วิธีการออกแบบเพื่อโลกที่ปลอดภัยยิ่งขึ้นโดยใช้ไอซี PTZ ในกล้องวงจรปิดประหยัดพลังงาน

มีการใช้กล้องวงจรปิดอย่างแพร่หลาย ส่วนหนึ่งขับเคลื่อนโดยการพัฒนาปัญญาประดิษฐ์ (AI) ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของโครงการ "เมืองอัจฉริยะ" ต่าง ๆ ด้วยการเฝ้าระวังอัตโนมัติอัจฉริยะในถนนสาธารณะ ตรอกซอกซอย และที่ชุมนุมต่าง ๆ นอกจากนี้ยังมีการใช้กล้องวงจรปิดเพิ่มขึ้นในพื้นที่ปิด เช่น สำนักงาน ร้านค้าปลีก ล็อบบี้ในที่พักอาศัย ซูเปอร์มาร์เก็ต พิพิธภัณฑ์ ไซต์ก่อสร้าง โรงงานอุตสาหกรรม และคลังสินค้าเพื่อความปลอดภัยและการรักษาความปลอดภัย การใช้งานอย่างแพร่หลายนี้ เมื่อใช้ร่วมกับข้อกำหนดของการวิเคราะห์โดยใช้ AI หมายความว่านักออกแบบกำลังแข่งขันกันเพื่อปรับปรุงสมรรถภาพและประสิทธิภาพของระบบพร้อมทั้งลดค่าใช้จ่ายลง

การพัฒนาเหล่านี้ส่วนใหญ่สามารถทำได้โดยใช้การผสมผสานระหว่างไอซีการถ่ายภาพที่มีขนาดกะทัดรัด ใช้พลังงานต่ำ มีความไวสูง ละเอียดอ่อน ร่วมกับระบบควบคุมการเคลื่อนไหวอันชาญฉลาดและแม่นยำ เมื่อใช้องค์ประกอบของแนวทางนี้ นักออกแบบสามารถใช้งานกล้องวงจรปิดระยะไกลที่ประหยัดพลังงาน ซึ่งสามารถขจัดความจำเป็นที่เพิ่มมากขึ้นสำหรับการเดินเข้าไปตรวจสอบพื้นที่หรือสถานที่ต่าง ๆ เนื่องจากภาพที่ไม่ชัดเจนหรือไม่อยู่ในระยะการมองเห็นของกล้อง

อย่างไรก็ตาม เช่นเดียวกับการใช้งานที่กำลังเพิ่มขึ้น มีความท้าทายทางเทคนิคมากมายที่ต้องเอาชนะ ซึ่งหลายปัญหาสามารถแก้ไขได้โดยตรงโดยใช้ระบบอิเล็กทรอนิกส์ย่อยที่ประหยัดพลังงานสำหรับการแพนกล้อง ก้มเงย และการซูม (Pan, Tilt and Zoom: PTZ)

บทความนี้กล่าวถึงบทบาทของ PTZ ในการเฝ้าระวังและอภิปรายว่ามอเตอร์ที่ประหยัดพลังงาน แม่นยำ ใช้พลังงานต่ำ และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ควบคุมการเคลื่อนไหวสำหรับการควบคุมฟังก์ชัน PTZ เป็นกุญแจสำคัญในการนำระบบกล้องวงจรปิดไปใช้อย่างไร จากนั้นจึงแนะนำและศึกษาการประยุกต์ใช้ไอซีควบคุมการเคลื่อนไหวจาก TRINAMIC Motion Control GmbH ซึ่งตอนนี้เป็นส่วนหนึ่งของ Analog Devices, Inc. รวมทั้งมีการอธิบายถึงบอร์ดประเมินผลด้วย

กล้องวงจรปิดที่มีประสิทธิภาพเพิ่มขึ้นด้วยการควบคุมการเคลื่อนไหว PTZ

ไม่ว่าจะเป็นการติดตั้งระบบรักษาความปลอดภัยหรือการตรวจสอบกระบวนการ ระบบกล้องวงจรปิดสมัยใหม่เป็นมากกว่าแค่กล้องที่ส่องไปในทิศทางคงทีไปยังตำแหน่งเป้าหมาย แต่ AI กลับใช้ภาพที่ถ่ายได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นโดยลดการเตือนที่ผิดพลาดและปรับใช้ทรัพยากรที่เหมาะสมที่สุด ในขณะที่การใช้ PTZ แบบมอเตอร์ทำให้กล้องสามารถหมุนจากซ้ายไปขวา (แพน) และเลื่อนขึ้นและลง (ก้มเงย) เป็นการกำหนดพื้นที่เป้าหมาย (รูปที่ 1) ทั้ง AI และ PTZ มีส่วนช่วยให้กล้องวงจรปิดมีประสิทธิภาพมากขึ้นและ "เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม" ในกรณีของ PTZ และขึ้นอยู่กับการออกแบบระบบ การเคลื่อนไหวสามารถสั่งการได้โดยอัตโนมัติโดยชุดกล้อง ควบคุมจากระยะไกลโดยระบบรักษาความปลอดภัย หรือแม้กระทั่งการควบคุมด้วยผู้ควบคุม

