【導讀】視頻監控的使用持續增長
，部分原因是各種“智慧城市”創新計劃引領的人工智能 (AI) 發展
，這些計劃包含對公共街道、小巷和集會場所進行智能、自動化監控。在辦公室、零售店、住宅大堂、超市、博物館

、建築工地、工業環境和倉庫等封閉區域
，視頻監控的安保應用也越來越多。這種廣泛的使用，加上 AI 分析的要求，意味著設計人員在爭相提高係統效率和性能的同時還要降低成本。

視頻監控的使用持續增長

，部分原因是各種“智慧城市”創新計劃引領的人工智能 (AI) 發展
，這些計劃包含對公共街道、小巷和集會場所進行智能、自動化監控。在辦公室、零售店
、住宅大堂、超市、博物館、建築工地、工業環境和倉庫等封閉區域
，視頻監控的安保應用也越來越多。這種廣泛的使用，加上 AI 分析的要求
，意味著設計人員在爭相提高係統效率和性能的同時還要降低成本。

借助緊湊型、低功耗、靈敏
、高分辨率的成像 IC，結合智能、jingmideyundongkongzhixitong，kedabufenshixianzhexiegaishanmubiao。liyongzhezhongfangfadeyaosu，shejirenyuankeyishixiangaonengxiaoyuanchengshipinjiankong，zheyangyilai
，yintuxiangmohuhuoshijianfashengzaishexiangtoushixianfanweiwaierxuyaorenyuanqinlinxianchangjianzhaquyuhuochangsuodeqingkuangjiuyuelaiyueshao。

然而，與任何不斷增長的應用領域一樣
，仍有各種技術挑戰亟待克服，而通過直接使用高能效電子子係統進行攝像頭的平移
、傾斜和變焦 (PTZ)

，可以解決其中許多挑戰。

本文探討了 PTZ 在監控中的作用，並討論了用於控製 PTZ 功能的高能效
、精密
、低功耗電機和運動控製電子裝置如何成為實施視頻監控係統的關鍵。隨後介紹並探討了 TRINAMIC Motion Control GmbH（現為 Analog Devices, Inc. 旗下公司）的運動控製 IC 相關應用，同時還會介紹評估板。

通過 PTZ 運動控製加強有效監控

無論用於安防設施還是過程監控，現代視頻監控係統都不再僅僅是一個在固定方位指向目標區域的攝像頭。相反，AI 能夠減少誤報並確保資源的最佳部署，從而更高效地利用所捕獲的影像，而電動 PTZ 的使用允許攝像頭左右掃描（平移）和上下移動（傾斜）
，從而重新定義監視區域（圖 1）。AI 和 PTZ 都有助於實現更高效和普遍“更環保”的監控方式。對於 PTZ，根據係統設計，運動可以由攝像頭組件自主引導，由安全係統遠程控製，甚至可以遠程手動操作。

圖 1：具有左右平移、上下傾斜和伸縮變焦 (PTZ) 功能的監控攝像頭比固定原位的靜態攝像頭更具靈活性。（圖片來源：Aximmetry Technologies Ltd.）

這種通過平移和傾斜來移動攝像頭的做法克服了使用廣角鏡頭和寬視場 (FOV) 的權衡困境（即
，可以捕獲更大的區域
，但以犧牲場景細節和引入曲率畸變為代價）。PTZ 功能還有助於節省安防係統成本，因為一個攝像頭就可以完成許多靜態攝像頭的工作。

攝像頭的運動可以通過不同的技術來引導。具有 PTZ 功(gong)能(neng)的(de)監(jian)控(kong)攝(she)像(xiang)頭(tou)通(tong)常(chang)還(hai)支(zhi)持(chi)多(duo)個(ge)預(yu)設(she)位(wei)置(zhi)，用(yong)戶(hu)可(ke)以(yi)指(zhi)定(ding)需(xu)要(yao)監(jian)控(kong)的(de)位(wei)置(zhi)，以(yi)及(ji)從(cong)一(yi)個(ge)位(wei)置(zhi)到(dao)另(ling)一(yi)個(ge)位(wei)置(zhi)的(de)預(yu)定(ding)順(shun)序(xu)和(he)步(bu)進(jin)時(shi)間(jian)。這(zhe)樣(yang)可(ke)以(yi)實(shi)現(xian)對(dui)寬(kuan)廣(guang)區(qu)域(yu)的(de)遠(yuan)程(cheng)監(jian)控(kong)，無(wu)需(xu)用(yong)戶(hu)輸(shu)入(ru)。

