如何利用高能效监控摄像头 PTZ IC 进行设计以打造更安全的环境

作者：Bill Schweber

投稿人：DigiKey 北美编辑

视频监控的使用持续增长，部分原因是各种“智慧城市”创新计划引领的人工智能 (AI) 发展，这些计划包含对公共街道、小巷和集会场所进行智能、自动化监控。在办公室、零售店、住宅大堂、超市、博物馆、建筑工地、工业环境和仓库等封闭区域，视频监控的安保应用也越来越多。这种广泛的使用，加上 AI 分析的要求，意味着设计人员在争相提高系统效率和性能的同时还要降低成本。

借助紧凑型、低功耗、灵敏、高分辨率的成像 IC，结合智能、精密的运动控制系统，可大部分实现这些改善目标。利用这种方法的要素，设计人员可以实现高能效远程视频监控，这样一来，因图像模糊或事件发生在摄像头视线范围外而需要人员亲临现场检查区域或场所的情况就越来越少。

然而，与任何不断增长的应用领域一样，仍有各种技术挑战亟待克服，而通过直接使用高能效电子子系统进行摄像头的平移、倾斜和变焦 (PTZ)，可以解决其中许多挑战。

本文探讨了 PTZ 在监控中的作用，并讨论了用于控制 PTZ 功能的高能效、精密、低功耗电机和运动控制电子装置如何成为实施视频监控系统的关键。随后介绍并探讨了 [TRINAMIC Motion Control GmbH]（现为 [Analog Devices, Inc.]旗下公司）的运动控制 IC 相关应用，同时还会介绍评估板。

通过 PTZ 运动控制加强有效监控

无论用于安防设施还是过程监控，现代视频监控系统都不再仅仅是一个在固定方位指向目标区域的摄像头。相反，AI 能够减少误报并确保资源的最佳部署，从而更高效地利用所捕获的影像，而电动 PTZ 的使用允许摄像头左右扫描（平移）和上下移动（倾斜），从而重新定义监视区域（图 1）。AI 和 PTZ 都有助于实现更高效和普遍“更环保”的监控方式。对于 PTZ，根据系统设计，运动可以由摄像头组件自主引导，由安全系统远程控制，甚至可以远程手动操作。

这种通过平移和倾斜来移动摄像头的做法克服了使用广角镜头和宽视场 (FOV) 的权衡困境（即，可以捕获更大的区域，但以牺牲场景细节和引入曲率畸变为代价）。PTZ 功能还有助于节省安防系统成本，因为一个摄像头就可以完成许多静态摄像头的工作。

摄像头的运动可以通过不同的技术来引导。具有 PTZ 功能的监控摄像头通常还支持多个预设位置，用户可以指定需要监控的位置，以及从一个位置到另一个位置的预定顺序和步进时间。这样可以实现对宽广区域的远程监控，无需用户输入。

电子器件与 PTZ 电机的匹配

虽然运动控制是 PTZ 实施的核心，但高效 PTZ 系统的重要因素是通过卓越的电机控制实现平稳精确的追踪。设计人员既可以考虑使用无刷直流电机，也可以考虑更具挑战性但往往也更有利的步进电机，以实现高精度，并且可以利用 ADI 的 Trinamic 技术和 IC 实现必要的平稳性和准确性。

低功耗操作也很关键。许多配备了精密 PTZ 控制功能的监控摄像头现在都是支持以太网供电 (PoE) 的设备。最新 PoE 标准 (IEEE 802.3bt-2018) 支持每个以太网电缆连接高达 100 W 的供电。

PTZ 系统的设计人员有三种电机类型可以选择，而选择的类型决定了要使用的控制 IC。选择包括经典的有刷直流电机、无刷直流电机 (BLDC) 和步进电机（图 2）。

图 2：三种基本直流电机分别是经典有刷、无刷和步进电机。（图片来源：Analog Devices）

每种电机配置在功能、性能和管理/控制需求方面各有优劣：

有刷直流电机是最早开发的直流电机，已经成功使用 100 多年。它设计简单，但难以控制，最适合开放式的自由运行情况，而不适合精确定位或走走停停的操作。此外，有刷电机的电刷会受到磨损，存在可靠性问题，并且可能产生不可接受的电磁干扰 (EMI)。虽然这种电机在低成本的大众市场应用（如玩具）中，甚至一些高端应用（如医疗输液泵）中仍有使用，但对于 PTZ 设计来说，通常不是可行的选择。