รูปที่ 1: กล้องวงจรปิดที่มีการแพนจากซ้ายไปขวา เอียงขึ้นและลง และซูมเข้า/ออก (PTZ) ให้ความยืดหยุ่นมากกว่ากล้องที่ติดตั้งอยู่กับที่ (แหล่งที่มาภาพ: Aximmetry Technologies Ltd.)

การเคลื่อนที่ของกล้องผ่านการแพนและก้มเงยช่วยขจัดปัญหาที่กลืนไม่เข้าคายไม่ออกของการใช้เลนส์มุมกว้างและมุมมองภาพกว้าง (FOV) ที่สามารถจับภาพพื้นที่ขนาดใหญ่ขึ้นได้ แต่ต้องเสียรายละเอียดภาพและมีการบิดเบือนความโค้ง ความสามารถของ PTZ ยังช่วยประหยัดค่าใช้จ่ายสำหรับระบบรักษาความปลอดภัย เนื่องจากกล้องหนึ่งตัวสามารถทำงานแทนกล้องแบบคงที่หลายตัวได้

การเคลื่อนไหวของกล้องสามารถกำหนดได้ด้วยเทคนิคต่างๆ กล้องวงจรปิดที่มีความสามารถ PTZ มักจะรองรับตำแหน่งที่ตั้งไว้ล่วงหน้าหลายตำแหน่ง ซึ่งผู้ใช้สามารถระบุตำแหน่งที่ต้องการตรวจสอบได้ พร้อมกับการจัดลำดับตามกำหนดเวลาและระยะเวลาในการหมุนจากตำแหน่งหนึ่งไปยังอีกตำแหน่งหนึ่ง ซึ่งให้การเฝ้าระวังระยะไกลในพื้นที่กว้างโดยไม่ต้องให้ผู้ใช้งานเป็นผู้ควบคุม

จับคู่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กับมอเตอร์ PTZ

ในขณะที่การควบคุมการเคลื่อนไหวเป็นหัวใจสำคัญของการใช้งาน PTZ ปัจจัยสำคัญในระบบ PTZ ที่มีประสิทธิภาพคือการติดตามที่ราบรื่นและแม่นยำผ่านการควบคุมมอเตอร์ที่เหนือกว่า นักออกแบบสามารถพิจารณาใช้มอเตอร์ DC แบบไร้แปรงถ่านหรือสเต็ปเปอร์มอเตอร์ที่ท้าทายกว่าแต่มีข้อดีมากกว่า เพื่อความแม่นยำสูงและสามารถติดตามได้อย่างราบรื่นและแม่นยำโดยใช้ไอซีและเทคโนโลยี Trinamic ของ ADI

การทำงานที่ใช้พลังงานต่ำก็มีความสำคัญเช่นกัน กล้องวงจรปิดหลายตัวที่ติดตั้งระบบควบคุม PTZ ที่ซับซ้อน ปัจจุบันเป็นอุปกรณ์ที่เปิดใช้งาน Power over Ethernet (PoE) มาตรฐาน PoE ล่าสุด (IEEE 802.3bt-2018) รองรับสูงสุด 100 วัตต์ต่อการเชื่อมต่อสายอีเธอร์เน็ต

ผู้ออกแบบระบบ PTZ มีตัวเลือกประเภทมอเตอร์สามตัวเลือกที่จะเป็นตัวกำหนดไอซีควบคุมที่จะใช้ ตัวเลือกต่าง ๆ ได้แก่ มอเตอร์ DC แบบมีแปรงถ่าน, มอเตอร์ DC แบบไร้แปรงถ่าน (BLDC) และสเต็ปเปอร์มอเตอร์ (รูปที่ 2)

รูปที่ 2: มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงพื้นฐานสามตัวคือมอเตอร์แบบแปรงถ่าน แบบไร้แปรงถ่าน และสเต็ปเปอร์มอเตอร์ (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

รูปแบบมอเตอร์แต่ละแบบมีข้อดีข้อด้วยในด้านความสามารถ ประสิทธิภาพ และความต้องการด้านการจัดการ/การควบคุมที่แตกต่างกัน:

