에너지 효율적인 감시 카메라 PTZ IC를 사용하여 더 안전한 세상을 설계하는 방법

영상 감시의 지속적인 확산은 부분적으로 공공 거리, 골목, 집결지에 대한 스마트하고 자동화된 감시와 함께 다양한 '스마트 시트' 이니셔티브의 일환으로 인공 지능(AI)의 발전에 의해 주도되고 있습니다. 또한 사무실, 소매점, 주거용 로비, 슈퍼마켓, 박물관, 건설 현장, 산업 환경, 안전 및 보안용 창고 등과 같은 밀폐된 영역에서 영상 감시 사용이 증가하고 있습니다. 이러한 광범위한 사용과 AI 기반 분석 요구 사항은 설계자들이 비용을 절감하면서 시스템 효율성과 성능을 개선하기 위해 경쟁하고 있다는 것을 의미합니다.

이러한 개선 사항은 대부분 콤팩트하고 민감한 저전력 고분해능 이미징 IC와 스마트하고 정밀한 동작 제어 시스템이 결합되어 실현될 수 있습니다. 설계자는 이러한 방식의 소자를 사용하여 에너지 효율적인 원격 동영상 모니터링을 지원할 수 있으므로, 카메라의 가시거리를 벗어난 모호한 이미지나 사고로 인해 특정 영역을 물리적으로 확인해야 할 필요성이 점차적으로 없어지고 있습니다.

하지만 성장하는 모든 응용 분야와 마찬가지로 해결해야 할 다양한 기술적인 문제가 있는데, 대부분은 카메라 PTZ(팬, 틸트, 줌)를 지원하는 에너지 효율적인 전자 서브 시스템을 사용하여 직접 해결할 수 있습니다.

이 기사에서는 감시에서 PTZ의 역할에 대해 살펴보고 PTZ 기능을 제어하기 위한 에너지 효율적이고 정밀한 저전력 모터 및 동작 제어 전자제품이 영상 감시 시스템을 구현하는 데 얼마나 중요한지 설명합니다. 그런 다음 Analog Devices, Inc.의 자회사가 된 TRINAMIC Motion Control GmbH의 동작 제어 IC 응용 제품을 소개하고 평가 기판에 대해서도 설명합니다.

PTZ 동작 제어를 통해 효과적이고 개선된 감시

보안 설치이든 프로세스 모니터링이든, 최신 영상 감시 시스템은 대상 영역에서 고정된 방향을 가리키는 카메라 이상의 역할을 합니다. 대신 AI가 잘못된 경보를 줄이고 최적의 리소스 배치를 보장하여 캡처되는 이미지를 보다 효율적으로 활용하며 모터로 작동되는 PTZ를 통해 카메라가 좌우로 스캔하고(팬) 위 아래로 이동하여(틸트) 감시 영역을 재정의할 수 있습니다(그림 1). AI와 PTZ는 모두 효율적이고 '친환경적인' 감시 방식에 기여합니다. PTZ의 경우 시스템 설계에 따라 동작이 카메라 조립품에 의해 자율적으로 지시되거나, 보안 시스템에 의해 원격으로 제어되거나, 심지어 수동으로 작동될 수 있습니다.

그림 1: 좌우 팬, 상하 틸트 및 줌 인/아웃(PTZ)을 지원하는 감시 카메라는 고정형 카메라보다 훨씬 더 유연합니다. (이미지 출처: Aximmetry Technologies Ltd.)

팬 앤 틸트를 통한 카메라의 이러한 움직임은 광각 렌즈와 넓은 시야각(FOV)을 사용하여 넓은 영역을 포착할 수 있지만 장면 세부 사항을 희생하고 곡률 왜곡이 도입될 수 있는 트레이드 오프 문제를 해결합니다. 또한 PTZ 기능을 사용하면 한 대의 카메라로 많은 고정 카메라가 하는 일을 할 수 있으므로 보안 시스템의 비용을 절감할 수 있습니다.