BLDC 电机 （也称为电子换向或 EC 电机）很适合于带位置传感器的闭环设计，这种设计也可用于速度控制（图 3）。其速度快且使用寿命长，同时封装高功率密度。

图 3：BLDC 电机最常用于闭环配置中，以确保定位精度和高速度；安装在轴上的位置传感器向伺服控制器提供所需的反馈。（图片来源：Analog Devices）

对 BLDC 电机的控制需要对电机定子线圈的上电电流进行精确定时。为了提高性能和精度，通常使用闭环反馈。为此，可以使用编码器来感应转子位置，同时感应线圈电流，以用于实施磁场定向控制 (FOC) 的设计（更多关于 FOC 的介绍见下文）。

Trinamic 的 [TMC4671-LA]多相伺服控制器/电机驱动器是专门针对此任务设计的 IC，它为 BLDC 电机硬连接了一种嵌入式 FOC 算法（图 4）。

图 4：Trinamic 的 TMC4671-LA 伺服控制器/电机驱动器，专门针对 BLDC 电机设计，硬连接了嵌入式 FOC 算法。（图片来源：Analog Devices）

该器件也可用于其他类型的电机，如 *永磁同步电机 * (PMSM) 以及两相步进电机、直流电机和音圈致动器。请注意，BLDC 电机与 PMSM 的区别是，前者是直流 (DC) 电机，而 PMSM 是交流 (AC) 电机。因此，BLDC 电机是一种电子换向的直流电机，没有物理换向器组件；相反，PMSM 是一种交流同步电机，使用永磁体提供必要的磁场激励。

TMC4671-LA 使用基本的 SPI 或 UART 接口与其微控制器进行通信。该器件在硬件方面实现了所有需要的控制功能和特性，同时还具有错误/故障状况监测功能。其包含集成式模数转换器 (ADC)、位置传感器接口、位置插值器和其他必要的功能，使其成为适用于各种伺服应用的完整控制器。

为了应对 BLDC 电机控制的挑战，这一功能性至关重要，因为这些算法非常复杂。幸运的是，复杂的细节完全由 IC 负责处理，所以这些细节不会对设计工程师或系统微控制器造成负担（图 5）。

图 5：TMC4671-LA 包含并执行实现复杂、精密的 BLDC 控制功能所需的多个链接功能块（如 FOC），从而使设计人员和主机处理器无需执行此任务。（图片来源：Analog Devices）

其控制回路频率为 100 kHz，比许多 BLDC 控制器的 20 kHz 频率高 4 倍，因此可带来关键优势，包括更快的稳定时间、对扭矩控制命令更快的响应、更好的位置稳定性，以及更低的过电流状况风险。这类风险可能损坏电机驱动器或电机。

步进电机是 BLDC 电机的替代方案。这种电机非常适合用于开环定位或速度操作，并可在低速和中等速度时提供高扭矩（图 6）。一般来说，性能相当的步进电机比 BLDC 电机便宜，但步进电机存在必须解决的操作难题。

图 6：与 BLDC 电机控制器相比，步进电机控制器从主机到电机驱动器和电机的路径更为直接。（图片来源：Analog Devices）

乍看之下，步进电机控制器的信号路径流程似乎比 BLDC 电机控制器简单一些。虽然在某些方面确实如此，但精密有效的步进电机控制器必须提供特定的功能来满足该电机的需求。

[TMC5130A] 是一款具有串行通信接口的高性能控制器和驱动器 IC，专为两相步进电机设计。此类 IC 旨在最大限度地减少或消除相关问题（图 7）。

图 7：TMC5130A 是一款高性能的控制器和驱动器 IC，配备串行通信接口，专为两相步进电机设计。（图片来源：Analog Devices）

该器件将用于自动目标定位的灵活斜坡发生器与高度先进的步进电机驱动器相结合。其还包含内部 MOSFET，可以直接提供高达 2 A 的线圈电流（峰值 2.5 A），并具有 256 微步/全步的分辨率。

