步进电机跟踪伺服系统的设计

摘要：步进电机是一种良好的数字化元件，易于实现数字化控制。单片机具有良好的数字接口，由单片机和步进电机组成的控制系统具有结构简单，性价比高等优点。设计了一种基于ARM控制的步进电机天线伺服系统，该天线伺服系统采用方位俯仰型结构，以步进电机作为驱动元件，采用数字PID闭环控制。目前，该系统已完成工程验证，满足设计要求，具有良好的运行精度和稳定性。
关键词：步进电机；伺服系统；ARM；闭环控制

0 引言
步进电机是纯粹的数字控制电机。它将电脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一步。在额定功率范围内，电机的转速只取决于脉冲的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，因此非常适合于数字化控制，尤其是与数字设备配套使用时，体现了更大的
优越性。现代单片机具有充足的I／O口、多路PWM通道和丰富的外部接口，使其特别适用于电机的控制。
本文以ARM单片机作为控制核心，以步进电机作为驱动元件，设计了一种基于ARM的步进电机伺服系统。该伺服系统用于近程无人机测控系统中，伺服系统驱动定向天线转动，完成天线对目标无人机的实时跟踪，保证测控链路的顺畅建立。

1 步进电机及其驱动控制技术
步进电机是根据组合电磁铁理论设计的，电动机的设计是以精确的定位作为主要目标，堵转转矩大、定位精度高。步进电机可分为反应式、永磁式和混合式三种，混合式步进电机综合了反应式和永磁式两者的优点，因此被广泛使用。
步进电机的工作原理使之非常适合于单片机的控制。虽然步进电机是一种数字控制元件，易于与数字电路接口。但是，一般数字电路的信号能量不足以驱动步进电机。因此，必须有一个与之匹配的驱动电路来驱动步进电机。对步进电机的驱动电路有如下要求：
(1)能够提供快速上升和快速下降的电流，使电流波形尽量接近矩形；
(2)具有供截至期间释放电流的回路，以降低相绕组两端的反电势，加快电流衰减；
(3)功耗低，效率高。
常用的步进电机驱动电路有单电压驱动、双电压驱动、高低压驱动、斩波恒流驱动和细分驱动等。以上驱动电路各有优缺点，其性能比较见表1。

另外，要使步进电机正常工作，必须按照该种电机的励磁状态转换表所规定的状态和顺序依次对各相绕组进行通电或断电控制。步进电机的驱动电路根据控制信号工作，在步进电机的单片机控制中，控制信号由单片机产生，其基本控制作用如下：
(1)控制换相顺序。步进电机的通电换相顺序严格按照步进电机的工作方式进行。
(2)控制步进电机的转向。如果按照给定的工作方式正序通电换相，步进电机就正转；如果按照反序通电换相，则电机就反转。
(3)控制步进电机的速度。如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。
两个脉冲的间隔时间越短，步进电机就转得越快。因此，脉冲的频率决定了步进电机的转速。调整单片机发出脉冲的频率，就可以对步进电机速度进行调整。

2 伺服系统设计方案
2．1 总体结构
该伺服系统采用方位俯仰型结构，以方位转台为底座，上面安装俯仰传动机构，控制天线转动，完成天线对目标无人机的跟踪。方位可以在±540°范围之间运转，俯仰可以在-30°～+90°之间旋转。方位和俯仰分别以步进电机作为驱动元件，以光电编码器作为反馈元件，完成伺服系统的闭环控制。
另外，设计时为了完成方位±540°转动范围要求，专门设计了电缆缠绕装置，以解决方位转动过程中电缆的缠绕问题。
天线伺服系统总体结构如图1所示。

根据图1总体结构和系统布局，分别对方位和俯仰传动力矩进行了计算。在此选用MOTEC公司SM242系列两相混合式步进电机作为驱动元件，并选用谐波齿轮减速机完成速度和力矩的转换，谐波齿轮减速机减速比为65。同时，采用瑞普公司JSP3806系列光电编码器作为位置检测元件实现位置反馈。伺服系统原理框图如图2所示。

2．2 伺服系统硬件设计
对于伺服控制系统而言，目前常用的硬件方案有以DSP组成的伺服控制器和以MCU组成的伺服控制器。以DSP组成的伺服控制器具有控制精度高、响应速度快等优点，但其成本较高，不适用于低成本场合；而以MCU为控制器构成的系统具有结构简单、适应性强、成本低等优点被广泛使用。该系统以ARM单片机为核心构成伺服控制器，伺服控制器硬件原理框图如图3所示。
由图3可以看出，伺服控制器是伺服系统的控制中心，步进电机控制信号的产生、光电编码器角度信息的采集、位置信息的比较运算等都在伺服控制单元内完成。
该系统伺服控制单元采用PHILIPS公司的LPC2294单片机扩展而成，完成伺服系统的各种运算与控制。
2．3 伺服控制软件设计
针对该系统的特点，伺服控制软件主要完成以下功能：
(1)接收监控计算机的控制指令，并分解指令完成伺服系统的控制；
(2)产生符合频率要求的步进脉冲和转向脉冲，实现方位和俯仰电机的控制；
(3)实时采集光电编码器角度信息，完成位置控制；
(4)实时将天线的指向位置、伺服系统的工作状态等信息上报给飞控计算机；
(5)分别进行方位与俯仰的限位检测，并进行软件限位，防止设备破坏；
(6)完成无人机测控系统所要求的数字引导、自跟踪等其他功能。
根据上述主要功能，将控制软件划分为相应的功能模块，采用C语言编写控制程序，完成伺服控制软件的设计。
另外，对于步进电机控制来说，一般应用较多的是采用PID或PI控制算法。针对该系统的特点，由于天线的运行速度较低，为了充分利用单片机有限的资源，提高运算效率，采用简单易行的数字PID算法进行电机的控制。

3 结语
本文以某无人机测控系统地面跟踪伺服设备的研制为背景，从工程实际出发，设计了一种基于ARM的步进电机天线伺服系统。目前，该伺服系统已完成工程样机的研制，并进行了相关试验。试验结果表明，该伺服系统满足最初的设计要求，具有一定的工程实际意义，可以用于无人机和其他测控系统中天线的驱动与跟踪。