다양한 기술을 통해 카메라의 동작을 지시할 수 있습니다. 또한 PTZ 기능을 갖춘 감시 카메라는 예정된 위치 이동 시퀀싱 및 타이밍과 함께 사용자가 모니터링할 위치를 지정할 수 있는 다양한 사전 설정된 위치를 지원합니다. 따라서 사용자의 개입 없이 넓은 영역을 원격으로 감시할 수 있습니다.

PTZ 모터에 전자제품 결합

동작 제어가 PTZ 구현의 중심에 있지만 효율적인 PTZ 시스템의 중요한 요소는 우수한 모터 제어기를 통한 부드럽고 정확한 추적입니다. 설계자는 브러시리스 DC 모터와 더 까다롭지만 더 유리한 고정밀 스테퍼 모터를 모두 고려할 수 있으며, ADI의 Trinamic 기술 및 IC를 사용하여 필요한 부드러움과 정확도를 달성할 수 있습니다.

저전력 작동도 중요합니다. 정교한 PTZ 제어기가 실장된 대부분의 감시 카메라는 이제 이더넷을 통한 전력 공급(PoE) 지원 장치입니다. 최신 PoE 표준(IEEE 802.3bt-2018)에서는 이더넷 케이블 연결당 최대 100W를 지원합니다.

PTZ 시스템 설계자는 세 가지 모터 유형을 선택할 수 있으며 선택에 따라 사용할 제어기 IC가 결정됩니다. 옵션은 클래식 브러시 DC 모터, 브러시리스 DC(BLDC) 모터 및 스테퍼 모터입니다(그림 2).

그림 2: 세 기본 DC 모터는 유서 깊은 브러시, 브러시리스, 스테퍼 모터입니다. (이미지 출처: Analog Devices)

각 모터 배열은 기능, 성능 및 관리/제어 요구 사항의 측면에서 트레이드 오프가 있습니다.

브러시 DC 모터는 개발된 첫 번째 DC 모터이며 100년 이상 성공적으로 사용되고 있습니다. 이 모터는 설계가 간단하지만 제어하기 어려우며 정밀한 포지셔닝 또는 스탑 앤 고 작동보다 개방형 자율 작동 상황에 가장 적합합니다. 또한 브러시가 마모되고 신뢰성 문제와 허용되지 않는 전자파 장해(EMI)가 발생할 수 있습니다. 이 모터는 여전히 장난감과 같은 저비용 대중 시장 응용 분야와 의료용 주입 펌프와 같은 일부 고급 응용 분야에서 사용되고 있지만, 일반적으로 PTZ 설계에 실행 가능한 옵션은 아닙니다.

BLDC 모터(전자 정류식(EC) 모터라고도 함)는 위치 센서가 실장된 폐쇄 루프 설계에 적합하며 속도 제어에도 사용될 수 있습니다(그림 3). 높은 출력 밀도로 포장하면서 빠른 속도와 긴 수명을 달성할 수 있습니다.

그림 3: BLDC 모터는 정밀한 포지셔닝과 빠른 속도를 위해 폐쇄 루프 배열에 가장 널리 사용되며 샤프트 실장 위치 센서가 서보 컨트롤러에 필요한 피드백을 제공합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

BLDC 모터를 제어하려면 모터의 고정자 코일에 동력을 공급하는 전류의 정밀한 타이밍이 필요합니다. 성능과 정밀도를 개선하기 위해 폐쇄 루프 피드백이 주로 사용됩니다. 이 경우 자속 기준 제어(FOC)를 구현하는 설계를 위한 코일 전류 감지와 함께 인코더를 사용하여 회전자 위치를 감지할 수 있습니다. FOC에 대한 자세한 내용은 나중에 알아보겠습니다.