มอเตอร์ DC แบบแปรงถ่าน เป็นมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงแบบแรกที่พัฒนาขึ้นและใช้งานอย่างประสบความสำเร็จมามากกว่า 100 ปี มอเตอร์ชนิดนี้มีการออกแบบที่เรียบง่ายแต่ควบคุมได้ยาก และทำงานได้ดีที่สุดสำหรับสถานการณ์การทำงานอิสระแบบปลายเปิดมากกว่าการกำหนดตำแหน่งที่แม่นยำหรือการทำงานสลับหยุด นอกจากนี้ แปรงถ่านก็อาจมีการสึกหรอ มีปัญหาด้านความน่าเชื่อถือ และอาจสร้างการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) ที่ไม่สามารถยอมรับได้ แม้ว่าจะยังคงใช้งานในตลาดทั่วไปที่มีต้นทุนต่ำ เช่น ของเล่น และแม้แต่การใช้งานระดับสูงบางอย่าง เช่น เครื่องควบคุมการให้สารละลายทางหลอดเลือดดำ แต่โดยทั่วไปแล้ว มันยังไม่ใช่ตัวเลือกที่เหมาะสมสำหรับการออกแบบ PTZ

มอเตอร์ BLDC (เรียกอีกอย่างว่ามอเตอร์สับเปลี่ยนทางอิเล็กทรอนิกส์หรือ EC) เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการออกแบบแบบวงปิดที่มีเซนเซอร์ตรวจวัดตำแหน่ง ซึ่งสามารถใช้สำหรับการควบคุมความเร็วได้ด้วย (รูปที่ 3) และยังสามารถให้ความเร็วสูงและอายุการใช้งานยาวนาน แต่ก็มีความหนาแน่นของพลังงานสูง

รูปที่ 3: มอเตอร์ BLDC มักใช้ในรูปแบบแบบวงปิดเพื่อความแม่นยำในการระบุตำแหน่งและความเร็วสูง เซ็นเซอร์ตำแหน่งที่ติดตั้งบนเพลาให้สัญญาณตอบกลับที่จำเป็นไปยังตัวควบคุมเซอร์โว (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

การควบคุมมอเตอร์ BLDC ต้องมีระยะเวลาที่กระแสไฟฟ้าที่กระตุ้นขดลวดสเตเตอร์ของมอเตอร์ที่แม่นยำ เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพและความแม่นยำ มักจะใช้สัญญาณป้อนกลับแบบวงปิด โดยสามารถใช้เอนโค้ดเดอร์เพื่อตรวจจับตำแหน่งของโรเตอร์ ควบคู่ไปกับการตรวจจับกระแสคอยล์สำหรับการออกแบบที่ใช้การควบคุมสนามแม่เหล็ก (Field-Oriented Control: FOC) (ข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับ FOC จะนำเสนอภายหลัง)

ตัวควบคุมเซอร์โวหลายเฟส/ไดรเวอร์มอเตอร์ Trinamic TMC4671-LA เป็นไอซีที่ออกแบบมาสำหรับงานนี้โดยเฉพาะ และเดินสายไฟด้วยอัลกอริทึม FOC แบบฝังสำหรับมอเตอร์ BLDC (รูปที่ 4)

รูปที่ 4: ตัวควบคุมเซอร์โว/ไดรเวอร์มอเตอร์ Trinamic TMC4671-LA ซึ่งออกแบบมาสำหรับมอเตอร์ BLDC เดินสายไฟด้วยอัลกอริทึม FOC แบบฝัง (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

นอกจากนี้ยังสามารถใช้ไอซีดังกล่าวกับมอเตอร์ประเภทอื่น ๆ เช่น มอเตอร์ซิงโครนัสชนิดแม่เหล็กถาวร (PMSM) เช่นเดียวกับสเต็ปเปอร์มอเตอร์แบบสองเฟส มอเตอร์กระแสตรง และแอคชูเอเตอร์ขดลวดเสียง จะเห็นว่าความแตกต่างระหว่างมอเตอร์ BLDC และ PMSM คือ มอเตอร์แบบแรกเป็นมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง (DC) ในขณะที่ PMSM เป็นมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับ (AC) ดังนั้น มอเตอร์ BLDC จึงเป็นมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงที่มีการสับเปลี่ยนทางอิเล็กทรอนิกส์ซึ่งไม่มีชุดสับเปลี่ยนทางกายภาพ ในทางกลับกัน PMSM เป็นมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับแบบซิงโครนัสที่ใช้แม่เหล็กถาวรในการกระตุ้นสนามแม่เหล็กที่จำเป็น

