Cum să proiectați pentru o lume mai sigură folosind circuite integrate PTZ pentru camerele de supraveghere cu consum redus de energie

Utilizarea supravegherii video continuă să se răspândească, determinată în parte de evoluțiile din domeniul inteligenței artificiale (AI), ca parte a diferitelor inițiative de „orașe inteligente” cu supraveghere inteligentă și automatizată a străzilor publice, a aleilor și a locurilor de întâlnire. De asemenea, supravegherea video se utilizează tot mai mult în zone închise, cum ar fi birourile, magazinele de vânzare cu amănuntul, holurile clădirilor rezidențiale, supermarketurile, muzeele, șantierele de construcții, mediile industriale și depozitele, pentru motive legate de siguranță și securitate. Această utilizare pe scară largă, combinată cu cerințele analizei bazate pe inteligență artificială, înseamnă că proiectanții se întrec în a îmbunătăți eficiența și performanța sistemului, reducând în același timp costurile.

Aceste îmbunătățiri pot fi realizate, în mare parte, folosind o combinație de circuite integrate de imagistică compacte, de joasă putere, sensibile și de înaltă rezoluție, combinate cu sisteme inteligente și de precizie pentru controlul mișcării. Utilizând elemente ale acestei abordări, proiectanții pot permite o monitorizare video la distanță, cu consum redus de energie, care poate elimina tot mai mult necesitatea ca cineva să verifice fizic o zonă sau o incintă din cauza imaginilor ambigue sau a incidentelor care se află în afara câmpului vizual al unei camere.

Cu toate acestea, la fel ca în cazul oricărui domeniu de aplicații în creștere, există o serie de provocări tehnice care trebuie depășite, multe dintre acestea putând fi abordate în mod direct prin utilizarea unor subsisteme electronice cu consum redus de energie pentru panoramare, înclinare și zoom (PTZ).

Acest articol analizează rolul PTZ în supraveghere și discută despre modul în care electronica de control al motoarelor și al mișcărilor cu consum redus de energie, de precizie și de mică putere pentru controlul funcțiilor PTZ este esențială pentru implementarea sistemelor de supraveghere video. În continuare, prezintă și analizează aplicarea circuitelor integrate de control al mișcării de la TRINAMIC Motion Control GmbH, în prezent parte a Analog Devices, Inc. Sunt descrise și plăcile de evaluare.

Supraveghere eficientă îmbunătățită cu controlul mișcării PTZ

Fie că este vorba de instalații de securitate sau de monitorizarea proceselor, sistemele moderne de supraveghere video sunt mult mai mult decât o simplă cameră cu orientare fixă, îndreptată către o zonă țintă. În schimb, inteligența artificială utilizează mai eficient imaginile capturate, reducând alarmele false și asigurând o utilizare optimă a resurselor, în timp ce utilizarea PTZ motorizat permite camerei să scaneze de la stânga la dreapta (panoramare) și să se deplaseze în sus și în jos (înclinare), redefinind astfel zona supravegheată (Figura 1). Atât inteligența artificială, cât și PTZ contribuie la o abordare mai eficientă și, în general, mai „ecologică” a supravegherii. În cazul camerelor PTZ și în funcție de designul sistemului, mișcarea poate fi dirijată în mod autonom de către ansamblul camerei, controlată de la distanță de un sistem de securitate sau chiar acționată manual.

Figura 1: o cameră de supraveghere cu mișcare panoramică de la stânga la dreapta, înclinare în sus și în jos și apropiere/îndepărtare (PTZ) oferă mult mai multă flexibilitate decât o cameră statică fixă. (Sursa imaginii: Aximmetry Technologies Ltd.)

Această mișcare a camerei prin panoramare și înclinare rezolvă dilema compromisului legat de utilizarea unui obiectiv cu unghi larg și un câmp vizual larg (FOV) care poate captura o zonă mai mare, în detrimentul detaliilor scenei și cu introducerea unei distorsiuni de curbură. De asemenea, funcția PTZ permite realizarea de economii de costuri pentru un sistem de securitate, deoarece o singură cameră poate îndeplini funcția mai multor camere statice.