電子器件與 PTZ 電機的匹配

雖然運動控製是 PTZ 實施的核心
，但高效 PTZ xitongdezhongyaoyinsushitongguozhuoyuededianjikongzhishixianpingwenjingquedezhuizong。shejirenyuanjikeyikaolvshiyongwushuazhiliudianji
，yekeyikaolvgengjutiaozhanxingdanwangwangyegengyoulidebujindianji
，yishixiangaojingdu
，bingqiekeyiliyong ADI 的 Trinamic 技術和 IC 實現必要的平穩性和準確性。

低功耗操作也很關鍵。許多配備了精密 PTZ 控製功能的監控攝像頭現在都是支持以太網供電 (PoE) 的設備。最新 PoE 標準 (IEEE 802.3bt-2018) 支持每個以太網電纜連接高達 100 W 的供電。

PTZ 係統的設計人員有三種電機類型可以選擇，而選擇的類型決定了要使用的控製 IC。選擇包括經典的有刷直流電機、無刷直流電機 (BLDC) 和步進電機（圖 2）。

圖 2：三種基本直流電機分別是經典有刷

、無刷和步進電機。（圖片來源：Analog Devices）

每種電機配置在功能
、性能和管理/控製需求方麵各有優劣：

有刷直流電機是最早開發的直流電機
，已經成功使用 100 多(duo)年(nian)。它(ta)設(she)計(ji)簡(jian)單(dan)，但(dan)難(nan)以(yi)控(kong)製(zhi)，最(zui)適(shi)合(he)開(kai)放(fang)式(shi)的(de)自(zi)由(you)運(yun)行(xing)情(qing)況(kuang)

，而(er)不(bu)適(shi)合(he)精(jing)確(que)定(ding)位(wei)或(huo)走(zou)走(zou)停(ting)停(ting)的(de)操(cao)作(zuo)。此(ci)外(wai)，有(you)刷(shua)電(dian)機(ji)的(de)電(dian)刷(shua)會(hui)受(shou)到(dao)磨(mo)損(sun)，存(cun)在(zai)可(ke)靠(kao)性(xing)問(wen)題(ti)，並(bing)且(qie)可(ke)能(neng)產(chan)生(sheng)不(bu)可(ke)接(jie)受(shou)的(de)電(dian)磁(ci)幹(gan)擾(rao) (EMI)。雖然這種電機在低成本的大眾市場應用（如玩具）中
，甚至一些高端應用（如醫療輸液泵）中仍有使用，但對於 PTZ 設計來說
，通常不是可行的選擇。

BLDC 電機（也稱為電子換向或 EC 電機）很適合於帶位置傳感器的閉環設計，這種設計也可用於速度控製（圖 3）。其速度快且使用壽命長，同時封裝高功率密度。

圖 3：BLDC 電機最常用於閉環配置中，以確保定位精度和高速度；安裝在軸上的位置傳感器向伺服控製器提供所需的反饋。（圖片來源：Analog Devices）

對 BLDC 電dian機ji的de控kong製zhi需xu要yao對dui電dian機ji定ding子zi線xian圈quan的de上shang電dian電dian流liu進jin行xing精jing確que定ding時shi。為wei了le提ti高gao性xing能neng和he精jing度du，通tong常chang使shi用yong閉bi環huan反fan饋kui。為wei此ci

，可ke以yi使shi用yong編bian碼ma器qi來lai感gan應ying轉zhuan子zi位wei置zhi，同tong時shi感gan應ying線xian圈quan電dian流liu，以yi用yong於yu實shi施shi磁ci場chang定ding向xiang控kong製zhi (FOC) 的設計（更多關於 FOC 的介紹見下文）。

Trinamic 的 TMC4671-LA 多相伺服控製器/電機驅動器是專門針對此任務設計的 IC，它為 BLDC 電機硬連接了一種嵌入式 FOC 算法（圖 4）。

圖 4：Trinamic 的 TMC4671-LA 伺服控製器/電機驅動器，專門針對 BLDC 電機設計，硬連接了嵌入式 FOC 算法。（圖片來源：Analog Devices）

該器件也可用於其他類型的電機
，如永磁同步電機 (PMSM) 以及兩相步進電機、直流電機和音圈致動器。請注意
，BLDC 電機與 PMSM 的區別是
，前者是直流 (DC) 電機，而 PMSM 是交流 (AC) 電機。因此，BLDC 電機是一種電子換向的直流電機
，沒有物理換向器組件；相反
，PMSM 是一種交流同步電機
，使用永磁體提供必要的磁場激勵。