TMC4671-LA ใช้อินเทอร์เฟซ SPI หรือ UART พื้นฐานเพื่อสื่อสารกับไมโครคอนโทรลเลอร์ ใช้ฟังก์ชันและคุณลักษณะการควบคุมที่จำเป็นทั้งหมดในฮาร์ดแวร์ พร้อมด้วยการตรวจสอบข้อผิดพลาด ประกอบด้วยตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิทัลในตัว (ADC), อินเทอร์เฟซเซ็นเซอร์ตำแหน่ง, ตัวแก้ไขตำแหน่ง และฟังก์ชันอื่น ๆ ที่จำเป็นในการเปิดใช้ตัวควบคุมที่สมบูรณ์สำหรับการใช้งานเซอร์โวที่หลากหลาย

ฟังก์ชันนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อความท้าทายในการควบคุมมอเตอร์ของ BLDC เนื่องจากอัลกอริทึมเหล่านี้มีความซับซ้อนมาก แต่โชคดีที่ข้อมูลเฉพาะที่ซับซ้อนได้รับการดูแลโดยไอซี ดังนั้นรายละเอียดเหล่านี้จึงไม่เป็นภาระแก่วิศวกรผู้ออกแบบหรือไมโครคอนโทรลเลอร์ของระบบ (รูปที่ 5)

รูปที่ 5: TMC4671-LA ประกอบด้วยและดำเนินการบล็อกฟังก์ชันที่เชื่อมโยงหลายชุดซึ่งจำเป็นสำหรับฟังก์ชันการควบคุม BLDC ที่ซับซ้อนและแม่นยำ เช่น FOC ดังนั้นจึงไม่ต้องโหลดงานนี้จากผู้ออกแบบและโฮสต์โปรเซสเซอร์ (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

ความถี่ลูปควบคุม 100 กิโลเฮิรตซ์ (kHz) ซึ่งสูงกว่าความถี่ 20 กิโลเฮิรตซ์ของตัวควบคุม BLDC หลายตัวถึงห้าเท่ามีประโยชน์ที่สำคัญซึ่งรวมถึงเวลาเข้าที่ที่เร็วขึ้น การตอบสนองต่อคำสั่งควบคุมแรงบิดที่เร็วขึ้น ความเสถียรของตำแหน่งที่ดีขึ้น และความเสี่ยงต่อสถานการณ์กระแสเกินที่ลดลง ข้อหลังอาจสร้างความเสียหายต่อตัวขับมอเตอร์หรือตัวมอเตอร์ได้

สเต็ปเปอร์มอเตอร์ เป็นอีกทางเลือกหนึ่งของมอเตอร์ BLDC มอเตอร์นี้เหมาะสมอย่างยิ่งกับตำแหน่งวงเปิดหรือการทำงานด้วยความเร็ว รวมทั้งให้แรงบิดสูงที่ความเร็วช่วงต่ำและช่วงกลาง (รูปที่ 6) โดยทั่วไป สเต็ปเปอร์มอเตอร์ที่มีประสิทธิภาพเทียบเท่ากันจะมีราคาถูกกว่ามอเตอร์ BLDC แต่มีความท้าทายที่ต้องแก้ไข

รูปที่ 6: เมื่อเปรียบเทียบกับตัวควบคุมมอเตอร์ BLDC ตัวควบคุมสเต็ปเปอร์มอเตอร์มีเส้นทางจากโฮสต์ไปยังไดรเวอร์มอเตอร์และมอเตอร์ที่ตรงกว่า (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

เมื่อมองแวบแรก การไหลของเส้นทางสัญญาณของสเต็ปเปอร์มอเตอร์คอนโทรลเลอร์ดูเหมือนจะค่อนข้างง่ายกว่าตัวควบคุมมอเตอร์ BLDC แม้ว่าสิ่งนี้จะเป็นจริงในบางแง่ แต่ตัวควบคุมสเต็ปเปอร์มอเตอร์ที่แม่นยำและมีประสิทธิภาพจะต้องมีฟังก์ชันเฉพาะเพื่อตอบสนองความต้องการของมอเตอร์นั้น

ไอซีเช่น TMC5130A ไอซีคอนโทรลเลอร์และไดรเวอร์ประสิทธิภาพสูงพร้อมอินเทอร์เฟซการสื่อสารแบบอนุกรม ซึ่งมีเป้าหมายเป็นสเต็ปเปอร์มอเตอร์แบบสองเฟส ได้รับการออกแบบมาเพื่อลดหรือขจัดปัญหาที่เกี่ยวข้อง (รูปที่ 7)

รูปที่ 7: TMC5130A เป็นไอซีคอนโทรลเลอร์และไดรเวอร์ประสิทธิภาพสูง พร้อมอินเทอร์เฟซการสื่อสารแบบอนุกรมที่กำหนดเป้าหมายเป็นสเต็ปเปอร์มอเตอร์แบบสองเฟส (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