Mișcarea camerei poate fi dirijată prin diferite tehnici. De asemenea, camerele de supraveghere cu capacitate PTZ suportă adesea mai multe poziții presetate, în care utilizatorul poate specifica pozițiile dorite pentru monitorizare, împreună cu secvențierea programată și sincronizarea trecerii de la o poziție la alta. Aceasta asigură supravegherea de la distanță a unei zone extinse fără intervenția utilizatorului.

Adaptarea componentelor electronice la motoarele PTZ

În timp ce controlul mișcării se află în centrul implementării PTZ, factorii importanți pentru sistemele PTZ eficiente sunt urmărirea lină și precisă prin intermediul unui control superior al motorului. Proiectanții pot lua în considerare atât motoarele de curent continuu fără perii, cât și motoarele pas cu pas mai dificile – dar adesea avantajoase – pentru o precizie ridicată și pot obține mișcarea lină și acuratețea necesare, utilizând tehnologia Trinamic și circuitele integrate ADI.

Funcționarea la putere redusă este, de asemenea, esențială. Multe dintre camerele de supraveghere echipate cu un control PTZ sofisticat sunt acum dispozitive cu Power over Ethernet (PoE). Cel mai recent standard PoE (IEEE 802.3bt-2018) acceptă până la 100 de wați pentru fiecare conexiune prin cablu Ethernet.

Proiectanții de sisteme PTZ au la dispoziție trei opțiuni pentru tipul de motor, iar alegerea determină circuitele integrate de control care urmează să fie utilizate. Opțiunile sunt: motorul clasic de curent continuu cu perii, motorul de curent continuu fără perii (BLDC) și motorul pas cu pas (Figura 2).

Figura 2: cele trei motoare c.c. de bază sunt venerabilele motoare cu perii, fără perii și pas cu pas. (Sursă imagine: Analog Devices)

Fiecare aranjament al motorului are compromisuri în ceea ce privește capacitățile, performanța și cerințele de gestionare/control:

Motorul c.c. cu perii a fost primul motor de curent continuu dezvoltat și se utilizează cu succes de peste 100 de ani. Este simplu din punctul de vedere al proiectării, dar dificil de controlat și funcționează cel mai bine în situații de funcționare liberă, decât în situații de poziționare precisă sau de funcționare cu oprire și pornire repetate. În plus, periile sale sunt supuse uzurii, au probleme de fiabilitate și pot genera interferențe electromagnetice (EMI) inacceptabile. Deși încă este utilizat în aplicații de masă cu costuri reduse, cum ar fi jucăriile, și chiar în unele aplicații de înaltă clasă, cum ar fi pompele de perfuzie medicală, în general nu este o opțiune viabilă pentru proiectele PTZ.

Motorul BLDC (numit și motor cu comutare electronică sau motor EC) se potrivește bine pentru proiectele în buclă închisă cu un senzor de poziție, care poate fi utilizat și pentru controlul vitezei (Figura 3). Acesta poate atinge viteze mari și o durată de viață lungă, având în același timp o densitate mare de putere.

Figura 3: motorul BLDC este cel mai adesea utilizat într-un aranjament în buclă închisă pentru precizie de poziționare și viteză mare; un senzor de poziție montat pe arbore furnizează feedbackul necesar servocontrolerului. (Sursă imagine: Analog Devices)

Controlul motoarelor BLDC necesită o sincronizare precisă a curentului care alimentează bobinele statorului motorului. Pentru a îmbunătăți performanța și precizia, se utilizează adesea feedbackul în buclă închisă. Pentru aceasta, se poate utiliza un codificator pentru a detecta poziția rotorului, împreună cu detectarea curentului bobinei pentru proiectele care implementează controlul orientat pe câmp (FOC) (mai multe despre FOC mai târziu).

Servocontrolerul/driverul motorului cu faze multiple Trinamic TMC4671-LA este un circuit integrat special conceput pentru această sarcină și este cablat cu un algoritm FOC încorporat pentru motoare BLDC (Figura 4).

