Como projetar para um mundo mais seguro usando CIs para PTZ de câmeras de vigilância com eficiência energética

O uso da vigilância por vídeo continua a se espalhar, impulsionado em parte pelo desenvolvimento da inteligência artificial (IA) como parte de várias iniciativas de "cidades inteligentes" com vigilância inteligente e automatizada de ruas públicas, vielas e pontos de encontro. Há também um uso crescente da vigilância por vídeo em áreas fechadas como escritórios, lojas de varejo, saguões residenciais, supermercados, museus, canteiros de obras, ambientes industriais e armazéns, para segurança e proteção. Esse uso generalizado, combinado com as exigências da análise baseada em IA, leva os projetistas a se superarem para melhorar a eficiência e o desempenho do sistema ao mesmo tempo em que reduzem os custos.

Essas melhorias podem, em grande parte, ser realizadas utilizando uma combinação de CIs de imagem compactos, de baixa potência, sensíveis e de alta resolução, combinados com sistemas de controle de movimento inteligentes e precisos. Usando elementos dessa abordagem, os projetistas podem proporcionar um monitoramento de vídeo remoto, eficiente em termos energéticos, que pode eliminar cada vez mais a necessidade de alguém ter que verificar fisicamente uma área ou instalação devido a imagens ambíguas ou incidentes que estão fora da linha de visão de uma câmera.

Como em qualquer área de aplicação em crescimento, porém, há uma variedade de desafios técnicos a serem superados, muitos dos quais podem ser enfrentados diretamente usando subsistemas eletrônicos eficientes em termos energéticos para pan, tilt e zoom (PTZ) de câmeras.

Este artigo examina o papel do PTZ na vigilância e discute como a eficiência energética, a precisão, motores de baixa potência e eletrônica de controle de movimento para controlar as funções PTZ são fundamentais para implementar sistemas de vigilância por vídeo. Em seguida, apresenta e analisa a aplicação de CIs de controle de movimento da TRINAMIC Motion Control GmbH, que agora faz parte da Analog Devices, Inc. As placas de teste também são descritas.

Vigilância eficaz aprimorada pelo controle de movimento PTZ

Seja para instalações de segurança ou monitoramento de processos, os modernos sistemas de vigilância por vídeo são muito mais do que apenas uma câmera apontada para uma zona alvo em uma orientação fixa. Em vez disso, a IA está usando as imagens capturadas de maneira mais eficiente, reduzindo falsos alarmes e garantindo uma ótima distribuição de recursos, enquanto o uso de PTZ motorizado permite que a câmera escaneie da esquerda para a direita (pan) e se mova para cima e para baixo (tilt), redefinindo assim a área que está sendo vigiada (Figura 1). Tanto a IA como o PTZ contribuem para uma abordagem mais eficiente e geralmente mais "verde" da vigilância. No caso do PTZ, e dependendo do projeto do sistema, o movimento pode ser dirigido autonomamente pelo conjunto da câmera, controlado remotamente por um sistema de segurança ou mesmo operado manualmente.

Figura 1: Uma câmera de vigilância com pan da esquerda para a direita, tilt para cima e para baixo e zoom in/out (PTZ) oferece muito mais flexibilidade do que uma câmera estática fixa no local. (Fonte de imagem: Aximmetry Technologies Ltd.)

Esse movimento da câmera via pan e tilt supera o dilema da desvantagem de usar uma lente grande angular com um amplo campo de visão (FOV) que pode capturar uma área maior, mas com perdas dos detalhes da cena e a adição da distorção da curvatura. O recurso PTZ também proporciona economia de custos para o sistema de segurança, já que apenas uma câmera pode fazer o trabalho de várias câmeras estáticas.

O movimento da câmera pode ser conduzido usando diferentes técnicas. Câmeras de vigilância com recurso PTZ muitas vezes também suportam várias posições predefinidas onde o usuário pode especificar as posições desejadas para monitorar, juntamente com a sequência e o tempo programado de passagem de posição para posição. Isso proporciona vigilância remota de uma ampla área sem a intervenção do usuário.