TMC4671-LA 使用基本的 SPI 或 UART 接口與其微控製器進行通信。該器件在硬件方麵實現了所有需要的控製功能和特性，同時還具有錯誤/故障狀況監測功能。其包含集成式模數轉換器 (ADC)、位置傳感器接口、位置插值器和其他必要的功能，使其成為適用於各種伺服應用的完整控製器。

為了應對 BLDC 電機控製的挑戰
，這一功能性至關重要，因為這些算法非常複雜。幸運的是，複雜的細節完全由 IC 負責處理，所以這些細節不會對設計工程師或係統微控製器造成負擔（圖 5）。

圖 5：TMC4671-LA 包含並執行實現複雜
、精密的 BLDC 控製功能所需的多個鏈接功能塊（如 FOC），從而使設計人員和主機處理器無需執行此任務。（圖片來源：Analog Devices）

其控製回路頻率為 100 kHz

，比許多 BLDC 控製器的 20 kHz 頻率高 4 倍，因此可帶來關鍵優勢，包括更快的穩定時間、對扭矩控製命令更快的響應、更好的位置穩定性
，以及更低的過電流狀況風險。這類風險可能損壞電機驅動器或電機。

步進電機是 BLDC 電機的替代方案。這種電機非常適合用於開環定位或速度操作，並可在低速和中等速度時提供高扭矩（圖 6）。一般來說，性能相當的步進電機比 BLDC 電機便宜

，但步進電機存在必須解決的操作難題。

圖 6：與 BLDC 電機控製器相比，步進電機控製器從主機到電機驅動器和電機的路徑更為直接。（圖片來源：Analog Devices）

乍看之下，步進電機控製器的信號路徑流程似乎比 BLDC 電機控製器簡單一些。雖然在某些方麵確實如此

，但精密有效的步進電機控製器必須提供特定的功能來滿足該電機的需求。

TMC5130A 是一款具有串行通信接口的高性能控製器和驅動器 IC，專為兩相步進電機設計。此類 IC 旨在最大限度地減少或消除相關問題（圖 7）。

圖 7：TMC5130A 是一款高性能的控製器和驅動器 IC，配備串行通信接口

，專為兩相步進電機設計。（圖片來源：Analog Devices）

該器件將用於自動目標定位的靈活斜坡發生器與高度先進的步進電機驅動器相結合。其還包含內部 MOSFET，可以直接提供高達 2 A 的線圈電流（峰值 2.5 A）
，並具有 256 微步/全步的分辨率。

但是，TMC5130A 超chao越yue了le基ji本ben的de步bu進jin電dian機ji驅qu動dong功gong能neng，因yin為wei它ta解jie決jue了le設she計ji人ren員yuan在zai決jue定ding使shi用yong這zhe種zhong電dian機ji類lei型xing時shi所suo麵mian臨lin的de一yi些xie挑tiao戰zhan。兩liang個ge最zui明ming顯xian和he最zui值zhi得de關guan注zhu的de問wen題ti是shi電dian機ji在zai步bu進jin時shi產chan生sheng的de噪zao音yin
，以yi及ji電dian機ji運yun行xing的de“平穩性”。雖然這些在工業應用等環境下可能不是問題，但在 PTZ 監控使用中可能會令人不安
，甚至適得其反。

對於第一個挑戰，TMC5130A 實施了 StealthChop，這是一款專有的基於電壓的脈寬調製 (PWM) 斬波器，可根據占空比調製電流（圖 8）。該功能針對中低速進行了優化，可大幅減少噪音。

圖 8：TMC5130A 中的 StealthChop 技術根據占空比對電流驅動進行調製，大幅減少了步進電機的噪音。（圖片來源：Analog Devices）

對於第二個挑戰，TMC5130A 采用了 SpreadCycle，一yi種zhong專zhuan有you的de電dian流liu斬zhan波bo技ji術shu。這zhe種zhong逐zhu周zhou期qi電dian流liu型xing驅qu動dong斬zhan波bo方fang案an實shi現xian了le驅qu動dong相xiang位wei的de慢man衰shuai減jian，從cong而er減jian少shao了le電dian能neng損sun耗hao和he轉zhuan矩ju波bo動dong。該gai技ji術shu使shi用yong基ji於yu磁ci滯zhi的de電dian機ji電dian流liu與yu目mu標biao電dian流liu平ping均jun方fang式shi，產chan生sheng正zheng弦xian波bo的de電dian機ji電dian流liu，即ji使shi在zai高gao速su下xia也ye是shi如ru此ci（圖 9）。

