. (Bron afbeelding: Aximmetry Technologies Ltd.)

Deze beweging van de camera via pan en tilt ondervangt het dilemma van het gebruik van een groothoeklens en een breed gezichtsveld (FOV) waarmee een groter gebied kan worden vastgelegd, maar ten koste van het detail van de scène en met de introductie van krommingsvervorming. PTZ biedt ook kostenbesparingen voor een beveiligingssysteem, omdat één camera het werk van vele statische camera's kan doen.

De beweging van de camera kan via verschillende technieken worden gestuurd. Bewakingscamera's met PTZ-mogelijkheid ondersteunen vaak ook meerdere vooraf ingestelde posities waar de gebruiker de gewenste te bewaken posities kan specificeren, samen met de geplande volgorde en timing van het stappen van positie naar positie. Dit zorgt voor bewaking op afstand van een groot gebied zonder input van de gebruiker.

Elektronica afstemmen op PTZ-motors

Terwijl bewegingsbesturing de kern vormt van PTZ-implementatie, zijn belangrijke factoren in effectieve PTZ-systemen soepele en nauwkeurige tracking via superieure motorbesturing. Ontwerpers kunnen zowel borstelloze DC-motors als de meer uitdagende - maar vaak voordelige - stappenmotors overwegen voor hoge precisie en kunnen de nodige soepelheid en nauwkeurigheid bereiken met behulp van ADI's Trinamic-technologie en IC's.

Een laag stroomverbruik is ook van cruciaal belang. Veel bewakingscamera's met geavanceerde PTZ-besturing zijn nu apparaten met Power over Ethernet (PoE). De nieuwste PoE-norm (IEEE 802.3bt-2018) ondersteunt tot 100 watt per Ethernet-kabelverbinding.

Ontwerpers van PTZ-systemen hebben drie keuzes voor het motortype, en de keuze bepaalt welke besturings IC's worden gebruikt. De opties zijn de klassieke geborstelde gelijkstroommotor, de borstelloze gelijkstroommotor (BLDC) en de stappenmotor (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: De drie basisgelijkstroommotors zijn de eerbiedwaardige borstel-, borstelloze en stappenmotors. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Elke motoropstelling heeft compromissen in mogelijkheden, prestaties en beheers-/controlebehoeften:

De geborstelde gelijkstroommotor was de eerste gelijkstroommotor die werd ontwikkeld en wordt al meer dan 100 jaar met succes gebruikt. Hij is eenvoudig van ontwerp maar moeilijk te controleren en werkt het best in situaties met een open einde en niet met een precieze positionering of stop-and-go-operatie. Verder zijn de borstels aan slijtage onderhevig, hebben ze betrouwbaarheidsproblemen en kunnen ze onaanvaardbare elektromagnetische interferentie (EMI) veroorzaken. Hoewel hij nog steeds wordt gebruikt in goedkope massatoepassingen zoals speelgoed, en zelfs in enkele hoogwaardige toepassingen zoals medische infuuspompen, is hij in het algemeen geen haalbare optie voor PTZ-ontwerpen.

De BLDC-motor (ook elektronisch gecommuteerde motor of EC-motor genoemd) is zeer geschikt voor gesloten-lus ontwerpen met een positiesensor, die ook kan worden gebruikt voor snelheidsregeling (Afbeelding 3). Hij kan hoge snelheden en een lange levensduur bereiken terwijl hij een hoge vermogensdichtheid heeft.

Afbeelding 3: De BLDC-motor wordt meestal gebruikt in een gesloten-lusopstelling voor positioneringsprecisie en hoge snelheid; een op de as gemonteerde positiesensor levert de nodige feedback aan de servocontroller. (Bron afbeelding: Analog Devices)

De besturing van BLDC-motors vereist een nauwkeurige timing van de stroom die de statorspoelen van de motor bekrachtigt. Om de prestaties en de precisie te verbeteren, wordt vaak gebruik gemaakt van gesloten terugkoppeling. Hiervoor kan een encoder worden gebruikt om de rotorpositie te meten, samen met spoelstroomdetectie voor ontwerpen met veldgerichte besturing (FOC) (waarover later meer).