Combinando eletrônica com motores PTZ

Enquanto o controle de movimento está no centro da implementação do PTZ, fatores importantes em sistemas PTZ eficazes são o monitoramento suave e preciso através de um controle de motor melhorado. Os projetistas podem considerar tanto motores CC sem escovas quanto os mais desafiadores — mas muitas vezes vantajosos — motores de passo para alta precisão, ambos podendo alcançar a suavidade e precisão necessárias usando a tecnologia Trinamic e CIs da ADI.

A operação com baixa potência também é crítica. Muitas das câmeras de vigilância equipadas com controle sofisticado de PTZ são agora dispositivos com o recurso de Alimentação via Ethernet (PoE). O último padrão PoE (IEEE 802.3bt-2018) suporta até 100 watts por conexão de cabo Ethernet.

Os projetistas de sistemas PTZ têm três opções para o tipo de motor, e a escolha determina os CIs de controle a serem usados. As opções são o clássico motor CC com escovas, o motor CC sem escovas (BLDC) e o motor de passo (Figura 2).

Figura 2: Os três motores CC básicos são os respeitados motores com escovas, sem escovas e de passo. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Cada escolha de motor tem prós e contras em recursos, desempenho e necessidades de gerenciamento/controle:

O motor CC com escovas foi o primeiro motor CC desenvolvido e está em uso com sucesso há mais de 100 anos. É simples no projeto, mas difícil de controlar e trabalha melhor em situações de funcionamento livre em aberto, em vez de posicionamento preciso ou operação pare-siga. Além disso, suas escovas estão sujeitas a desgaste, têm problemas de confiabilidade e podem gerar interferência eletromagnética (EMI) inaceitável. Embora ainda seja utilizado em aplicações de baixo custo no mercado de massa, como brinquedos, e até mesmo em algumas aplicações de alta tecnologia, como bombas de infusão médica, geralmente não é uma opção viável para projetos PTZ.

O motor BLDC (também chamado de motor comutado eletronicamente, ou EC) é uma boa escolha para projetos em circuito fechado com um sensor de posição, que também pode ser usado para controle de velocidade (Figura 3). Ele pode atingir altas velocidades, longa vida útil e ainda possuir alta densidade de potência.

Figura 3: O motor BLDC é mais frequentemente usado em um arranjo de circuito fechado para precisão de posicionamento e alta velocidade; um sensor de posição montado no eixo fornece o feedback necessário para o servo controlador. (Fonte da imagem: Analog Devices)

O controle de motores BLDC requer um sincronismo preciso da corrente que energiza as bobinas do estator do motor. Para melhorar o desempenho e a precisão, o feedback em circuito fechado é frequentemente utilizado. Para isso, um codificador pode ser usado para detectar a posição do rotor, juntamente com a detecção de corrente da bobina em projetos que implementam o controle orientado a campo (FOC) (mais sobre FOC na sequência).

O servo-controlador multifase/controlador de motor Trinamic TMC4671-LA é um CI projetado especificamente para essa tarefa, e é conectado diretamente com um algoritmo FOC embarcado para motores BLDC (Figura 4).

Figura 4: O servo-controlador/controlador de motor Trinamic TMC4671-LA, projetado para motores BLDC, é conectado diretamente com um algoritmo de FOC incorporado. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Também pode ser usado para outros tipos de motores, tais como motores síncronos de ímã permanente (PMSMs), bem como motores de passo de duas fases, motores CC e atuadores para bobinas de alto-falantes. Observe que a diferença entre o motor BLDC e o PMSM é que o primeiro é um motor de corrente contínua (CC), enquanto o PMSM é um motor de corrente alternada (CA). Assim, o motor BLDC é um motor CC comutado eletronicamente que não possui um conjunto de comutadores físicos; em contraste, o PMSM é um motor síncrono CA que usa ímãs permanentes para fornecer a excitação de campo necessária.

O TMC4671-LA usa uma interface básica SPI ou UART para se comunicar com seu microcontrolador. Ele implementa todas as funções e características de controle necessárias de hardware, juntamente com o monitoramento de erros/falhas. Ele inclui conversores analógico-digitais integrados (ADCs), interfaces de sensor de posição, interpoladores de posição e outras funções necessárias para fornecer um controlador completo para uma ampla gama de aplicações de servo.