Trinamic TMC4671-LA 다상 서보 컨트롤러/모터 구동기는 이 작업을 위해 특별히 설계된 IC이며, BLDC 모터용 내장형 FOC 알고리즘으로 연결됩니다(그림 4).

그림 4: BLDC 모터용으로 설계된 Trinamic TMC4671-LA 서보 컨트롤러/모터 구동기는 내장형 FOC 알고리즘으로 연결됩니다. (이미지 출처: Analog Devices)

영구 자석 동기식 모터(PMSM), 2상 스테퍼 모터, DC 모터, 음성 코일 액추에이터와 같은 다른 모터 유형에도 사용될 수 있습니다. BLDC 모터와 PMSM의 차이점은 BLDC 모터는 직류(DC) 모터이고, PMSM은 교류(AC) 모터라는 것입니다. 따라서 BLDC 모터는 물리적인 정류자 조립품이 없는 전자 정류식 DC 모터인 반면에, PMSM은 영구 자석을 사용하여 필요한 여자를 제공하는 AC 동기식 모터입니다.

TMC4671-LA는 기본 SPI 또는 UART 인터페이스를 사용하여 마이크로 컨트롤러와 통신하며, 오류/장애 조건 모니터링과 함께 하드웨어에서 필요한 모든 제어 기능을 구현합니다. 또한 통합 아날로그 디지털 컨버터(ADC), 위치 센서 인터페이스, 위치 보간기 및 광범위한 서보 응용 분야를 위한 완벽한 컨트롤러를 지원하는 데 필요한 기타 기능을 포함합니다.

이 기능은 BLDC 모터 제어기 문제를 해결하는 데 중요하므로, 이 알고리즘은 매우 정교합니다. 다행히 복잡한 세부 사항은 IC에서 완전히 처리되므로 이러한 세부 사항은 설계 엔지니어 또는 시스템 마이크로 컨트롤러에 부담이 되지 않습니다(그림 5).

그림 5: TMC4671-LA는 FOC와 같은 복잡하고 정밀한 BLDC 제어 기능에 필요한 여러 연결된 기능 블록을 포함하고 실행하여 설계자 및 호스트 프로세서로부터 이 작업 부담을 덜어줍니다. (이미지 출처: Analog Devices)

100kHz 제어 루프 주파수는 대부분의 BLDC 컨트롤러의 20kHz 주파수보다 5배 더 높은 수치로 빠른 정착 시간, 토크 제어 명령에 대한 빠른 응답, 향상된 위치 안정성, 과전류 위험 상황 감소 등 중요한 이점을 제공합니다. 후자의 경우 모터 구동기 또는 모터가 손상될 수 있습니다.

스테퍼 모터는 BLDC 모터의 대안으로 사용됩니다. 이 모터는 개방 루프 포지셔닝 또는 속도 작업에 적합하며, 로우레인지 및 미드레인지 속도에서 높은 토크를 제공합니다(그림 6). 일반적으로 동급 성능의 스테퍼 모터는 BLDC 모터보다 저렴하지만 반드시 해결되어야 하는 작동 문제가 있습니다.

그림 6: BLDC 모터 컨트롤러에 비해 스테퍼 모터 컨트롤러는 호스트부터 모터 구동기 및 모터까지 직접 경로가 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

언뜻 보기에는 스테퍼 모터 컨트롤러 신호 경로 흐름이 BLDC 모터 컨트롤러보다 다소 단순해 보입니다. 어떤 점에서는 맞는 말이지만 정밀하고 효과적인 스테퍼 모터 컨트롤러는 해당 모터의 요구 사항을 충족하는 특정 기능을 제공해야 합니다.

2상 스테퍼 모터를 대상으로 하고 직렬 통신 인터페이스가 실장된 고성능 컨트롤러 및 구동기 IC인 TMC5130A와 같은 IC는 관련 문제를 최소화하거나 없애도록 설계되었습니다(그림 7).