De Trinamic TMC4671-LA meerfasige servoregelaar/motordriver is een IC die speciaal voor deze taak is ontworpen, en is voorzien van een ingebouwd FOC-algoritme voor BLDC-motors (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: De Trinamic TMC4671-LA servoregelaar/motordriver, ontworpen voor BLDC-motors, is voorzien van een ingebouwd FOC-algoritme. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Hij kan ook worden gebruikt voor andere motortypes, zoals synchrone motors met permanente magneet (PMSM's), alsook tweefasige stappenmotors, gelijkstroommotors en spreekspoelactuators. Het verschil tussen de BLDC-motor en de PMSM is dat eerstgenoemde een gelijkstroommotor is, terwijl de PMSM een wisselstroommotor is. De BLDC-motor is dus een elektronisch gecommuteerde gelijkstroommotor zonder fysieke commutator; de PMSM daarentegen is een AC-synchrone motor die gebruik maakt van permanente magneten om de nodige veldbekrachtiging te leveren.

De TMC4671-LA gebruikt een basis SPI- of UART-interface om te communiceren met zijn microcontroller. Het implementeert alle vereiste besturingsfuncties en functies in hardware, samen met de bewaking van fouten. Hij omvat geïntegreerde analoog-digitaalconvertors (ADC's), interfaces voor positiesensors, positie-interpolators en andere functies die nodig zijn om een complete besturing voor een groot aantal servotoepassingen mogelijk te maken.

Deze functionaliteit is essentieel om de uitdaging van de besturing van BLDC-motors aan te gaan, aangezien deze algoritmen zeer geavanceerd zijn. Gelukkig worden ingewikkelde details volledig verzorgd door het IC, zodat deze details geen last vormen voor de ontwerpingenieur of de systeemmicrocontroller (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: De TMC4671-LA bevat en voert de meervoudig gekoppelde functionele blokken uit die nodig zijn voor complexe, nauwkeurige BLDC-besturingsfuncties, zoals FOC, waardoor de ontwerper en de hostprocessor van deze taak worden ontlast. (Bron afbeelding: Analog Devices)

De 100 kilohertz (kHz) regelkringfrequentie, vijf keer hoger dan de 20 kHz frequentie van veel BLDC-regelaars, biedt belangrijke voordelen zoals een snellere settlingtijd, een snellere reactie op koppelregelcommando's, een betere positiestabiliteit en minder risico op overstroom. Die laatste zijn potentieel schadelijk voor de motorbestuurder of de motor.

De stappenmotor is een alternatief voor de BLDC-motor. Deze motor is zeer geschikt voor open-loop positionering of snelheidsregeling, en levert een hoog koppel bij lage en middelhoge snelheden (Afbeelding 6). In het algemeen zijn stappenmotors met vergelijkbare prestaties minder duur dan BLDC-motors, maar zij hebben operationele uitdagingen die moeten worden aangepakt.

Afbeelding 6: In vergelijking met de BLDC-motorbesturing heeft de stappenmotorbesturing een directer pad van de host naar de motordrivers en de motor. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Op het eerste gezicht lijkt de signaalstroom van de stappenmotorbesturing iets eenvoudiger dan die van de BLDC-motorbesturing. Hoewel dit in sommige opzichten waar is, moet een nauwkeurige en doeltreffende stappenmotorbesturing de specifieke functies bieden om aan de behoeften van die motor te voldoen.

IC's zoals de TMC5130A, een high-performance controller en driver IC met seriële communicatie-interfaces - en die gericht is op tweefasige stappenmotors - is ontworpen om de bijbehorende problemen te minimaliseren of te elimineren (Afbeelding 7).