Essa funcionalidade é fundamental para enfrentar o desafio do controle do motor BLDC, já que esses algoritmos são muito sofisticados. Felizmente, os complicados detalhes específicos são totalmente tratados pelo CI, portanto, esses detalhes não são um problema para o engenheiro de projeto ou para o microcontrolador do sistema (Figura 5).

Figura 5: O TMC4671-LA contém e executa os múltiplos blocos funcionais interligados necessários para funções de controle BLDC complexas e precisas, tais como o FOC, aliviando assim essa tarefa do projetista e do processador hospedeiro. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Sua frequência de controle de 100 quilohertz (kHz), que é cinco vezes maior que a frequência de 20 kHz de muitos controladores BLDC, produz benefícios críticos que incluem tempo de acomodação mais rápido, resposta mais rápida aos comandos de controle de torque, melhor estabilidade de posição e risco reduzido de situações de sobrecorrente. Esses últimos são potencialmente prejudiciais para o controlador do motor ou para o motor.

O motor de passo é uma alternativa ao motor BLDC. Esse motor é bem adequado para o posicionamento em circuito aberto ou operação em velocidade, bem como para fornecer alto torque em baixas e médias velocidades (Figura 6). Em geral, motores de passo com desempenho comparável são menos caros que os motores BLDC, mas têm desafios operacionais que devem ser resolvidos.

Figura 6: Em comparação com o controlador de motor BLDC, o controlador de motor de passo tem um caminho mais direto do hospedeiro para os controladores de motor e para o motor. (Fonte da imagem: Analog Devices)

À primeira vista, o fluxo de sinal-percurso do controlador do motor de passo parece ser um pouco mais simples do que o do controlador de motor BLDC. Embora isso seja verdade em alguns aspectos, um controlador de motor de passo preciso e eficaz deve fornecer as funções específicas para atender às necessidades desse motor.

CIs como o TMC5130A, um controlador de alto desempenho e um CI controlador com interfaces de comunicação serial — que tem como alvo motores de passo de duas fases — é projetado para minimizar ou eliminar os problemas relacionados (Figura 7).

Figura 7: O TMC5130A é um controlador de alto desempenho e um CI controlador com interfaces de comunicação serial visando motores de passo de duas fases. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Esse dispositivo combina um gerador de rampa flexível para o posicionamento automático do alvo com um controlador de motor de passo altamente avançado. Também inclui MOSFETs internos que podem fornecer diretamente até 2 amperes (A) de corrente da bobina (2,5 A de pico) e apresenta uma resolução de 256 micro-passos por passo completo.

No entanto, o TMC5130A vai além do controle básico do motor de passo, pois soluciona alguns desafios que os projetistas enfrentam quando decidem usar esse tipo de motor. As duas preocupações mais notáveis e perceptíveis são o ruído audível que o motor gera à medida que muda de passo, bem como a "suavidade" da operação do motor. Embora esses possam não ser um problema em ambientes como aplicações industriais, pode ser desconcertante — e até mesmo contraproducente — quando usados na vigilância PTZ.

Para o primeiro desafio, o TMC5130A implementa o StealthChop, um chopper proprietário de modulação por largura de pulso (PWM) baseado em tensão que modula a corrente com base no ciclo de trabalho (Figura 8). Essa característica é otimizada para baixas a médias velocidades e reduz drasticamente o ruído audível.

Figura 8: A técnica StealthChop no TMC5130A modula a corrente de saída com base no ciclo de trabalho, reduzindo muito o ruído audível do motor de passo. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Para o segundo desafio, o TMC5130A utiliza o SpreadCycle, uma técnica proprietária de corte de corrente. Esse esquema de ciclo a ciclo, baseado em corrente, implementa um decaimento lento das fases de acionamento, o que reduz as perdas elétricas e o ripple de torque. Ele usa uma média baseada na histerese da corrente do motor para a corrente alvo, produzindo uma onda senoidal para a corrente do motor, mesmo em altas velocidades (Figura 9).

Figura 9: O esquema de corte MOSFET SpreadCycle ciclo a ciclo baseado na corrente no TMC5130A reduz as perdas elétricas e o ripple de torque. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Outras características únicas do TMC5130A são sua detecção de paralisação de motor StallGuard e o acionamento de corrente adaptativa dinâmica CoolStep, com o último alavancando o primeiro.