圖 9：TMC5130A 中的 SpreadCycle 逐周期電流型 MOSFET 斬波方案減少了電能損耗和轉矩波動。（圖片來源：Analog Devices）

TMC5130A 的其他獨特功能包括其 StallGuard 電機失速檢測和 CoolStep 動態自適應電流驅動，其中後者利用了前者。

StallGuard 通過反電動勢 (EMF) tigongwuchuanganqidefuzaijiance，bingnengzaiyizhengbuneitingzhidianji，congerbaohudianjiqudongqihedianji。lingyigehaochushi，tadelingmindukeyitiaozheng
，yifuheyingyongdeyaoqiu。CoolStep 根據反電動勢 StallGuard 的讀數調整電機電流。在低負載情況下，可以將電機電流降低 75%，從而節省電能並減少發熱。

在驅動兩台兩相步進電機而不是一台時
，TMC5072 提供了許多與 TMC5130A 所支持的相同功能（圖 10）。該器件可以驅動兩個獨立的線圈，每個線圈的電流高達 1.1 A（峰值 1.5 A）

；兩個驅動器也可以並行工作，為單個線圈提供 2.2 A（峰值 3 A）電流。

圖 10：TMC5072 是 TMC5130A 的雙驅動版本；兩個獨立的輸出可以並行使用。（圖片來源：Analog Devices）

FOC 改變局麵

還有一個問題是電機的位置反饋。步進電機不需要反饋，但會經常添加反饋以確保高精度控製
，而 BLDC 設計需要反饋。反饋一般使用編碼器（通常基於霍爾效應傳感器或光學編碼器）來實現，但會受限於更新率和分辨率，以及給係統增加的處理負擔。

對於 BLDC 電機
，還有另一種控製選項。磁場定向控製 (FOC)（也稱為矢量控製 (VC)），專為解決與反饋更新率和分辨率有關的問題，以及編碼器成本和安裝問題而設計。

簡而言之，FOC 是一種用於電機的電流調節方案

，其利用磁場方向和電機轉子位置進行調節。FOC 基於“簡單”的觀察結果，即有兩個分力作用在電機的轉子上。一個分力，稱為直接分力或 ID
，隻是沿徑向拉動


；而另一個分力
，即正交分力或 IQ
，是通過切向拉動來施加轉矩（圖 11）。

圖 11：FOC 靈感的原理是觀察到轉子受到兩個正交力的作用，一個是轉子軸上的徑向力
，另一個是切向力。（圖片來源：Analog Devices）。

理想的 FOC 提供了電流的閉環控製，從而產生純轉矩生成的電流 (IQ)，而沒有直接電流 ID。然後，調整驅動電流的強度
，使電機提供目標轉矩量。FOC 的眾多特性之一是，它能最大程度地提高有功功率且最大程度地降低空閑功率。

FOC 是一種高能效的電機控製方法。這種方法在高電機動態和高速度的條件下工作良好，並且因其閉環控製特性，增強了內在的安全功能。FOC 使(shi)用(yong)標(biao)準(zhun)的(de)電(dian)阻(zu)式(shi)電(dian)流(liu)感(gan)應(ying)來(lai)測(ce)量(liang)通(tong)過(guo)定(ding)子(zi)線(xian)圈(quan)的(de)電(dian)流(liu)強(qiang)度(du)和(he)相(xiang)位(wei)，以(yi)及(ji)轉(zhuan)子(zi)的(de)角(jiao)度(du)。然(ran)後(hou)
，將(jiang)測(ce)得(de)的(de)轉(zhuan)子(zi)角(jiao)度(du)調(tiao)整(zheng)到(dao)磁(ci)軸(zhou)上(shang)。轉(zhuan)子(zi)的(de)角(jiao)度(du)用(yong)霍(huo)爾(er)傳(chuan)感(gan)器(qi)或(huo)位(wei)置(zhi)編(bian)碼(ma)器(qi)測(ce)量(liang)得(de)出(chu)，所(suo)以(yi)可(ke)以(yi)知(zhi)道(dao)轉(zhuan)子(zi)的(de)磁(ci)場(chang)方(fang)向(xiang)。