Afbeelding 7: De TMC5130A is een krachtige controller en driver IC met seriële communicatie-interfaces voor tweefasige stappenmotors. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Dit apparaat combineert een flexibele rampgenerator voor automatische doelpositionering met een zeer geavanceerde stappenmotordriver. Hij bevat ook interne MOSFET's die rechtstreeks tot 2 ampère (A) spoelstroom (2,5 A piek) kunnen leveren en heeft een resolutie van 256 microstappen per volledige stap.

De TMC5130A gaat echter verder dan alleen het aansturen van stappenmotors, omdat het een aantal uitdagingen aanpakt waarmee ontwerpers te maken krijgen wanneer ze besluiten dit motortype te gebruiken. De twee meest opvallende en merkbare problemen zijn het hoorbare geluid dat de motor maakt tijdens het stappen, en de "soepelheid" van de motorwerking. Hoewel dit geen probleem kan zijn in instellingen zoals industriële toepassingen, kan het verontrustend en zelfs contraproductief zijn bij PTZ-bewaking.

Voor de eerste uitdaging implementeert de TMC5130A StealthChop, een eigen op spanning gebaseerde pulsbreedtemodulatie (PWM) chopper die de stroom moduleert op basis van de duty cycle (Afbeelding 8). Deze voorziening is geoptimaliseerd voor lage tot gemiddelde snelheden en vermindert het hoorbare geluid aanzienlijk.

Afbeelding 8: De StealthChop-techniek in de TMC5130A moduleert de stroomaandrijving op basis van de duty cycle, waardoor het hoorbare geluid van de stappenmotor sterk wordt verminderd. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Voor de tweede uitdaging gebruikt de TMC5130A SpreadCycle, een eigen current-chopping-techniek. Deze cyclus-voor-cyclus, op stroom gebaseerde aandrijf-chopping regeling implementeert een langzaam verval van de aandrijffasen, waardoor elektrische verliezen en koppelrimpels worden verminderd. Het gebruikt een op hysteresis gebaseerde middeling van de motorstroom naar de doelstroom, wat een sinusgolf oplevert voor de motorstroom, zelfs bij hoge snelheden (Afbeelding 9).

Afbeelding 9: Het SpreadCycle cyclus-voor-cyclus stroomgebaseerde MOSFET-choppingschema in de TMC5130A vermindert elektrische verliezen en koppelrimpel. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Andere unieke kenmerken van de TMC5130A zijn de StallGuard motor-stopdetectie en CoolStep dynamisch adaptieve stroomaandrijving.

StallGuard biedt sensorloze ladingsdetectie via elektromotorische kracht aan de achterkant (EMF) en kan een motor binnen één volledige stap stoppen, waardoor de motorbestuurder en de motor worden beschermd. Bovendien kan de gevoeligheid worden aangepast aan de eisen van de toepassing. CoolStep past de motorstroom aan op basis van de back-EMF StallGuard-meting. Hij kan de motorstroom met 75% verminderen bij lage belasting, wat leidt tot energiebesparing en minder warmteontwikkeling.

Bij het aandrijven van twee tweefasige stappenmotors in plaats van een enkele, zoals ondersteund door de TMC5130A, is de TMC5072 beschikbaar met veel van dezelfde functies (Afbeelding 10). Hij kan twee onafhankelijke spoelen aansturen met maximaal 1,1 A stroom per spoel (1,5 A piek); de twee drivers kunnen ook parallel geschakeld worden om een enkele spoel 2,2 A (3 A piek) te leveren.

Afbeelding 10: De TMC5072 is een dual-driver versie van de TMC5130A; de twee onafhankelijke uitgangen kunnen parallel worden gebruikt. (Bron afbeelding: Analog Devices)

FOC verandert het scenario

Er is ook de kwestie van de positieterugkoppeling van de motor. Stappenmotors vereisen geen terugkoppeling, maar voegen die vaak toe om een zeer nauwkeurige regeling te waarborgen, terwijl BLDC-ontwerpen dat wel vereisen. Terugkoppeling wordt gewoonlijk toegepast met een encoder (meestal gebaseerd op Hall-effectsensors of optische encoders), maar deze wordt beperkt door de updatefrequentie en -resolutie en door de verwerkingslast die het systeem met zich meebrengt.