O StallGuard fornece detecção de carga sem sensores através da força eletromotriz (EMF) e pode parar um motor dentro de um passo completo, protegendo assim o motor e o controlador do motor. Como um benefício adicional, sua sensibilidade pode ser ajustada para atender às exigências da aplicação. O CoolStep ajusta a corrente do motor com base na leitura do StallGuard da resposta da EMF. Ele pode reduzir a corrente do motor em 75% em situações de baixa carga, levando à economia de energia e à menor geração de calor.

Ao controlar dois motores de passo de duas fases em vez de um único, como no caso do TMC5130A, o TMC5072 está disponível com muitas das mesmas características (Figura 10). Ele pode acionar duas bobinas independentes com até 1,1 A de corrente por bobina (1,5 A de pico); os dois controladores também podem ser ligados em ponte para fornecer 2,2 A (3 A de pico) para uma única bobina.

Figura 10: O TMC5072 é uma versão do TMC5130A, mas com dois controladores; as duas saídas independentes podem ser usadas em ponte. (Fonte da imagem: Analog Devices)

O FOC muda o cenário

Há também a questão do feedback de posição do motor. Os motores de passo não exigem feedback, mas muitas vezes o adicionam para garantir um controle de alta precisão, enquanto os projetos BLDC exigem isso. O feedback é geralmente implementado usando um codificador (normalmente baseado em sensores de efeito Hall ou codificadores ópticos), mas é limitado pela taxa de atualização e resolução, bem como pela carga de processamento que ele acrescenta ao sistema.

Para motores BLDC, há outra opção de controle. O controle orientado a campo (FOC) — também conhecido como controle vetorial (CV) — foi concebido para tratar de questões relacionadas à taxa de atualização e resolução de feedback, bem como os custos dos codificadores e problemas de instalação.

Em resumo, o FOC é um esquema de regulação de corrente para motores que utilizam a orientação do campo magnético e a posição do rotor do motor. É baseado na observação "simples" de que dois componentes de força atuam sobre o rotor de um motor elétrico. Um componente, chamado direto, ou I_D, está apenas puxando na direção radial, enquanto o outro componente, quadratura, ou I_Q, está aplicando torque puxando tangencialmente (Figura 11).

Figura 11: O princípio que inspirou o FOC é a observação de que um rotor está sujeito a duas forças ortogonais, uma radial ao eixo do rotor e a outra tangencial. (Fonte de imagem: Analog Devices).

O FOC ideal fornece controle de corrente em circuito fechado, resultando em uma corrente geradora de torque pura (I_Q) — sem corrente direta, I_D. Em seguida, ajusta as intensidades das correntes de acionamento para que o motor forneça a quantidade de torque desejada. Uma das muitas características do FOC é que ele maximiza a potência ativa e minimiza a energia ociosa.

O FOC é uma abordagem energeticamente eficiente para controlar um motor elétrico. Funciona bem em condições de alta dinâmica motora e alta velocidade, e acrescenta funcionalidade de segurança intrínseca devido a seus aspectos de controle em circuito fechado. Ele usa o sensor de corrente padrão baseado em resistores para medir a magnitude e fase da corrente pelas bobinas do estator e o ângulo do rotor. O ângulo medido do rotor é então ajustado para os eixos magnéticos. O ângulo do rotor é medido usando um sensor Hall ou codificador de posição para que a direção do campo magnético do rotor seja conhecida.

Entretanto, há um caminho longo e extremamente complexo desde as observações do FOC até um esquema completo de controle do motor. O FOC requer o conhecimento de alguns parâmetros estáticos, incluindo o número de pares de pólos do motor, o número de pulsos do codificador por revolução, a orientação do codificador em relação ao eixo magnético do rotor, bem como a direção de contagem do codificador juntamente com alguns parâmetros dinâmicos, tais como correntes de fase e a orientação do rotor.

Além disso, o ajuste dos parâmetros proporcionais e integrais (P e I) dos dois controladores PI usados para o controle das correntes de fase em circuito fechado depende dos parâmetros elétricos do motor. Esses parâmetros incluem resistência, indutância, a constante EMF de retorno do motor (que também é a constante de torque do motor) e a tensão de alimentação.