然而
，從 FOC 得出觀察結果到形成完整的電機控製方案，還需要一個漫長而極其複雜的過程。FOC 需要了解一些靜態參數，包括電機磁極對的數量、每轉的編碼器脈衝數、編碼器相對於轉子磁軸的方向和編碼器的計數方向，以及一些動態參數，如相電流和轉子方向。

此外
，用於相電流閉環控製的兩個 PI 控製器的比例和積分（P 和 I）參數的調整取決於電機的電氣參數。這些參數包括電阻
、電感、電機的反電動勢常數（也是電機的轉矩常數）以及電源電壓。

設計人員在應用 FOC 時麵臨的挑戰是所有參數的自由度都很高。雖然 FOC 的流程圖甚至源代碼很容易獲得，但實現 FOC 所需的實際“可交付”代碼複雜而精密。其中包括多種坐標變換，如克拉克變換、帕克變換、逆帕克變換和逆克拉克變換（歸結為一組矩陣乘法），還包括密集的重複計算和運算。網上有許多 FOC 的教程，從定性的無方程式/淺顯的教程到複雜的數學教程

；TMC4671 的規格書介於中間，值得一看。

試圖通過固件來實現 FOC，需要大量的 CPU 計算能力和資源，因此對設計人員選擇處理器會有所限製。然而

，借助 TMC4671
，設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)可(ke)以(yi)從(cong)更(geng)廣(guang)泛(fan)的(de)微(wei)處(chu)理(li)器(qi)甚(shen)至(zhi)低(di)端(duan)微(wei)控(kong)製(zhi)器(qi)中(zhong)進(jin)行(xing)選(xuan)擇(ze)，同(tong)時(shi)還(hai)可(ke)以(yi)避(bi)免(mian)中(zhong)斷(duan)處(chu)理(li)和(he)直(zhi)接(jie)內(nei)存(cun)訪(fang)問(wen)等(deng)編(bian)碼(ma)問(wen)題(ti)。所(suo)需(xu)要(yao)的(de)隻(zhi)是(shi)通(tong)過(guo)其(qi) SPI（或 UART）通信端口與 TMC4671 連接
，因為編程和軟件設計已簡化到隻需初始化和設置目標參數。

不要忘記驅動器

雖然一些電機控製 IC（如用於步進電機的 TMC5130A 和 TMC5072）集成了驅動電流約為 2 A 的電機柵極驅動器功能，但其他 IC（如用於 BLDC 電機的 TMC4671-LA）沒有。對於這些情況，諸如 TMC6100-LA-T 半橋柵極驅動器 IC 等器件增加了這種所需的能力（圖 12）。這款三層半橋 MOSFET 柵極驅動器采用 7 × 7 mm 的 QFN 封裝
，提供高達 1.5 A 的驅動電流
，適合驅動處理高達 100 A 線圈電流的外部 MOSFET。

圖 12：TMC6100-LA-T 半橋柵極驅動器 IC 提供高達 1.5 A 的驅動電流，適合驅動處理高達 100 A 線圈電流的外部 MOSFET。（圖片來源：Analog Devices）。

TMC6100-LA-T 具有對驅動電流進行軟件控製的功能，可對其設置進行係統內優化。該器件還包括可編程的安全功能
，如短路檢測和過熱閾值；搭配用於診斷的 SPI 接口
，支持穩健可靠的設計。

為了進一步加速產品上市時間，方便優化參數和微調驅動器，Trinamic 提供了 TMC6100-EVAL 通用評估板（圖 13）。該評估板方便進行硬件處理
，並且配有用戶友好的評估軟件工具。該係統由三部分組成：一塊底板，一塊帶有幾個測試點的連接器板 TMC6100-EVAL，外加一個 TMC4671-EVAL FOC 控製器。

圖 13：TMC6100-EVAL 通用評估板可簡化為匹配電機和負載情況而需要進行的驅動器參數優化和驅動器微調。（圖片來源：Analog Devices）

總結

用於監控和安防的視頻攝像頭是一種強大的工具，能夠減少親自出行需求和相關的能源使用。這類攝像頭通常采用 PoE 供電，並借助電機驅動的 PTZ 控製來增強功能
，但這種控製功能非常複雜。如前所述，通過整合高效電機控製所需的各種功能
，並根據需要使用柵極驅動器，Trinamic 的 IC 為用於 PTZ 的無刷和步進直流電機提供平穩精確的運動和定位。

Trinamic 為工程師提供了廣泛的解決方案，可加快高效、精密電機控製係統的實施，以滿足應用需求。這些產品解決了硬件方麵的挑戰，從而最大程度地降低了整體設計及軟件的複雜性。

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