Voor BLDC-motors is er een andere regelmogelijkheid. Veldgerichte regeling (FOC) - ook bekend als vectorregeling (VC) - werd bedacht om problemen aan te pakken in verband met de snelheid en resolutie van de terugkoppeling, alsmede de kosten van de encoder en installatieproblemen.

Kort gezegd is FOC een stroomregeling voor motoren die gebruik maakt van de oriëntatie van het magnetisch veld en de positie van de motorrotor. Het is gebaseerd op de "eenvoudige" waarneming dat twee krachtcomponenten op de rotor van een elektromotor werken. De ene component, direct of I_D genoemd, trekt alleen in radiale richting, terwijl de andere component, quadratuur of I_Q, het koppel uitoefent door tangentieel te trekken (Afbeelding 11).

Afbeelding 11: Het principe dat ten grondslag ligt aan FOC is de vaststelling dat een rotor onderhevig is aan twee orthogonale krachten, één radiaal op de rotoras en één tangentieel. (Bron afbeelding: Analog Devices).

De ideale FOC biedt een gesloten-lusregeling van de stroom, die resulteert in een zuivere koppelgenererende stroom (I_Q) - zonder gelijkstroom, I_D. Vervolgens wordt de aandrijfstroomsterkte aangepast zodat de motor het beoogde koppel levert. Een van de vele kenmerken van FOC is dat het actief vermogen maximaliseert en inactief vermogen minimaliseert.

FOC is een energie-efficiënte benadering van de aansturing van een elektromotor. Het werkt goed in omstandigheden van hoge motordynamiek en hoge snelheid, en draagt bij tot de intrinsieke veiligheidsfunctionaliteit dankzij de gesloten-lusregeling. Het maakt gebruik van standaard op weerstand gebaseerde stroomdetectie om de stroomsterkte en -fase door de spoelen van de stator en de hoek van de rotor te meten. De gemeten hoek van de rotor wordt dan aangepast aan de magnetische assen. De rotorhoek wordt gemeten met behulp van een Hall-sensor of positie-encoder, zodat de richting van het magnetische veld van de rotor bekend is.

Er is echter een lange en uiterst complexe weg van de FOC-waarnemingen naar een volledig motorbesturingssysteem. FOC vereist kennis van enkele statische parameters zoals het aantal motorpoolparen, het aantal encoderimpulsen per omwenteling, de encoderoriëntatie ten opzichte van de magnetische as van de rotor, alsmede de telrichting van de encoder, samen met enkele dynamische parameters zoals de fasestromen en de rotororororiëntatie.

Voorts is de aanpassing van de proportionele en integrale (P en I) parameters van de twee PI-regelaars die worden gebruikt voor de gesloten-lusregeling van de fasestromen afhankelijk van de elektrische parameters van de motor. Deze parameters omvatten de weerstand, de inductie, de back EMF-constante van de motor (die ook de koppelconstante van de motor is) en de voedingsspanning.

De uitdaging voor ontwerpers bij de toepassing van FOC is het grote aantal vrijheidsgraden in alle parameters. Hoewel de stroomschema's en zelfs de broncode voor FOC in ruime mate beschikbaar zijn, is de eigenlijke "verzendbare" code die nodig is om deze te implementeren complex en gesofisticeerd. Het omvat meerdere coördinatentransformaties - de Clarke-transformatie, de Park-transformatie, de inverse Park-transformatie en de inverse Clarke-transformatie - geformuleerd als een reeks matrixvermenigvuldigingen, en intensieve herhaalde berekeningen. Er zijn veel FOC-tutorials online beschikbaar, variërend van kwalitatieve, vergelijkingsvrije/lichte tot intens wiskundige; de TMC4671 datasheet ligt in het midden en is het bekijken waard.

