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云台电机矩频特性测试选型

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)

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