Figura 4: servocontrolerul/driverul motorului Trinamic TMC4671-LA, proiectat pentru motoare BLDC, este cablat cu un algoritm FOC încorporat. (Sursă imagine: Analog Devices)

De asemenea, poate fi utilizat și pentru alte tipuri de motoare, cum ar fi motoarele sincrone cu magnet permanent (PMSM), precum și pentru motoare pas cu pas bifazate, motoare de curent continuu și actuatoare cu bobină de voce. Rețineți că diferența dintre motorul BLDC și PMSM este că primul este un motor de curent continuu (c.c.), în timp ce PMSM este un motor de curent alternativ (c.a.). Astfel, motorul BLDC este un motor de curent continuu cu comutare electronică care nu are un ansamblu de comutare fizic; în schimb, PMSM este un motor sincron de curent alternativ care utilizează magneți permanenți pentru a asigura excitația necesară a câmpului.

TMC4671-LA utilizează o interfață de bază SPI sau UART pentru a comunica cu microcontrolerul său. Acesta implementează toate funcțiile și caracteristicile de control necesare în hardware, împreună cu monitorizarea stării de eroare/defecțiune. Include convertoare analogice-digitale (ADC) integrate, interfețe pentru senzori de poziție, interpolatoare de poziție și alte funcții necesare pentru a permite un controler complet pentru o gamă largă de aplicații servo.

Această funcționalitate este esențială pentru a face față provocărilor legate de controlul motoarelor BLDC, deoarece acești algoritmi sunt foarte sofisticați. Din fericire, particularitățile complicate sunt preluate în totalitate de circuitul integrat, astfel că aceste detalii nu reprezintă o povară pentru inginerul de proiectare sau pentru microcontrolerul sistemului (Figura 5).

Figura 5: TMC4671-LA conține și execută mai multe blocuri funcționale legate între ele, necesare pentru funcții complexe de control de precizie BLDC, cum ar fi FOC, scutind astfel proiectantul și procesorul gazdă de această sarcină. (Sursă imagine: Analog Devices)

Frecvența buclei de control de 100 de kilohertzi (kHz), care este de cinci ori mai mare decât frecvența de 20 kHz a multor controlere BLDC, oferă beneficii critice care includ un timp de stabilizare mai rapid, un răspuns mai rapid la comenzile de control al cuplului, o mai bună stabilitate a poziției și un risc redus de situații de supracurent. Acestea din urmă sunt potențial dăunătoare pentru driverul motorului sau pentru motor.

Motorul pas cu pas este o alternativă la motorul BLDC. Acest motor este foarte potrivit pentru poziționarea în buclă deschisă sau pentru funcționarea la viteză, precum și pentru a asigura un cuplu ridicat la viteze mici și medii (Figura 6). În general, motoarele pas cu pas cu performanțe comparabile sunt mai puțin costisitoare decât motoarele BLDC, dar acestea au probleme de funcționare care trebuie rezolvate.

Figura 6: în comparație cu controlerul motorului BLDC, controlerul motorului pas cu pas are o cale mai directă de la gazdă la driverele motorului și la motor. (Sursă imagine: Analog Devices)

La prima vedere, fluxul de semnal al controlerului motorului pas cu pas pare a fi ceva mai simplu decât cel al controlerului motorului BLDC. Deși acest lucru este adevărat în unele privințe, un controler de motor pas cu pas precis și eficient trebuie să ofere funcții specifice pentru a satisface nevoile motorului respectiv.

Circuitele integrate, cum ar fi TMC5130A, un controler de înaltă performanță și un circuit integrat de driver cu interfețe de comunicare serială – și care vizează motoarele pas cu pas bifazate – sunt concepute pentru a minimiza sau a elimina problemele asociate (Figura 7).