Pogingen om FOC via firmware te implementeren vereisen aanzienlijke rekenkracht en middelen van de CPU en beperken de ontwerper dus bij de keuze van de processor. Door de TMC4671 te gebruiken, kunnen ontwerpers echter kiezen uit een veel breder scala van microprocessoren en zelfs low-end microcontrollers, terwijl ze ook vrij zijn van coderingsproblemen zoals interruptverwerking en directe geheugentoegang. Alles wat nodig is, is een verbinding met de TMC4671 via zijn SPI (of UART) communicatiepoorten, aangezien programmering en softwareontwerp beperkt blijven tot het initialiseren en instellen van doelparameters.

Vergeet de driver niet

Terwijl sommige motor control IC's, zoals de TMC5130A en TMC5072 voor stappenmotoren, motorgate-driverfunctionaliteit bevatten met ongeveer 2 A aandrijving, doen andere IC's, zoals de TMC4671-LA voor BLDC-motors, dat niet. Voor deze situaties voegen apparaten zoals het TMC6100-LA-T half-brug gatedriver-IC de benodigde mogelijkheden toe (Afbeelding 12). Deze triple half-bridge MOSFET gate driver wordt geleverd in een 7 × 7 millimeter (mm) QFN-pakket, levert tot 1,5 A aandrijfstroom, en is geschikt voor het aansturen van externe MOSFET's die tot 100 A spoelstroom aankunnen.

Afbeelding 12: Het TMC6100-LA-T half-brug gatedriver-IC levert tot 1,5 A aandrijfstroom en is geschikt voor het aansturen van externe MOSFET's die tot 100 A spoelstroom leveren. (Bron afbeelding: Analog Devices).

De TMC6100-LA-T beschikt over softwarecontrole van de aandrijfstroom voor optimalisatie van de instellingen in het systeem. Hij bevat ook programmeerbare veiligheidsfuncties zoals kortsluitingsdetectie en overtemperatuurdrempels; samen met een SPI-interface voor diagnose ondersteunt dit robuuste en betrouwbare ontwerpen.

Om de time-to-market verder te versnellen en de optimalisatie van parameters en tuning van de driver te vergemakkelijken, biedt Trinamic de TMC6100-EVAL universele evaluatiekaart (Afbeelding 13). Dit apparaat biedt een gemakkelijke bediening van de hardware en een gebruiksvriendelijke softwaretool voor evaluatie. Het systeem bestaat uit drie onderdelen: een basiskaart, een aansluitbord met verschillende testpunten, de TMC6100-EVAL, plus een TMC4671-EVAL FOC-controller.

Afbeelding 13: Het universele evaluatiebord TMC6100-EVAL vergemakkelijkt het optimaliseren van de driverparameters en het afstemmen van de driver op de motor en de belasting. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Conclusie

Videocamera's voor bewaking en beveiliging zijn een krachtig instrument om fysieke verplaatsingen en het bijbehorende energieverbruik terug te dringen. Ze maken vaak gebruik van PoE en worden uitgebreid met motorgestuurde PTZ-besturing, maar deze besturingsfunctie is complex. Zoals getoond, door het integreren van de verschillende functies die nodig zijn voor effectieve motorbesturing en het gebruik van gate drivers waar nodig, zorgen de IC's van Trinamic voor soepele en nauwkeurige bewegingen en positionering voor de borstelloze en stappen DC-motors die gebruikt worden voor PTZ.

Trinamic biedt ingenieurs een breed scala aan oplossingen die de implementatie van efficiënte, nauwkeurige motorbesturingssystemen op maat van de toepassing versnellen. Deze producten pakken de uitdagingen in de hardware aan, waardoor de totale complexiteit van het ontwerp en de software tot een minimum wordt beperkt.

Gerelateerde inhoud

1. TMC5130-stappenmotordriver en controller met StealthChop™ (trainingsmodule)
2. Dubbelassige stappenmotorbesturing en driver-IC met StealthChop™.