但是，TMC5130A 超越了基本的步进电机驱动功能，因为它解决了设计人员在决定使用这种电机类型时所面临的一些挑战。两个最明显和最值得关注的问题是电机在步进时产生的噪音，以及电机运行的“平稳性”。虽然这些在工业应用等环境下可能不是问题，但在 PTZ 监控使用中可能会令人不安，甚至适得其反。

对于第一个挑战，TMC5130A 实施了 StealthChop，这是一款专有的基于电压的脉宽调制 (PWM) 斩波器，可根据占空比调制电流（图 8）。该功能针对中低速进行了优化，可大幅减少噪音。

图 8：TMC5130A 中的 StealthChop 技术根据占空比对电流驱动进行调制，大幅减少了步进电机的噪音。（图片来源：Analog Devices）

对于第二个挑战，TMC5130A 采用了 SpreadCycle，一种专有的电流斩波技术。这种逐周期电流型驱动斩波方案实现了驱动相位的慢衰减，从而减少了电能损耗和转矩波动。该技术使用基于磁滞的电机电流与目标电流平均方式，产生正弦波的电机电流，即使在高速下也是如此（图 9）。

图 9：TMC5130A 中的 SpreadCycle 逐周期电流型 MOSFET 斩波方案减少了电能损耗和转矩波动。（图片来源：Analog Devices）

TMC5130A 的其他独特功能包括其 StallGuard 电机失速检测和 CoolStep 动态自适应电流驱动，其中后者利用了前者。

StallGuard 通过反电动势 (EMF) 提供无传感器的负载检测，并能在一整步内停止电机，从而保护电机驱动器和电机。另一个好处是，它的灵敏度可以调整，以符合应用的要求。CoolStep 根据反电动势 StallGuard 的读数调整电机电流。在低负载情况下，可以将电机电流降低 75%，从而节省电能并减少发热。

在驱动两台两相步进电机而不是一台时，[TMC5072]提供了许多与 TMC5130A 所支持的相同功能（图 10）。该器件可以驱动两个独立的线圈，每个线圈的电流高达 1.1 A（峰值 1.5 A）；两个驱动器也可以并行工作，为单个线圈提供 2.2 A（峰值 3 A）电流。

图 10：TMC5072 是 TMC5130A 的双驱动版本；两个独立的输出可以并行使用。（图片来源：Analog Devices）

FOC 改变局面

还有一个问题是电机的位置反馈。步进电机不需要反馈，但会经常添加反馈以确保高精度控制，而 BLDC 设计需要反馈。反馈一般使用编码器（通常基于霍尔效应传感器或光学编码器）来实现，但会受限于更新率和分辨率，以及给系统增加的处理负担。

对于 BLDC 电机，还有另一种控制选项。磁场定向控制 (FOC)（也称为矢量控制 (VC)），专为解决与反馈更新率和分辨率有关的问题，以及编码器成本和安装问题而设计。

简而言之，FOC 是一种用于电机的电流调节方案，其利用磁场方向和电机转子位置进行调节。FOC 基于“简单”的观察结果，即有两个分力作用在电机的转子上。一个分力，称为直接分力或 I D ，只是沿径向拉动；而另一个分力，即正交分力或 I Q ，是通过切向拉动来施加转矩（图 11）。

图 11：FOC 灵感的原理是观察到转子受到两个正交力的作用，一个是转子轴上的径向力，另一个是切向力。（图片来源：Analog Devices）。

理想的 FOC 提供了电流的闭环控制，从而产生纯转矩生成的电流 (I Q )，而没有直接电流 I D 。然后，调整驱动电流的强度，使电机提供目标转矩量。FOC 的众多特性之一是，它能最大程度地提高有功功率且最大程度地降低空闲功率。

FOC 是一种高能效的电机控制方法。这种方法在高电机动态和高速度的条件下工作良好，并且因其闭环控制特性，增强了内在的安全功能。FOC 使用标准的电阻式电流感应来测量通过定子线圈的电流强度和相位，以及转子的角度。然后，将测得的转子角度调整到磁轴上。转子的角度用霍尔传感器或位置编码器测量得出，所以可以知道转子的磁场方向。