Figura 7: TMC5130A este un controler de înaltă performanță și un circuit integrat de driver cu interfețe de comunicare serială care vizează motoarele pas cu pas bifazate. (Sursă imagine: Analog Devices)

Acest dispozitiv combină un generator de rampă flexibil pentru poziționarea automată a țintei cu un driver de motor pas cu pas foarte avansat. Include, de asemenea, MOSFET-uri interne care pot furniza direct până la 2 amperi (A) de curent de bobină (vârf 2,5 A) și are o rezoluție de 256 de micro-pași pentru fiecare pas complet.

Cu toate acestea, TMC5130A merge dincolo de comanda de bază a motoarelor pas cu pas, deoarece abordează unele provocări cu care se confruntă proiectanții atunci când decid să utilizeze acest tip de motor. Cele mai notabile și mai vizibile două probleme sunt zgomotul audibil pe care îl generează motorul în timp ce funcționează, precum și „finețea” funcționării motorului. Deși acestea pot să nu fie o problemă în medii precum aplicațiile industriale, pot fi deranjante – și chiar contraproductive – în cazul supravegherii PTZ.

Pentru prima provocare, TMC5130A implementează StealthChop, un întrerupător periodic cu modulație a impulsului în lățime (PWM) bazat pe tensiune, care modulează curentul în funcție de ciclul de funcționare (Figura 8). Această caracteristică este optimizată pentru viteze mici și medii și reduce drastic zgomotul audibil.

Figura 8: tehnica StealthChop din TMC5130A modulează comanda de curent pe baza ciclului de funcționare, reducând considerabil zgomotul audibil al motorului pas cu pas. (Sursă imagine: Analog Devices)

Pentru cea de-a doua provocare, TMC5130A utilizează SpreadCycle, o tehnică brevetată de întrerupere periodică a curentului. Această schemă de întrerupere periodică a acționării, ciclu cu ciclu, bazată pe curent, implementează o descreștere lentă a fazelor de acționare, ceea ce reduce pierderile electrice și ondulația cuplului. Acesta utilizează o medie bazată pe histerezis a curentului motorului față de curentul țintă, obținând o undă sinusoidală pentru curentul motorului, chiar și la viteze mari (Figura 9).

Figura 9: schema de întrerupere periodică a MOSFET-ului SpreadCycle ciclu cu ciclu, bazată pe curent, din TMC5130A reduce pierderile electrice și ondulația cuplului. (Sursă imagine: Analog Devices)

Alte caracteristici unice ale TMC5130A sunt detecția de blocare a motorului StallGuard și comanda de curent adaptivă dinamică CoolStep, aceasta din urmă fiind utilizată ca o pârghie pentru cea dintâi.

StallGuard asigură detectarea sarcinii fără senzori prin intermediul forței electromotoare (EMF) și poate opri un motor într-o singură etapă completă, protejând astfel driverul și motorul. Ca un avantaj suplimentar, sensibilitatea acestuia poate fi ajustată pentru a corespunde cerințelor aplicației. CoolStep ajustează curentul motorului în funcție de citirea de către StallGuard a forței contraelectromotoare. Acesta poate reduce curentul motorului cu 75% în situații de sarcină redusă, ceea ce duce la economii de energie și la o generare mai mică de căldură.

Atunci când comandați două motoare pas cu pas bifazate, în loc de unul singur, după cum suportă TMC5130A, TMC5072 este disponibil cu multe dintre aceleași caracteristici (Figura 10). Acesta poate comanda două bobine independente cu un curent de până la 1,1 A per bobină (vârf 1,5 A); cele două drivere pot fi, de asemenea, puse în paralel pentru a furniza 2,2 A (vârf 3 A) unei singure bobine.

Figura 10: TMC5072 este o versiune cu două drivere a TMC5130A; cele două ieșiri independente pot fi utilizate în paralel. (Sursă imagine: Analog Devices)

FOC schimbă scenariul

Există, de asemenea, problema feedbackului de poziție de la motor. Motoarele pas cu pas nu au nevoie de feedback, dar adesea îl adaugă pentru a asigura un control de înaltă precizie, în timp ce proiectarea BLDC îl necesită. Feedbackul este implementat în mod obișnuit cu ajutorul unui codificator (de obicei bazat pe senzori cu efect Hall sau codificatoare optice), dar este limitat de rata de actualizare și de rezoluție, precum și de sarcina de procesare pe care o adaugă sistemului.