그림 7: TMC5130A는 2상 스테퍼 모터를 대상으로 하는 직렬 통신 인터페이스가 실장된 고성능 컨트롤러 및 구동기 IC입니다. (이미지 출처: Analog Devices)

이 장치는 자동 대상 포지셔닝을 위한 유연한 램프 생성기와 고급 스테퍼 모터 구동기를 결합한 제품입니다. 또한 최대 2A의 코일 전류(2.5A 피크)를 직접 공급할 수 있는 내부 MOSFET을 포함하고 풀스텝당 256 마이크로 스텝의 분해능을 제공합니다.

하지만 TMC5130A는 기본 스테퍼 모터 구동을 능가하여 설계자가 이 모터 유형을 사용하기로 결정할 때 직면하는 몇 가지 문제를 해결합니다. 모터가 작동할 때 발생하는 가청 잡음과 모터 작동의 '부드러움'이 가장 우려되는 두 가지 문제점입니다. 산업 응용 분야와 같은 환경에서는 문제가 되지 않을 수도 있지만, PTZ 감시 분야에서는 당혹스럽고 비생산적일 수 있습니다.

첫 번째 문제의 경우 TMC5130A는 듀티 사이클을 기반으로 전류를 변조하는 독점 전압 기반 펄스 폭 변조(PWM) 초퍼인 StealthChop을 구현합니다(그림 8). 이 기능은 중간 이하 속도에 최적화되어 있으며 가청 잡음을 획기적으로 줄입니다.

그림 8: TMC5130A의 StealthChop 기술은 듀티 사이클을 기준으로 전류 구동을 변조하여 스테퍼 모터 가청 잡음을 크게 줄입니다. (이미지 출처: Analog Devices)

두 번째 문제의 경우 TMC5130A는 독점 전류 쵸핑 기술인 SpreadCycle을 사용합니다. 이 주기별 전류 기반 구동 쵸핑 체계에서는 느린 구동 위상 감쇠를 구현하여 전기적 손실과 토크 리플을 줄입니다. 목표 전류에 대한 히스테리시스 기반 모터 전류 평균을 사용하여 고속에서도 모터 전류에 대한 사인파를 생성합니다(그림 9).

그림 9: TMC5130A의 SpreadCycle 주기별 전류 기반 MOSFET 쵸핑 체계는 전류 손실과 토크 리플을 줄입니다. (이미지 출처: Analog Devices)

TMC5130A의 기타 고유한 기능으로는 StallGuard 모터 정지 감지 및 CoolStep 동적 적응형 전류 구동이 있으며, 전자가 후자를 활용합니다.

StallGuard는 역기전력(EMF)을 통해 센서리스 부하 감지를 제공하고 단일 풀스텝 내에 모터를 정지하여 모터 구동과 모터를 보호할 수 있습니다. 추가적인 이점으로 응용 분야의 요구 사항에 맞게 민감도를 조정할 수 있습니다. CoolStep은 역기전력(EMF) StallGuard 판독에 따라 모터 전류를 조정하고 저부하 상황에서 모터 전류를 75% 줄여서 전력을 절약하고 발열을 줄일 수 있습니다.

TMC5130A에서 지원하는 단일 모터 대신 2상 스테퍼 모터 두 대를 구동할 경우 많은 동급 기술을 지원하는 TMC5072를 사용할 수 있습니다(그림 10). 코일당 최대 1.1A 전류(1.5A 피크)를 제공하는 두 개별 코일을 구동할 수 있습니다. 두 구동기를 병렬로 연결하여 단일 코일에 2.2A(3A 피크)를 제공할 수 있습니다.

그림 10: TMC5072는 TMC5130A의 이중 구동기 버전이며 두 개별 출력을 병렬로 사용할 수 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

FOC가 시나리오를 변경

모터의 위치 피드백 문제도 있습니다. 스테퍼 모터는 피드백이 필요하지 않지만 고정밀 제어를 보장하기 위해 종종 피드백을 추가하는 반면, BLDC 설계는 피드백이 필요합니다. 피드백은 일반적으로 홀 효과 센서 또는 광학 인코더를 기반으로 인코더를 사용하여 구현되지만 업데이트 속도와 분해능에 의해 제한되며, 시스템의 처리 부담을 높입니다.

