如何在設計中使用高能效監控攝影機 PTZ IC 讓環境更安全

視訊監控的運用持續擴大，部分原因乃是各種「智慧城市」創新計畫的人工智慧 (AI) 蓬勃發展所致，而這類計畫則包含了對公共街道、小巷和人群聚集地進行自動智慧型監控。在辦公室、零售店、住宅大廳、超級市場、博物館、建築工地、工業環境和倉庫等封閉區域中，為了確保安全而使用視訊監控的也呈現上升趨勢。由於這種技術受到廣泛使用，加上以 AI 為基礎進行分析的要求，設計人員競相提升系統效率和效能，同時還要降低成本。

透過精巧型低功率、高解析度、靈敏的成像 IC，與智慧型精確動作控制系統合併使用，大多可達到改善。此方式可以打造出高能效遠端視訊監控，如此一來，由於影像模糊或事件發生於攝影機視線外，而需要人員親臨現場檢驗相關區域或場址的需求便越來越少。

然而，如同任何不斷成長的應用領域一樣，仍有各種技術挑戰亟待克服，而透過直接使用高能效電子子系統來進行攝影機的平移、傾斜和縮放 (PTZ) 可以解決其中許多的挑戰。

本文將探討 PTZ 在監控功能中的作用，並討論用於控制 PTZ 功能的高能效型精確、低功耗馬達和動作控制電子零件，如何成為實作視訊監控系統的關鍵要素。然後介紹並研究 TRINAMIC Motion Control GmbH 公司 (現為 Analog Devices, Inc. 旗下公司) 的動作控制 IC 相關應用，同時還會介紹評估板。

透過 PTZ 動作控制增強高效監控功能

現代視訊監控系統無論是用於保全設備還是流程監控，都不再只是將攝影機以固定方向指向目標區域。而是運用 AI 減少假警報並確保最佳部署資源，更有效地利用擷取的影像，而使用電動式 PTZ 則可允許攝影機從左到右進行掃描 (平移) 和上下移動 (傾斜)，重新定義監視區域 (圖 1)。AI 和 PTZ 都有助於提供更高效率和通常「更為環保」的監控方法。PTZ 視系統設計而定，動作可以由攝影機組件自主定向，且由安全系統進行遠端控制，甚至也可採用遠端手動操作。

圖 1：具有左右平移、上下傾斜和放大／縮小 (PTZ) 等功能的監控攝影機，能比靜態固定式攝影機提供更多靈活性。(圖片來源：Aximmetry Technologies Ltd.)

這種透過平移和傾斜來移動攝影機的方式，可以克服使用廣角鏡頭和廣視野 (FOV) 的困境，後者雖然能捕捉更大區域，但會犧牲場景細節並導致彎曲失真。PTZ 功能還可為保全系統節省成本，因為一台攝影機可取代多台靜態攝影機。

攝影機的動作可以透過不同的技術來引導。具有 PTZ 功能的監控攝影機通常還支援多個預先配置的位置，使用者可指定想要監控的位置，以及改變位置的預定順序和時間。使用者無須進行任何輸入，即可提供寬廣範圍的遠端監控。

將電子裝置與 PTZ 馬達匹配

動作控制是 PTZ 實作的核心，但 PTZ 透過卓越的馬達控制完成平穩精準的追蹤，才是 PTZ 系統高效率的重要因素。設計人員可以考慮使用無刷直流馬達和更具挑戰性 (但通常更為有利) 的步進馬達，以滿足高精密度要求，並使用 ADI 的 Trinamic 技術和 IC，以達到必要的平穩度和準確度。

低功率操作也非常重要。現在許多配備精密 PTZ 控制功能的監控攝影機，全都是支援乙太網路供電 (PoE) 的裝置。最新的 PoE 標準 (IEEE 802.3bt-2018) 可為每個乙太網路纜線的連線最高支援到 100 W。

PTZ 系統的設計人員有三種馬達類型可選擇，此選擇會決定對應的控制 IC。包括傳統有刷直流馬達、無刷直流 (BLDC) 馬達和步進馬達 (圖 2)。

圖 2：三種基本直流馬達是老式的有刷、無刷和步進馬達。(圖片來源：Analog Devices)

每種馬達的配置，在功能、效能和管理／控制需求上各有優劣：

有刷直流馬達是最早開發的直流馬達，已成功使用超過 100 年。這種馬達設計簡單，但難以控制，最適合於開放式自由執行的環境中，而不適用於精確定位或走走停停的操作中。此外，其電刷可能會磨損，出現可靠性問題，並可能產生不可接受的電磁干擾 (EMI)。儘管這類產品仍然用於低成本的大眾市場應用中 (如玩具)，甚至一些高端應用 (如醫療輸液幫浦) 中，但通常不是 PTZ 設計的可行選項。