อุปกรณ์นี้มีตัวกำเนิดสัญญาณแรมป์ที่ยืดหยุ่นสำหรับการวางตำแหน่งเป้าหมายอัตโนมัติเข้ากับตัวขับสเต็ปเปอร์มอเตอร์ขั้นสูง นอกจากนี้ยังมี MOSFET ภายในที่สามารถจ่ายกระแสคอยล์ได้สูงสุด 2 แอมแปร์ (A) (สูงสุด 2.5 A) และมีความละเอียด 256 ไมโครสเต็ปต่อฟูลสเต็ป

อย่างไรก็ตาม TMC5130A เป็นมากกว่าการขับสเต็ปเปอร์มอเตอร์พื้นฐาน เนื่องจากเป็นการรับมือกับความท้าทายบางอย่างที่นักออกแบบต้องเผชิญเมื่อตัดสินใจใช้มอเตอร์ประเภทนี้ ข้อกังวลที่โดดเด่นและสังเกตเห็นได้ชัดเจนที่สุด 2 ประการคือเสียงที่เกิดขึ้นขณะทำงาน เช่นเดียวกับ "ความนุ่มนวล" ของการทำงานของมอเตอร์ แม้ว่าสิ่งเหล่านี้อาจไม่ใช่ปัญหาในการรูปแบบการใช้งานต่าง ๆ เช่น การใช้งานในภาคอุตสาหกรรม แต่อาจทำให้สับสน และขัดแย้งการใช้งานในกล้องวงจรปิดแบบ PTZ

สำหรับความท้าทายแรก TMC5130A ขจะใช้ StealthChop ซึ่งเป็นวงจรช็อปเปอร์มอดูเลตด้วยความกว้างของสัญญาณพัลส์ (PWM) ตามแรงดันไฟฟ้าที่เป็นเอกสิทธิ์เฉพาะ ซึ่งจะปรับกระแสตามรอบการทำงาน (รูปที่ 8) คุณลักษณะนี้ได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับความเร็วต่ำถึงปานกลาง และลดเสียงรบกวนได้อย่างมาก

รูปที่ 8: เทคนิค StealthChop ใน TMC5130A ปรับไดรฟ์กระแสไฟฟ้าตามรอบการทำงาน ซึ่งช่วยลดเสียงรบกวนจากสเต็ปเปอร์มอเตอร์ได้อย่างมาก (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

สำหรับความท้าทายที่สอง TMC5130A ใช้ SpreadCycle ซึ่งเป็นเทคนิคการช็อปเปอร์กระแสที่เป็นเอกสิทธิ์เฉพาะ รูปแบบการช็อปเปอร์ของไดรฟ์แบบรอบต่อรอบตามกระแสนี้ใช้การสลายตัวของเฟสไดรฟ์อย่างช้า ๆ ซึ่งช่วยลดการสูญเสียทางไฟฟ้าและแรงกระเพื่อมของแรงบิด โดยใช้ค่าเฉลี่ยของกระแสมอเตอร์ตามฮิสเทรีซิสกับกระแสเป้าหมาย ทำให้เกิดคลื่นไซน์สำหรับกระแสมอเตอร์ แม้ในความเร็วสูง (รูปที่ 9)

รูปที่ 9: รูปแบบการช็อปเปอร์ MOSFET ตามกระแสแบบรอบต่อรอบของ SpreadCycle ใน TMC5130A ช่วยลดการสูญเสียทางไฟฟ้าและแรงกระเพื่อมของแรงบิด (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

คุณสมบัติที่เป็นเอกลักษณ์อื่น ๆ ของ TMC5130A คือการตรวจจับสภาวะที่มอเตอร์ถูกล๊อค StallGuard และไดรฟ์กระแสปรับได้แบบไดนามิก CoolStep โดย CoolStep ใช้ประโยชน์จาก StallGuard

StallGuard ให้การตรวจจับโหลดแบบไร้เซนเซอร์ผ่านแรงเคลื่อนไฟฟ้าย้อนกลับ (EMF) และสามารถหยุดมอเตอร์ได้ภายในสเต็ปเดียว จึงช่วยปกป้องตัวขับมอเตอร์และมอเตอร์ ข้อดีเพิ่มเติมคือ สามารถปรับความไวให้ตรงกับความต้องการของการใช้งานได้ CoolStep ปรับกระแสมอเตอร์ตามค่า StallGuard EMF ย้อนหลัง ซึ่งสามารถลดกระแสมอเตอร์ได้ 75% เมื่อโหลดต่ำ ซึ่งนำไปสู่การประหยัดพลังงานและลดความร้อนลง