O desafio enfrentado pelos projetistas ao aplicar o FOC é o alto número de graus de liberdade em todos os parâmetros. Enquanto os fluxogramas e até mesmo o código fonte do FOC estão amplamente disponíveis, o código "shippable" real necessário para implementá-lo é complexo e sofisticado. Inclui múltiplas transformações de coordenadas — a Transformação Clarke, a Transformação Park, a Transformação Park Inversa e a Transformação Clarke Inversa, formuladas como um conjunto de multiplicações de matrizes, assim como cálculos repetidos intensivamente. Há muitos tutoriais de FOC disponíveis on-line, desde os qualitativos, os leves/sem equações, até os intensamente matemáticos; a ficha técnica do TMC4671 fica na média e vale a pena avaliá-la.

A tentativa de implementar o FOC via firmware requer uma potência e recursos computacionais substanciais da CPU e, portanto, restringe o projetista no que diz respeito à seleção do processador. Entretanto, ao utilizar o TMC4671, os projetistas podem selecionar entre uma gama muito maior de microprocessadores e até mesmo microcontroladores de baixo custo, ao mesmo tempo em que estão livres de problemas de codificação, tais como o gerenciamento de interrupções e o acesso direto à memória. Tudo o que é necessário é uma conexão com o TMC4671 através de suas portas de comunicação SPI (ou UART), uma vez que a programação e o projeto de software são reduzidos à inicialização e configuração dos parâmetros alvo.

Não esqueça o controlador

Enquanto alguns CIs de controle de motores, como o TMC5130A e TMC5072 para motores de passo incorporam a funcionalidade de acionadores de porta de motor com aproximadamente 2 A de acionamento, outros CIs como o TMC4671-LA para motores BLDC não incorporam. Para essas situações, dispositivos tais como o TMC6100-LA-T, um CI acionador de porta de meia ponte, acrescentam os recursos necessários (Figura 12). Esse acionador de porta tripla MOSFET de meia ponte vem em um invólucro QFN de 7 × 7 milímetros (mm), fornece até 1,5 A de corrente de acionamento e é adequado para controlar MOSFETs externos que lidam com até 100 A de corrente da bobina.

Figura 12: O CI acionador de porta de meia ponte TMC6100-LA-T fornece até 1,5 A de corrente de acionamento e é adequado para acionar MOSFETs externos que fornecem até 100 A de corrente da bobina. (Fonte de imagem: Analog Devices).

O TMC6100-LA-T possui controle de software da corrente de acionamento para otimização de seus ajustes no sistema. Também inclui recursos de segurança programáveis, tais como detecção de curto-circuito e limites de sobretemperatura; junto com uma interface SPI para diagnósticos, o que dá suporte a projetos robustos e confiáveis.

Para acelerar ainda mais o tempo de colocação no mercado e facilitar a otimização dos parâmetros e o ajuste do controlador, a Trinamic oferece a placa de teste universal TMC6100-EVAL (Figura 13). Essa unidade proporciona um manuseio conveniente do hardware, bem como uma ferramenta de software de fácil utilização para avaliação. O sistema consiste em três partes: uma placa base, uma placa de conectores com vários pontos de teste e o TMC6100-EVAL mais um controlador FOC TMC4671-EVAL.

Figura 13: A placa de teste universal TMC6100-EVAL facilita a otimização dos parâmetros e o ajuste do controlador para corresponder à situação do motor e da carga. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Conclusão

As câmeras de vídeo para vigilância e segurança são uma ferramenta poderosa para reduzir as viagens físicas e todos os demais esforços relacionados. Elas frequentemente utilizam PoE e são aprimoradas com controle PTZ motorizado, mas essa função de controle é complexa. Como mostrado, ao integrar as várias funções necessárias para o controle eficaz do motor — e usando acionadores de porta conforme necessário — os CIs da Trinamic proporcionam movimento e posicionamento suave e preciso para os motores de corrente contínua sem escovas e de passo usados para PTZ.

A Trinamic oferece aos engenheiros uma ampla gama de soluções que aceleram a implementação de sistemas eficientes e precisos de controle de motores adaptados às necessidades da aplicação. Esses produtos solucionam os desafios de hardware, minimizando assim a complexidade geral do projeto e do software.

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