阙步军１ 徐 晖２ 徐忠正３
（１浙江宇视科技有限公司 浙江 杭州 ３１００５１ ２杭州士兰微电子股份有限公司 浙江 杭州 ３１００１２
３杭州市亮灯监管中心 浙江 杭州 ３１０００４）
摘 要：针对云台摄像机的运转核心——电机部件，重点以矩频特性为例，分析保持力矩、牵入力矩、牵出力矩等参数对云台转动精度、最大转速、锁定力、转动流畅性的影响，指导电机选型前期设计、中期测试和后期优化方向，提升云台的运转功能、性能和稳定性。
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关键词 ：云台摄像机；步进电机；矩频曲线；保持力矩；牵入力矩
中图分类号：TP273 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６６５－２２７２．２０１5．09．０47
收稿日期：２０15－02-02
云台摄像机具有高倍率、高分辨率、快速定位、快速聚焦特点，可实现监控视野无死角，广泛应用于广场、道路等大范围高清画质监控场所。云台摄像机，以下简称云台，倍率由１０ｘ、１２ｘ、１６ｘ、２０ｘ、３０ｘ、３６ｘ……越变越大；分辨率从Ｄ１、７２０Ｐ、１０８０Ｐ、３００Ｗ、４Ｋ……越来越高；功能集成补光、雨刷、热成像……越来越丰富；但随之而来设备体积逐步扩大，重量日益提高，原来粗放式电机选型，无法满足系统高转速、无抖动等基本指标实现。因此，设计前期，合理有效完成电机选型设计、测试，是产品成功上市的关键。
１ 电机选型误区
步进电机规格书参数一般有：步距角、步距角精度、相数、保持力矩（最大静力矩）、矩频特性曲线、额定电流、额定电压、线圈电阻、电阻精度、线圈电感、电感精度、转子惯量、转轴径向跳动、转轴轴向跳动、绝缘电阻、绝缘等级、介电强度、最大温升、环境温度、重量、结构尺寸等。
重量和结构尺寸等一目了然，选择很明确；而步距角参数，直接影响云台的转动精度、最大转速，选择也直观；但矩频特性曲线，设计者一是不关心，二是不了解，选型不重视，导致云台投入运用时低频抖动、运转不畅，最终影响系统功能完整性和性能预期。
２ 矩频特性曲线设计
矩频特性曲线是力矩与频率的对应关系图，体现步进电机的动态力矩特性（见图1）。步进电机的力矩主要有保持力矩、牵入力矩和牵出力矩，而频率则包括起动频率和运行频率。
保持力矩是电机能够输出的最大力矩值。云台产品的应用场合为室外道路和广场，环境比较恶劣和复杂，对锁定力有较高要求，尤其是需要考虑载重车辆经过时带来的路面震动，强风引起的立杆晃动等影响。保持力矩参数的选择需要充分考虑上述运用需求。保持力矩是衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电流和驱动电压无关。
牵入力矩指电机在不失步前提下，能够确保启动、停止和换向的加速力矩。牵入力矩，通俗称就是启动力矩，部分云台启动不流畅或者停止时晃动失步，就是启动力矩不足导致。显然，牵入力矩大小需要考虑外接负载和摩擦力的变化。部分云台长时间在网运行，轴承内部润滑油脂挥发，摩擦力增大，就会存在换向不流畅问题。
牵出力矩又称运行力矩，是指电机在不失步前提下，连续恒速转动时轴端能输出的最大力矩。牵出力矩与设备负载强相关，并与转动速度相关，将不同转动速度的牵出力矩值列表或绘图，即可得到牵出力矩矩频特性。如图１，负载越大，起动频率越小。负载相同情况下，运行频率越高，力矩越小。如果牵出力矩不足，云台表现就是失步，预置位调用也会出现实际位置与预期位置偏差，造成云台精度不足或者图像抖动问题，影响预置位调用流畅性，严重影响用户体验。
３ 矩频特性曲线测试
矩频特性曲线，一般电机厂家提供的器件资料中会有章节体现。但矩频特性曲线与驱动电路密切相关，因电机的驱动电压（电流）、细分设计等因素不同而不同。因此厂家提供的矩频特性曲线仅可供参考，不具备实际指导意义，需要根据实际项目，实际测试矩频特性曲线。电机运行力矩测试工具则使用弹簧秤即可满足要求。
图２左边是厂家提供的矩频特性曲线，驱动电压高，不细分。右边是根据实际项目驱动电路及细分控制策略，在各种转速下，使用弹簧秤测得力矩值，描点获得的矩频特性曲线。两者偏差明显，而实际项目应用在低速转动时不细分完全无法满足应用需求。运行频率越高，启动力矩越小，因为电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流，平均电流越大，电机输出力矩越大，而频率提高，电流减小。
测试出实际项目电路的矩频特性曲线后，需要继续测试出实际云台不同频率下的实际负载。使用弹簧秤沿负载云台外表面切线方向拉动设备，读出设备从静止状态到运动状态时的弹簧秤读数，根据力和距离换算关系得到力矩值，即为负载需要的静力矩。得到实际负载，需通过软件算法修正驱动的加减速曲线，确定电机运转的可靠性和余量，以保证云台起停平稳性和不失步。
通过实际项目验证，该云台在用户现场运转流畅，不失步，预置位调用精准，精度完全符合设计预期。
４ 结论
电机选型，需要充分评估各种参数，并根据实际项目需求完成测试和驱动参数调整，以保证其卓越的运转性能和长时间运行可靠性。本文通过项目实际演练，以矩频特性曲线为例，解析云台电机选型参数的设计、测试和优化。
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参考文献
１ 程智．任意步距角步进驱动器的实现［Ｊ］．微电机（伺服技术），２００１（１）
２ 郗海燕．一种典型步进电机驱动器的设计［Ｊ］．电子设计工程，２０１４（１１）
３ 肖萍．步进电机的驱动电路分析与探讨［Ｊ］．数字化用户，２０１３（１０）
（责任编辑 何 丽）