Pentru motoarele BLDC, există o altă opțiune de control. Controlul orientat pe câmp (FOC) – cunoscut și sub numele de control vectorial (VC) – a fost conceput pentru a rezolva problemele legate de rata de actualizare a feedbackului și de rezoluție, precum și de costurile și problemele de instalare ale codificatorului.

Pe scurt, FOC este o schemă de reglare a curentului pentru motoare care utilizează orientarea câmpului magnetic și poziția rotorului motorului. Se bazează pe observația „simplă” că două componente de forță acționează asupra rotorului unui motor electric. O componentă, numită directă sau I_D, trage doar în direcție radială, în timp ce cealaltă componentă, în cvadratură sau I_Q, aplică cuplul prin tragere tangențială (Figura 11).

Figura 11: principiul care a inspirat FOC este observația că un rotor este supus la două forțe ortogonale, una radială față de axa rotorului și cealaltă tangențială. (Sursa imaginii: Analog Devices).

FOC-ul ideal asigură un control în buclă închisă al curentului, rezultând un curent generator de cuplu pur (I_Q) – fără curent continuu, I_D. Apoi reglează intensitatea curentului de acționare, astfel ca motorul să furnizeze valoarea de cuplu dorită. Una dintre numeroasele caracteristici ale FOC este faptul că maximizează puterea activă și minimizează puterea inactivă.

FOC este o abordare cu consum redus de energie a controlului unui motor electric. Funcționează bine în condiții de dinamică ridicată a motorului și de viteză mare și contribuie la funcționalitatea de siguranță intrinsecă datorită aspectelor sale de control în buclă închisă. Acesta utilizează detectarea curentului pe bază de rezistoare standard pentru a măsura magnitudinea și faza curentului prin bobinele statorului și unghiul rotorului. Unghiul măsurat al rotorului este apoi ajustat la axele magnetice. Unghiul rotorului se măsoară cu ajutorul unui senzor Hall sau al unui codificator de poziție, astfel ca direcția câmpului magnetic al rotorului să fie cunoscută.

Cu toate acestea, există o cale lungă și extrem de complexă de la observațiile FOC la o schemă completă de control al motorului. FOC necesită cunoașterea unor parametri statici, inclusiv a numărului de perechi de poli ai motorului, a numărului de impulsuri ale codificatorului per rotație, a orientării codificatorului în raport cu axa magnetică a rotorului, precum și a direcției de numărare a codificatorului, dar și a unor parametri dinamici, cum ar fi curenții de fază și orientarea rotorului.

În plus, ajustarea parametrilor proporționali și integrali (P și I) ai celor două controlere PI utilizate pentru controlul în buclă închisă al curenților de fază depinde de parametrii electrici ai motorului. Acești parametri includ rezistența, inductanța, constanta de forță contraelectromotoare a motorului (care este, de asemenea, constanta de cuplu a motorului) și tensiunea de alimentare.

Provocarea cu care se confruntă proiectanții atunci când aplică FOC este numărul mare de grade de libertate pentru toți parametrii. În timp ce diagramele de flux și chiar codul sursă pentru FOC sunt disponibile pe scară largă, codul efectiv „livrabil” necesar pentru implementarea acestuia este complex și sofisticat. Acesta include transformări multiple de coordonate – transformarea Clarke, transformarea Park, transformarea Park inversă și transformarea Clarke inversă – formulate ca un set de înmulțiri de matrice, precum și calcule complexe și calcule simple repetate și intense. Există multe tutoriale despre FOC disponibile online, de la cele calitative, fără ecuații/ușoare, la cele intens matematice; fișa tehnică TMC4671 se află la mijloc și merită să fie analizată.