BLDC 모터의 경우 다른 제어 옵션이 있습니다. 벡터 제어(VC)라고도 하는 자속 기준 제어(FOC)는 피드백 업데이트 속도 및 분해능 관련 문제와 인코더 비용 및 설치 문제를 해결하기 위해 고안되었습니다.

간단히 말해서 FOC는 자기장 방향과 모터 회전자 위치를 사용하는 모터에 대한 전류 조정 체계입니다. 두 힘의 성분이 전기 모터의 회전자에 작용하는 '단순한' 관찰에 기초합니다. 직접 또는 I_D라고 하는 한 성분은 원심 방향으로만 당기는 반면에, 직각 위상 또는 I_Q라고 하는 다른 성분은 접선 방향으로 당겨서 토크를 적용합니다(그림 11).

그림 11: FOC에 영감을 준 원리는 회전자가 회전자 축에 원심 방향과 접선 방향의 직교하는 두 힘을 받는다는 것입니다. (이미지 출처: Analog Devices).

이상적인 FOC는 폐쇄 루프 전류 관리를 제공하여 직류(I_D) 없이 순수 토크 생성 전류(I_Q)를 생성합니다. 그런 다음 모터에서 목표한 토크 값을 제공하도록 구동 전류 강도를 조정합니다. FOC의 다양한 기능 중 하나로 유효 전력을 최대화하고 유휴 전력을 최소화합니다.

FOC는 전기 모터를 제어하는 에너지 효율적인 방법이고 높은 모터 역학과 높은 속도 조건에서 잘 작동하며, 폐쇄 루프 제어 측면에서 본질적인 안전 기능을 추가합니다. 표준 저항기 기반 전류 감지를 사용하여 회전자의 코일과 각도를 통해 전류 크기와 위상을 측정합니다. 그런 다음 측정된 회전자 각도가 자기 축에 맞게 조정됩니다. 회전자 각도는 홀 센서 또는 위치 인코더를 사용하여 측정되므로 회전자의 자기장 방향이 알려집니다.

하지만 FOC 관찰부터 완벽한 모터 제어 체계까지 길고 매우 복잡한 경로가 있습니다. FOC를 사용하려면 모터 자극 쌍 수, 회전당 인코더 펄스 수, 회전자의 자기 축에 상대적인 인코더 방향, 인코드의 카운트 방향을 포함하는 일부 정적 파라미터와 위상 전류, 회전자 방향과 같은 일부 동적 파라미터에 대해 알고 있어야 합니다.

또한 위상 전류의 폐쇄 루프 제어에 사용되는 두 PI 컨트롤러의 비례 및 적분(P 및 I) 파라미터 조정은 모터의 전기 파라미터에 따라 달라집니다. 이러한 파라미터에는 저항, 유도 용량, 모터의 역기전력(EMF) 상수(모터의 토크 상수), 공급 전압이 포함됩니다.

설계자가 FOC를 적용할 때 직면하는 문제에는 모든 파라미터의 높은 자유도가 있습니다. FOC의 흐름도와 소스 코드가 널리 사용될 수 있지만, FOC를 구현하는 데 필요한 실제 '제공 가능한' 코드는 복잡하고 정교합니다. 여기에는 일련의 행렬 곱셈으로 공식화되는 다중 좌표 변환(클라크 변환, 파크 변환, 역 파크 변환, 역 클라크 변환)과 집중적인 반복 계산이 포함됩니다. 정성적이고 방정식 없는/경량형 자습서부터 강도 높은 산술적 자습서까지 다양한 FOC 자습서가 온라인에서 제공되며, TMC4671 규격서는 중간 범주에 속하며 검토할 가치가 있습니다.