BLDC 馬達 (也稱為電子換向馬達，即 EC 馬達) 相當適合用於具備感測器的封閉迴路設計中，這種設計也可用於速率控制 (圖 3)。這種馬達在承受高功率密度時，可以達到高速和長壽命的要求。

圖 3：BLDC 馬達最常用於封閉迴路配置，以滿足定位精準度和高速的要求；安裝於軸上的位置感測器，可為伺服控制器提供所需回授。(圖片來源：Analog Devices)

控制 BLDC 馬達需要對供電給馬達定子線圈的電流定下精準的時序。為了提高效能和精準度，通常會使用封閉迴路回授。為此，編碼器可用來感應轉子位置，還有感應線圈電流，以用於實作磁場導向控制 (FOC) 的設計中 (後面將更多說明 FOC)。

Trinamic 的 TMC4671-LA 多相伺服控制器／馬達驅動器是專為此任務所設計的 IC，屬於固線式產品，配備 BLDC 馬達所適用的嵌入式 FOC 演算法 (圖 4)。

圖 4：Trinamic 的 TMC4671-LA 伺服控制器／馬達驅動器專為 BLDC 馬達所設計，屬於固線式產品，配備嵌入式 FOC 演算法。(圖片來源：Analog Devices)

TMC4671-LA 也可用於其他馬達類型，如永磁同步馬達 (PMSM)，以及二相步進馬達、直流馬達和音圈致動器。請注意，BLDC 馬達和 PMSM 之間的區別，在於前者是直流 (DC) 馬達，而 PMSM 是交流 (AC) 馬達。因此，BLDC 馬達是一種電子換向直流馬達，沒有實體的換向器組件；相反的，PMSM 是一種交流同步馬達，使用永久磁鐵來提供必要的激磁。

TMC4671-LA 使用基本 SPI 或 UART 介面，與其微控制器通訊。此產品會在硬體中實作所有必需的控制功能和特性，還有錯誤／故障狀況監控。其中包括整合式類比數位轉換器 (ADC)、位置感測器介面、位置內插器，以及其他必要功能，以促成適合眾多伺服應用使用的完整控制器。

這項功能對於滿足 BLDC 馬達控制的挑戰非常重要，因為這些演算法非常精密。幸運的是，複雜的細節部分均由 IC 完全負責處理，因此，這些細節不會對設計工程師或系統微控制器造成負擔 (圖 5)。

圖 5：TMC4671-LA 包含並執行實作複雜精確的 BLDC 控制功能 (如 FOC) 所需的多個連結的功能區塊，從而使設計人員和主機處理器不必再執行此項任務。(圖片來源：Analog Devices)

其控制迴路頻率為 100 kHz，是許多 BLDC 控制器 20 kHz 頻率的五倍，因此可帶來關鍵優勢，包括更快的趨穩時間、對扭矩控制命令有更快的響應、更好的位置穩定性，以及降低過電流狀況的風險，而這類風險可能會損壞馬達驅動器或馬達。

步進馬達是 BLDC 馬達的替代方案。此馬達非常適合用於開迴路定位或速度操作，並可在低速和中等速度下提供高扭矩 (圖 6)。一般而言，具有相當效能的步進馬達比 BLDC 馬達便宜，但其在操作方面存在必須解決的挑戰。

圖 6：相較於 BLDC 馬達控制器，步進馬達控制器從主機到馬達驅動器和馬達的路徑更直接。(圖片來源：Analog Devices)

乍看之下，步進馬達控制器的訊號路徑流程似乎比 BLDC 馬達控制器簡單一些。雖然在某些方面正是如此，但精確而有效的步進馬達控制器，必須提供特定功能以滿足該馬達的需要。

TMC5130A 是一款具有序列通訊介面的高效能控制器及驅動器 IC。諸如此類的 IC 乃針對雙相步進馬達所設計，可將相關的問題減至最少，甚至完全消除 (圖 7)。

圖 7：TMC5130A 是一款高效能控制器和驅動器 IC，具有針對雙相步進馬達設計的序列通訊介面。(圖片來源：Analog Devices)

此元件結合彈性的斜坡產生器，適用於自動目標定位，具備相當先進的步進馬達驅動器。其中還包括內部 MOSFET，可直接提供高達 2 A 的線圈電流 (峰值為 2.5 A)，且每個完整步驟的解析度為 256 微步。