Încercarea de a pune în aplicare FOC prin intermediul unui firmware necesită o putere de calcul și resurse substanțiale ale procesorului și, prin urmare, constrânge proiectantul în ceea ce privește selecția procesorului. Cu toate acestea, prin utilizarea TMC4671, proiectanții pot selecta dintr-o gamă mult mai largă de microprocesoare și chiar microcontrolere low-end, fiind în același timp scutiți de probleme de codare, cum ar fi gestionarea întreruperilor și accesul direct la memorie. Nu este nevoie decât de o conexiune la TMC4671 prin intermediul porturilor de comunicare SPI (sau UART), programarea și proiectarea software-ului fiind reduse la inițializarea și setarea parametrilor țintă.

Nu uitați de driver

În timp ce unele circuite integrate de control al motorului, cum ar fi TMC5130A și TMC5072 pentru motoare pas cu pas, încorporează funcționalitatea de driver de poartă al motorului cu o unitate de aproximativ 2 A, alte circuite integrate, cum ar fi TMC4671-LA pentru motoare BLDC, nu o fac. Pentru aceste situații, dispozitive precum circuitul integrat pentru driverul de poartă cu jumătate de punte TMC6100-LA-T adaugă această capacitate necesară (Figura 12). Acest driver de poartă MOSFET triplu cu jumătate de punte vine într-o capsulă QFN de 7 × 7 milimetri (mm), oferă un curent de acționare de până la 1,5 A și este potrivit pentru a comanda MOSFET-uri externe care gestionează un curent de bobină de până la 100 A.

Figura 12: circuitul integrat al driverului de poartă cu jumătate de punte TMC6100-LA-T oferă un curent de comandă de până la 1,5 A și este potrivit pentru a comanda MOSFET-uri externe care oferă un curent de bobină de până la 100 A. (Sursa imaginii: Analog Devices).

TMC6100-LA-T dispune de un control software al curentului de acționare pentru optimizarea în sistem a setărilor sale. În plus, acesta include caracteristici de siguranță programabile, cum ar fi detectarea scurtcircuitului și praguri de supratemperatură; împreună cu o interfață SPI pentru diagnosticare, susținând astfel proiecte robuste și fiabile.

Pentru a accelera și mai mult timpul de lansare pe piață și pentru a facilita optimizarea parametrilor și reglarea driverului, Trinamic oferă placa de evaluare universală TMC6100-EVAL (Figura 13). Această unitate oferă o manipulare convenabilă a hardware-ului, precum și un instrument software ușor de utilizat pentru evaluare. Sistemul este alcătuit din trei părți: o placă de bază, o placă de conectare cu mai multe puncte de testare, TMC6100-EVAL, plus un controler FOC TMC4671-EVAL.

Figura 13: placa de evaluare universală TMC6100-EVAL facilitează optimizarea parametrilor driverului și reglarea driverului pentru a se potrivi cu situația motorului și a sarcinii. (Sursă imagine: Analog Devices)

Concluzie

Camerele video pentru supraveghere și securitate reprezintă un instrument puternic pentru reducerea deplasărilor fizice și a consumului de energie aferent. Acestea utilizează adesea PoE și sunt îmbunătățite cu un control PTZ acționat de motor, dar această funcție de control este complexă. După cum s-a arătat, prin integrarea diferitelor funcții necesare pentru un control eficient al motorului – și prin utilizarea driverelor de poartă, după necesități – circuitele integrate de la Trinamic asigură o mișcare și o poziționare lină și precisă pentru motoarele de curent continuu fără perii și pas cu pas utilizate pentru PTZ.

Trinamic oferă inginerilor o gamă largă de soluții care accelerează implementarea unor sisteme de control al motoarelor eficiente, de precizie și adaptate la cerințele aplicației. Aceste produse abordează provocările legate de hardware, reducând astfel complexitatea generală a proiectării și a software-ului.

Conținut asociat

1. Driver și controler de motor pas cu pas TMC5130 cu StealthChop™ (modul de instruire)
2. Controler de motor pas cu pas cu două axe și circuit integrat de driver cu StealthChop™