펌웨어를 통해 FOC를 구현하려면 상당한 CPU 컴퓨팅 전력과 리소스가 필요하므로 프로세서 선택과 관련하여 설계자를 제약합니다. 하지만 TMC4671을 사용하여 설계자는 훨씬 폭넓은 마이크로 프로세서와 로우엔드 마이크로 컨트롤러 중에서 선택할 수 있으며 인터럽트 처리, 직접 메모리 액세스와 같은 코딩 문제에서 벗어날 수 있습니다. 프로그래밍 및 소프트웨어 설계가 대상 파라미터의 초기화 및 설정으로 축소되므로 SPI(또는 UART) 통신 포트를 통해 TMC4671에 연결하기만 하면 됩니다.

구동기 활용

스테퍼 모터용 TMC5130A 및 TMC5072와 같은 일부 모터 제어기 IC는 모터 게이트 구동기 기능을 약 2A 구동과 통합하지만, BLDC 모터용 TMC4671-LA와 같은 다른 IC는 그렇지 않습니다. 이러한 상황에서 TMC6100-LA-T 하프 브리지 게이트 구동기 IC와 같은 장치는 필요한 기능을 추가합니다(그림 12). 이 3중 하프 브리지 MOSFET 게이트 구동기는 7mm × 7mm QFN 패키지로 제공되고, 최대 1.5A 구동 전류를 공급하며, 최대 100A 코일 전류를 처리하는 외부 MOSFET을 구동하는 데 적합합니다.

그림 12: TMC6100-LA-T 하프 브리지 게이트 구동기 IC는 최대 1.5A 구동 전류를 제공하며 최대 100A 코일 전류를 제공하는 외부 MOSFET을 구동하는 데 적합합니다. (이미지 출처: Analog Devices).

TMC6100-LA-T는 시스템 내 설정 최적화를 위한 구동 전류를 소프트웨어로 제어합니다. 또한 단락 감지, 과열 임계값과 같은 프로그래밍 가능 안전 기능을 포함합니다. 진단용 SPI 인터페이스와 함께 이 기능은 강력하고 신뢰할 수 있는 설계를 지원합니다.

출시 시간을 단축하고 파라미터 최적화 및 구동기 조정을 간소화하기 위해 Trinamic은 TMC6100-EVAL 범용 평가 기판을 제공합니다(그림 13). 이 장치는 하드웨어를 편리하게 처리하며 사용자 친화적인 소프트웨어 평가 도구를 제공합니다. 이 시스템은 베이스 기판, 여러 테스트 포인트를 포함하는 커넥터 기판 TMC6100-EVAL 및 TMC4671-EVAL FOC 컨트롤러의 세 부분으로 구성됩니다.

그림 13: TMC6100-EVAL 범용 평가 기판은 모터 및 부하 상황에 따라 구동기 파라미터 최적화와 구동기 조정을 간소화합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

결론

감시 및 보안용 비디오 카메라는 물리적 이동과 관련 에너지 사용을 줄여주는 강력한 도구입니다. 종종 PoE를 활용하고 모터 구동 PTZ 제어기를 통해 개선되지만 이 제어 기능은 복잡합니다. 앞서 살펴본 바와 같이 효율적인 모터 제어를 위해 필요한 다양한 기능을 통합하고 필요한 게이트 구동기를 사용하여 Trinamic의 IC는 PTZ에 사용되는 브러시리스 및 스테퍼 DC 모터를 위한 부드럽고 정밀한 이동 및 포지셔닝을 제공합니다.

Trinamic은 엔지니어에게 응용 분야의 요구 사항에 따라 효율적이고 정밀한 모터 제어 시스템 구현을 가속화하는 광범위한 솔루션을 제공합니다. 이러한 제품은 하드웨어 관련 문제를 해결하여 전체 설계 및 소프트웨어 복잡성을 최소화합니다.

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