但是，TMC5130A 超越了基本的步進馬達驅動功能，因為它解決了設計人員在決定使用此馬達類型時所面臨的一些挑戰。兩個最值得注意和最明顯的問題便是，馬達在步進時產生的噪音以及馬達操作的「平穩度」。儘管在工業應用等環境下，這些可能不是問題，但在 PTZ 監控使用中可能會令人不知所措，甚至產生反效果。

對於第一項挑戰，TMC5130A 實作 StealthChop，是自行研發的電壓式脈寬調變 (PWM) 截波器，可根據工作週期調節電流 (圖 8)。此功能已針對中低速度進行最佳化，並可大幅降低聲音噪音。

圖 8：TMC5130A 中的 StealthChop 技術會根據工作週期調變電流驅動，因而大幅降低步進馬達的噪音。(圖片來源：Analog Devices)

對於第二個挑戰，TMC5130A 使用 SpreadCycle，是自行研發的電流截波技術。此種逐週期的電流式驅動截波方案，可使驅動相位慢速衰退，進而降低電力損耗和轉矩漣波。該方案使用從馬達電流到目標電流的磁滯式平均方式，即使在高速下，也會產生正弦波的馬達電流 (圖 9)。

圖 9：TMC5130A 的 SpreadCycle 逐週期電流式 MOSFET 截波方案可減少電力損耗和轉矩漣波。(圖片來源：Analog Devices)

TMC5130A 的其他獨特功能是其 StallGuard 馬達失速偵測和 CoolStep 動態自適應電流驅動器，後者則利用前者的功能。

StallGuard 會透過反向電動勢 (EMF) 提供無感測器負載偵測功能，並可在一個完整步進內停止馬達，進而保護馬達驅動器和馬達。其靈敏度可以根據應用的要求進行調整，這是更進一步的好處。CoolStep 根據反電動勢 StallGuard 讀數調整馬達電流。在低負載情況下，可以將馬達電流降低 75%，進而節省電力並減少發熱。

在驅動兩個 (而非一個，如 TMC5130A 所支援的那樣) 雙相步進馬達時，則可以使用 TMC5072，其具有許多相同的功能 (圖 10)。該產品可以驅動兩個獨立線圈，每個線圈的電流可高達 1.1 A (峰值為 1.5 A)；兩個驅動器也可以同時使用，為單個線圈提供 2.2 A (峰值為 3 A)。

圖 10：TMC5072 是 TMC5130A 的雙驅動器版本；可同時使用兩個獨立輸出。(圖片來源：Analog Devices)

FOC 會改變情境

還有馬達的位置回授問題。步進馬達不需要回授，但通常會增加回授，以便在 BLDC 設計需要用到回授時確保有高精密度的控制。回授通常使用編碼器 (通常是以霍爾效應感測器或光學編碼器為主) 來實作，但會受限於更新速率和解析度，以及回授對系統所增加的處理負擔。

對於 BLDC 馬達，還有另一種控制選項。磁場導向控制 (FOC) (也稱為向量控制 (VC)) 旨在解決與回授更新率和解析度相關的問題，以及編碼器成本和安裝等問題。

簡而言之，FOC 是一種用於馬達的電流調節方案，該方案會使用磁場方向和馬達轉子位置。其乃是基於「簡單」的觀察結果，即兩個分力作用在馬達的轉子上。一個分力稱為直接分力 (I_D)，此分力只是沿著徑向的方向拉動，而另一個分力 (正交分力，即 I_Q) 則沿著切線方向拉動以施加扭矩 (圖 11)。

圖 11：啟發 FOC 的原理是轉子受到兩個正交力作用的這個觀察結果，一個是在轉子軸的徑向力，另一個則是在切線方向的力。(圖片來源：Analog Devices)。

理想的 FOC 可達成電流的封閉迴路控制，進而產生純粹由扭矩生成的電流 (I_Q)，而沒有直接電流，I_D。然後會調整驅動電流強度，使馬達提供所需扭矩。FOC 的眾多功能之一就是將有功功率最大化，並將閒置功率最小化。

FOC 是一種節能的電動馬達控制方法。它能在馬達高度動態和高轉速等條件下發揮良好作用，而且由於其封閉迴路控制的各方面特點，因而增加了本質安全的功能。FOC 還使用標準電阻式電流感測功能，來測量通過定子線圈的電流強度和相位，以及轉子角度。然後，將測量到的轉子角度調整到磁性軸。轉子角度是使用霍爾感測器或位置編碼器測量而得，因此可以知道轉子的磁場方向。