然而，从 FOC 得出观察结果到形成完整的电机控制方案，还需要一个漫长而极其复杂的过程。FOC 需要了解一些静态参数，包括电机磁极对的数量、每转的编码器脉冲数、编码器相对于转子磁轴的方向和编码器的计数方向，以及一些动态参数，如相电流和转子方向。

此外，用于相电流闭环控制的两个 PI 控制器的比例和积分（P 和 I）参数的调整取决于电机的电气参数。这些参数包括电阻、电感、电机的反电动势常数（也是电机的转矩常数）以及电源电压。

设计人员在应用 FOC 时面临的挑战是所有参数的自由度都很高。虽然 FOC 的流程图甚至源代码很容易获得，但实现 FOC 所需的实际“可交付”代码复杂而精密。其中包括多种坐标变换，如克拉克变换、帕克变换、逆帕克变换和逆克拉克变换（归结为一组矩阵乘法），还包括密集的重复计算和运算。网上有许多 FOC 的教程，从定性的无方程式/浅显的教程到复杂的数学教程；TMC4671 的规格书介于中间，值得一看。

试图通过固件来实现 FOC，需要大量的 CPU 计算能力和资源，因此对设计人员选择处理器会有所限制。然而，借助 TMC4671，设计人员可以从更广泛的微处理器甚至低端微控制器中进行选择，同时还可以避免中断处理和直接内存访问等编码问题。所需要的只是通过其 SPI（或 UART）通信端口与 TMC4671 连接，因为编程和软件设计已简化到只需初始化和设置目标参数。

不要忘记驱动器

虽然一些电机控制 IC（如用于步进电机的 TMC5130A 和 TMC5072）集成了驱动电流约为 2 A 的电机栅极驱动器功能，但其他 IC（如用于 BLDC 电机的 TMC4671-LA）没有。对于这些情况，诸如 [TMC6100-LA-T] 半桥栅极驱动器 IC 等器件增加了这种所需的能力（图 12）。这款三层半桥 MOSFET 栅极驱动器采用 7 × 7 mm 的 QFN 封装，提供高达 1.5 A 的驱动电流，适合驱动处理高达 100 A 线圈电流的外部 MOSFET。

图 12：TMC6100-LA-T 半桥栅极驱动器 IC 提供高达 1.5 A 的驱动电流，适合驱动处理高达 100 A 线圈电流的外部 MOSFET。（图片来源：Analog Devices）。

TMC6100-LA-T 具有对驱动电流进行软件控制的功能，可对其设置进行系统内优化。该器件还包括可编程的安全功能，如短路检测和过热阈值；搭配用于诊断的 SPI 接口，支持稳健可靠的设计。

为了进一步加速产品上市时间，方便优化参数和微调驱动器，Trinamic 提供了 [TMC6100-EVAL]通用评估板（图 13）。该评估板方便进行硬件处理，并且配有用户友好的评估软件工具。该系统由三部分组成：一块底板，一块带有几个测试点的连接器板 TMC6100-EVAL，外加一个 [TMC4671-EVAL] FOC 控制器。

图 13：TMC6100-EVAL 通用评估板可简化为匹配电机和负载情况而需要进行的驱动器参数优化和驱动器微调。（图片来源：Analog Devices）

总结

用于监控和安防的视频摄像头是一种强大的工具，能够减少亲自出行需求和相关的能源使用。这类摄像头通常采用 PoE 供电，并借助电机驱动的 PTZ 控制来增强功能，但这种控制功能非常复杂。如前所述，通过整合高效电机控制所需的各种功能，并根据需要使用栅极驱动器，Trinamic 的 IC 为用于 PTZ 的无刷和步进直流电机提供平稳精确的运动和定位。

Trinamic 为工程师提供了广泛的解决方案，可加快高效、精密电机控制系统的实施，以满足应用需求。这些产品解决了硬件方面的挑战，从而最大程度地降低了整体设计及软件的复杂性。