เมื่อขับสเต็ปเปอร์มอเตอร์สองเฟสสองตัวแทนที่จะเป็นตัวเดียวที่ใช้ TMC5130A ซึ่ง TMC5072 มีคุณลักษณะหลายอย่างเหมือนกัน (รูปที่ 10) โดย TMC5072 สามารถขับสองขดลวดแยกกันที่มีกระแสสูงสุด 1.1 A ต่อขดลวด (สูงสุด 1.5 A) ไดรเวอร์สองตัวยังสามารถขนานกันเพื่อให้ได้กระแสไฟฟ้า 2.2 A (สูงสุด 3 A) ไปยังคอยล์เดียว

รูปที่ 10: TMC5072 เป็น TMC5130A แบบไดร์ฟเวอร์คู่ โดยสามารถใช้เอาต์พุตอิสระสองตัวแบบขนานได้ (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

FOC เปลี่ยนสถานการณ์

นอกจากนี้ยังมีปัญหาของสัญญาณตำแหน่งมอเตอร์ป้อนกลับ สเต็ปเปอร์มอเตอร์ไม่ต้องมีสัญญาณป้อนกลับ แต่มักจะเพิ่มเข้าไปเพื่อให้มั่นใจว่ามีการควบคุมที่มีความแม่นยำสูง ในขณะที่ BLDC จะต้องใช้สัญญาณดังกล่าว สัญญาณป้อนกลับมักถูกนำไปใช้โดยใช้เอนโค้ดเดอร์ (โดยทั่วไปจะมาจากเซ็นเซอร์ฮอลล์เอฟเฟคหรือตัวเข้ารหัสแบบออปติคัล) แต่ถูกจำกัดด้วยอัตราการอัปเดตและความละเอียด ตลอดจนภาระการประมวลผลที่เพิ่มเข้าไปในระบบ

สำหรับมอเตอร์ BLDC มีตัวเลือกการควบคุมอื่น การควบคุมสนามแม่เหล็ก (FOC) หรือที่เรียกว่าการควบคุมเวกเตอร์ (VC) ได้รับการคิดค้นขึ้นเพื่อจัดการกับปัญหาที่เกี่ยวข้องกับอัตราการอัปเดตและความละเอียดของสัญญาณป้อนกลับ ตลอดจนต้นทุนของเอนโค้ดเดอร์และปัญหาการติดตั้ง

กล่าวโดยย่อคือ FOC เป็นการควบคุมกระแสไฟฟ้าสำหรับมอเตอร์ที่ใช้ทิศทางของสนามแม่เหล็กและตำแหน่งของโรเตอร์ของมอเตอร์ ขึ้นอยู่กับข้อสังเกตแบบ "ง่ายๆ" ที่องค์ประกอบแรงสองส่วนกระทำกับโรเตอร์ของมอเตอร์ไฟฟ้า แรงหนึ่ง เรียกว่า แรงโดยตรง หรือ I_D เป็นเพียงการดึงในแนวรัศมี ในขณะที่อีกแรงหนึ่ง แรงควอดราเจอร์ หรือ I_Q กำลังใช้แรงบิดโดยการดึงในแนวสัมผัสวง (รูปที่ 11)

รูปที่ 11: หลักการที่เป็นแรงบันดาลใจให้ FOC คือการสังเกตว่าโรเตอร์อยู่ภายใต้แรงตั้งฉากสองแรง แรงหนึ่งอยู่ในแนวรัศมีกับแกนโรเตอร์ และอีกแรงหนึ่งเป็นแนวสัมผัสวง (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

FOC ในอุดมคติให้การควบคุมกระแสแบบวงปิด ส่งผลให้กระแสสร้างแรงบิดบริสุทธิ์ (I_Q) ไม่มีกระแสโดยตรง I_D จากนั้นจะปรับความแรงของกระแสขับเพื่อให้มอเตอร์ให้แรงบิดตามเป้าหมาย หนึ่งในคุณสมบัติมากมายของ FOC คือเพิ่มพลังงานที่ใช้งานให้สูงสุดและลดพลังงานที่ไม่ได้ใช้งานให้เหลือน้อยที่สุด

FOC เป็นวิธีการประหยัดพลังงานในการควบคุมมอเตอร์ไฟฟ้า ทำงานได้ดีกับสภาวะที่มีไดนามิกของมอเตอร์สูงและความเร็วสูง และเพิ่มฟังก์ชันความปลอดภัย เนื่องจากลักษณะการควบคุมแบบวงปิด โดยจะใช้การตรวจจับกระแสตามตัวต้านทานมาตรฐานเพื่อวัดขนาดและเฟสของกระแสผ่านขดลวดของสเตเตอร์และมุมของโรเตอร์ จากนั้นจะปรับมุมที่วัดได้ของโรเตอร์ให้เข้ากับแกนแม่เหล็ก ซึ่งจะวัดมุมของโรเตอร์โดยใช้เซ็นเซอร์ฮอลล์หรือเอนโค้ดเดอร์ตำแหน่ง เพื่อให้ทราบทิศทางของสนามแม่เหล็กจากโรเตอร์