但是，從 FOC 觀察到完整的馬達控制方案，是一條漫長而極其複雜的途徑。FOC 需要知道一些靜態參數，包括馬達極對的數量、每圈的編碼器脈衝數、相對於轉子磁性軸的編碼器方向，以及編碼器的計數方向，還有一些諸如相位電流和轉子方向等動態參數。

此外，對於相位電流封閉迴路控制所用的兩個 PI 控制器，其比例和積分 (P 和 I) 參數的調整，則取決於馬達的電氣參數。這些參數包括電阻、電感、馬達的反電動勢常數 (也是馬達的扭矩常數) 和電源電壓。

設計人員在應用 FOC 時面臨的挑戰是所有參數有相當多的自由度。儘管 FOC 的流程圖，甚至原始程式碼都可隨處取得，但進行實作所需的實際「可交貨」的程式碼，卻是複雜且精密。其中包括多種座標變換，如克拉克變換 (Clarke Transformation)、派克變換 (Park Transformation)、反派克變換和反克拉克變換，其計算方式乃是一組矩陣乘法，以及密集的重複運算和計算。線上提供了許多 FOC 教學課程，其內容從定性的無公式／少許公式課程，到高度數學密集型課程；TMC4671 規格書則屬於中間地帶內容，值得參考。

試圖透過韌體實作 FOC，需要大量 CPU 運算能力和資源，因此對設計人員選擇處理器會有所限制。然而，設計人員可以使用 TMC4671，從更多的微處理器，甚至從低端微控制器當中選擇，同時也沒有中斷處理和直接記憶體存取等編程問題。他們只需透過 TMC4671 的 SPI (或 UART) 通訊埠連線至 TMC4671，因為編程和軟體設計已簡化到僅有目標參數的初始化和設定。

別忘了驅動器

雖然某些馬達控制 IC (例如用於步進馬達的 TMC5130A 和 TMC5072) 會將馬達閘極驅動器功能與大約 2 A 的驅動器合併，但是，其他 IC (例如用於 BLDC 馬達的 TMC4671-LA) 則不合併使用。針對這些狀況，TMC6100-LA-T 半橋式閘極驅動器 IC 等元件會添加這些所需的功能 (圖 12)。這款三重半橋式 MOSFET 閘極驅動器採用 7×7 mm QFN 封裝，可提供高達 1.5 A 的驅動電流，並適合驅動可處理高達 100 A 線圈電流的外部 MOSFET。

圖 12：TMC6100-LA-T 半橋式閘極驅動器 IC 可提供高達 1.5 A 的驅動電流，適合驅動可提供高達 100 A 線圈電流的外部 MOSFET。(圖片來源：Analog Devices)。

TMC6100-LA-T 具有軟體控制驅動器電流的功能，可在系統內最佳化其設定。它還包括可編程的安全功能，例如短路偵測和過熱保護閾值，還有用於診斷的 SPI 介面，這樣即可支援強大可靠的設計。

為了進一步加速產品上巿時間，並簡化參數最佳化及驅動器的微調，Trinamic 推出 TMC6100-EVAL 通用型評估板 (圖 13)。此裝置提供了方便執行的硬體處理，以及使用者易用的軟體評估工具。本系統包含三個零件：基座、含幾個測試點的連接器板、TMC6100-EVAL，外加 TMC4671-EVAL FOC 控制器。

圖 13：TMC6100-EVAL 通用評估板可簡化驅動器參數和驅動器微調的最佳化，以便與馬達和負載情況匹配。(圖片來源：Analog Devices)

結論

用於監控和安全的攝影機是一種強大工具，可減少親自差旅的需要，同時減少相關能源的使用。這類攝影機通常會使用 PoE，並透過馬達驅動的 PTZ 控制來增強功能，但此控制功能非常複雜。如圖所示，藉著整合高效馬達控制所需的各種功能，並根據需要使用閘極驅動器，Trinamic 的 IC 可為用於 PTZ 的無刷馬達和步進直流馬達，提供平穩、精確的移動和定位。

Trinamic 為工程師提供多種解決方案，可加快實作出高效率、精確的馬達控制系統，以滿足相關應用的需求。這些產品可以解決硬體方面的挑戰，進而將整體設計和軟體複雜性減至最少。

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1. 採用 StealthChop™ 技術的 TMC5130 步進馬達驅動器和控制器 (訓練模組)
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