อย่างไรก็ตาม มีเส้นทางที่ยาวและซับซ้อนมากจาก FOC ไปจนถึงแผนการควบคุมมอเตอร์ที่สมบูรณ์ โดย FOC ต้องใช้ความรู้เกี่ยวกับพารามิเตอร์คงที่บางพารามิเตอร์ รวมถึงจำนวนคู่ขั้วมอเตอร์ จำนวนพัลส์ของเอนโค้ดเดอร์ต่อรอบ การวางตัวเข้ารหัสที่สัมพันธ์กับแกนแม่เหล็กของโรเตอร์ ตลอดจนทิศทางการนับของเอนโค้ดเดอร์ ร่วมกับพารามิเตอร์ไดนามิกบางตัว เช่น กระแสเฟสและทิศทางของโรเตอร์

นอกจากนี้ การปรับพารามิเตอร์สัดส่วนและอินทิกรัล (P และ I) ของตัวควบคุม PI สองตัวที่ใช้สำหรับการควบคุมกระแสเฟสแบบวงปิดตามพารามิเตอร์ทางไฟฟ้าของมอเตอร์ พารามิเตอร์เหล่านี้รวมถึงความต้านทาน ความเหนี่ยวนำ ค่าคงที่ EMF ย้อนกลับของมอเตอร์ (ซึ่งเป็นค่าคงที่ของแรงบิดของมอเตอร์ด้วย) และแรงดันไฟฟ้า

ความท้าทายที่นักออกแบบต้องเผชิญเมื่อใช้ FOC คือระดับความเป็นอิสระสูงในทุกพารามิเตอร์ ในขณะที่แผนผังลำดับงานและแม้กระทั่งซอร์สโค้ดสำหรับ FOC มีให้ใช้งานอย่างแพร่หลาย แต่โค้ด "ใช้ได้" จริงที่จำเป็นต่อการนำไปใช้นั้นซับซ้อน ประกอบด้วยการแปลงพิกัดหลายรายการ ได้แก่ การแปลงคลาร์ก การแปลงพาร์ค การแปลงพาร์คผกผัน และการแปลงคลาร์กผกผัน ซึ่งกำหนดเป็นชุดของการคูณเมทริกซ์ ตลอดจนการคำนวณซ้ำอย่างเข้มข้น มีแบบฝึก FOC มากมายทางออนไลน์ ตั้งแต่แบบฝึกเชิงคุณภาพ แบบไม่มีสมการ/แบบง่าย ไปจนถึงแบบฝึกทางคณิตศาสตร์เข้มข้น เอกสารข้อมูล TMC4671 อยู่ตรงกลางและควรค่าแก่การศึกษา

ความพยายามที่จะปรับใช้ FOC ผ่านเฟิร์มแวร์นั้นต้องใช้พลังการประมวลผลและทรัพยากรของ CPU จำนวนมาก ดังนั้นจึงเป็นข้อจำกัดของผู้ออกแบบในส่วนที่เกี่ยวกับการเลือกโปรเซสเซอร์ อย่างไรก็ตาม เมื่อใช้ TMC4671 นักออกแบบจะสามารถเลือกไมโครโปรเซสเซอร์ได้หลากหลายกว่ามาก หรือแม้แต่จะเลือกใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์ระดับล่าง ขณะเดียวกันก็ไม่มีปัญหาในการเข้ารหัส เช่น การจัดการการอินเตอร์รัพท์และการเข้าถึงหน่วยความจำโดยตรง สิ่งที่จำเป็นคือการเชื่อมต่อกับ TMC4671 ผ่านพอร์ตสื่อสาร SPI (หรือ UART) เนื่องจากการเขียนโปรแกรมและการออกแบบซอฟต์แวร์จะลดลงเหลือเพียงการเริ่มต้นและการตั้งค่าพารามิเตอร์เป้าหมาย

อย่าลืมไดร์ฟเวอร์

ในขณะที่ไอซีควบคุมมอเตอร์บางตัว เช่น TMC5130A และ TMC5072 สำหรับสเต็ปเปอร์มอเตอร์รวมฟังก์ชันขับเกทมอเตอร์ด้วยไดรฟ์ประมาณ 2 A ไอซีอื่นๆ เช่น TMC4671-LA สำหรับมอเตอร์ BLDC นั้นไม่มีฟังก์ชันดังกล่าว สำหรับสถานการณ์เหล่านี้ อุปกรณ์ต่างๆ เช่น ไอซีเกตไดร์ฟเวอร์ฮาร์ฟบริดจ์ TMC6100-LA-T เพิ่มความสามารถที่จำเป็น (รูปที่ 12) เกตไดรเวอร์ MOSFET แบบฮาล์ฟบริดจ์สามตัวนี้มาในแพ็คเกจ QFN ขนาด 7 × 7 มม. (มม.) ให้กระแสไดร์ฟสูงสุด 1.5 A และเหมาะสำหรับการไดร์ฟ MOSFET ภายนอกที่รองรับกระแสคอยล์ได้สูงสุด 100 A

รูปที่ 12: ไอซีเกตไดร์ฟเวอร์แบบฮาล์ฟบริดจ์ TMC6100-LA-T ให้กระแสขับสูงถึง 1.5 A และเหมาะสำหรับการไดร์ฟ MOSFET ภายนอกที่ให้กระแสขดลวดสูงถึง 100 A (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

TMC6100-LA-T มีซอฟต์แวร์ควบคุมกระแสไดรฟ์สำหรับการปรับการตั้งค่าให้เหมาะสมในระบบ นอกจากนี้ยังมีคุณสมบัติด้านความปลอดภัยที่ตั้งโปรแกรมได้ เช่น การตรวจจับการลัดวงจรและอุณหภูมิเกินขีดจำกัด เมื่อรวมกับอินเทอร์เฟซ SPI สำหรับการวินิจฉัย ซึ่งจะทำให้เกิดการออกแบบที่แข็งแกร่งและเชื่อถือได้

เพื่อเร่งเวลาในการออกสู่ตลาดให้เร็วขึ้นและง่ายต่อการปรับแต่งค่าพารามิเตอร์และการปรับจูนไดรเวอร์ Trinamic ขอนำเสนอบอร์ดประเมินผล TMC6100-EVAL (รูปที่ 13) บอร์ดประเมินผลนี้ให้การจัดการฮาร์ดแวร์ที่สะดวก รวมทั้งเครื่องมือซอฟต์แวร์ที่ใช้งานง่ายสำหรับการประเมิน โดยระบบประกอบด้วยสามส่วน: บอร์ดฐาน, บอร์ดตัวเชื่อมต่อที่มีจุดทดสอบหลายจุด, TMC6100-EVAL และตัวควบคุม FOC TMC4671-EVAL

รูปที่ 13: บอร์ดประเมินผล TMC6100-EVAL ช่วยให้การปรับพารามิเตอร์ไดรเวอร์ให้เหมาะสมและปรับแต่งไดรเวอร์ให้เหมาะกับมอเตอร์และโหลดได้ง่ายขึ้น (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

สรุป

กล้องวงจรปิดสำหรับการเฝ้าระวังและรักษาความปลอดภัยเป็นเครื่องมือที่มีประสิทธิภาพในการลดการเดินเท้าเข้าไปตรวจสอบและการใช้พลังงานที่เกี่ยวข้อง กล้องเหล่านั้นมักจะใช้ PoE และได้รับการพัฒนาโดยการควบคุม PTZ ที่ขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์ แต่ฟังก์ชันการควบคุมนี้มีความซับซ้อน ดังที่แสดงไว้ข้างต้น ไอซีจาก Trinamic ช่วยให้การเคลื่อนไหวและการวางตำแหน่งราบรื่นและแม่นยำสำหรับมอเตอร์ DC แบบไร้แปรงถ่านและสเต็ปเปอร์ที่ใช้สำหรับ PTZ จากการผสานรวมฟังก์ชันต่าง ๆ ที่จำเป็นสำหรับการควบคุมมอเตอร์อย่างมีประสิทธิภาพและใช้เกทไดรเวอร์ตามความจำเป็น

Trinamic ได้นำเสนอโซลูชันที่หลากหลายแก่วิศวกร ซึ่งช่วยเร่งการนำระบบควบคุมมอเตอร์ที่มีประสิทธิภาพและแม่นยำมาปรับให้เหมาะกับความต้องการใช้งาน ผลิตภัณฑ์เหล่านี้จัดการกับความท้าทายในด้านฮาร์ดแวร์ จึงลดความซับซ้อนของการออกแบบโดยรวมและซอฟต์แวร์ให้น้อยที่สุด

เนื้อหาที่เกี่ยวข้อง

1. ไดรเวอร์และคอนโทรลเลอร์ของสเต็ปเปอร์มอเตอร์ TMC5130 พร้อมด้วย StealthChop™ (โมดูลการเทรนนิ่ง)
2. ไอซีคอนโทรลเลอร์และไดร์เวอร์ของสเต็ปเปอร์มอเตอร์แบบสองแกนพร้อม StealthChop™