步進電機跟蹤伺服系統(tǒng)的設(shè)計

摘要：步進電機是一種良好的數(shù)字化元件，易于實現(xiàn)數(shù)字化控制。單片機具有良好的數(shù)字接口，由單片機和步進電機組成的控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單，性價比高等優(yōu)點。設(shè)計了一種基于ARM控制的步進電機天線伺服系統(tǒng)，該天線伺服系統(tǒng)采用方位俯仰型結(jié)構(gòu)，以步進電機作為驅(qū)動元件，采用數(shù)字PID閉環(huán)控制。目前，該系統(tǒng)已完成工程驗證，滿足設(shè)計要求，具有良好的運行精度和穩(wěn)定性。
關(guān)鍵詞：步進電機；伺服系統(tǒng)；ARM；閉環(huán)控制

0 引言
    步進電機是純粹的數(shù)字控制電機。它將電脈沖信號轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個脈沖信號，步進電機就轉(zhuǎn)動一步。在額定功率范圍內(nèi)，電機的轉(zhuǎn)速只取決于脈沖的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，因此非常適合于數(shù)字化控制，尤其是與數(shù)字設(shè)備配套使用時，體現(xiàn)了更大的
優(yōu)越性。現(xiàn)代單片機具有充足的I／O口、多路PWM通道和豐富的外部接口，使其特別適用于電機的控制。
    本文以ARM單片機作為控制核心，以步進電機作為驅(qū)動元件，設(shè)計了一種基于ARM的步進電機伺服系統(tǒng)。該伺服系統(tǒng)用于近程無人機測控系統(tǒng)中，伺服系統(tǒng)驅(qū)動定向天線轉(zhuǎn)動，完成天線對目標(biāo)無人機的實時跟蹤，保證測控鏈路的順暢建立。

1 步進電機及其驅(qū)動控制技術(shù)
    步進電機是根據(jù)組合電磁鐵理論設(shè)計的，電動機的設(shè)計是以精確的定位作為主要目標(biāo)，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩大、定位精度高。步進電機可分為反應(yīng)式、永磁式和混合式三種，混合式步進電機綜合了反應(yīng)式和永磁式兩者的優(yōu)點，因此被廣泛使用。
    步進電機的工作原理使之非常適合于單片機的控制。雖然步進電機是一種數(shù)字控制元件，易于與數(shù)字電路接口。但是，一般數(shù)字電路的信號能量不足以驅(qū)動步進電機。因此，必須有一個與之匹配的驅(qū)動電路來驅(qū)動步進電機。對步進電機的驅(qū)動電路有如下要求：
    (1)能夠提供快速上升和快速下降的電流，使電流波形盡量接近矩形；
    (2)具有供截至期間釋放電流的回路，以降低相繞組兩端的反電勢，加快電流衰減；
    (3)功耗低，效率高。
    常用的步進電機驅(qū)動電路有單電壓驅(qū)動、雙電壓驅(qū)動、高低壓驅(qū)動、斬波恒流驅(qū)動和細分驅(qū)動等。以上驅(qū)動電路各有優(yōu)缺點，其性能比較見表1。

    另外，要使步進電機正常工作，必須按照該種電機的勵磁狀態(tài)轉(zhuǎn)換表所規(guī)定的狀態(tài)和順序依次對各相繞組進行通電或斷電控制。步進電機的驅(qū)動電路根據(jù)控制信號工作，在步進電機的單片機控制中，控制信號由單片機產(chǎn)生，其基本控制作用如下：
    (1)控制換相順序。步進電機的通電換相順序嚴(yán)格按照步進電機的工作方式進行。
    (2)控制步進電機的轉(zhuǎn)向。如果按照給定的工作方式正序通電換相，步進電機就正轉(zhuǎn)；如果按照反序通電換相，則電機就反轉(zhuǎn)。
    (3)控制步進電機的速度。如果給步進電機發(fā)一個控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個脈沖，它會再轉(zhuǎn)一步。
    兩個脈沖的間隔時間越短，步進電機就轉(zhuǎn)得越快。因此，脈沖的頻率決定了步進電機的轉(zhuǎn)速。調(diào)整單片機發(fā)出脈沖的頻率，就可以對步進電機速度進行調(diào)整。

2 伺服系統(tǒng)設(shè)計方案
2．1 總體結(jié)構(gòu)
    該伺服系統(tǒng)采用方位俯仰型結(jié)構(gòu)，以方位轉(zhuǎn)臺為底座，上面安裝俯仰傳動機構(gòu)，控制天線轉(zhuǎn)動，完成天線對目標(biāo)無人機的跟蹤。方位可以在±540°范圍之間運轉(zhuǎn)，俯仰可以在-30°～+90°之間旋轉(zhuǎn)。方位和俯仰分別以步進電機作為驅(qū)動元件，以光電編碼器作為反饋元件，完成伺服系統(tǒng)的閉環(huán)控制。
    另外，設(shè)計時為了完成方位±540°轉(zhuǎn)動范圍要求，專門設(shè)計了電纜纏繞裝置，以解決方位轉(zhuǎn)動過程中電纜的纏繞問題。[!--empirenews.page--]
    天線伺服系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    根據(jù)圖1總體結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)布局，分別對方位和俯仰傳動力矩進行了計算。在此選用MOTEC公司SM242系列兩相混合式步進電機作為驅(qū)動元件，并選用諧波齒輪減速機完成速度和力矩的轉(zhuǎn)換，諧波齒輪減速機減速比為65。同時，采用瑞普公司JSP3806系列光電編碼器作為位置檢測元件實現(xiàn)位置反饋。伺服系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

2．2 伺服系統(tǒng)硬件設(shè)計
    對于伺服控制系統(tǒng)而言，目前常用的硬件方案有以DSP組成的伺服控制器和以MCU組成的伺服控制器。以DSP組成的伺服控制器具有控制精度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點，但其成本較高，不適用于低成本場合；而以MCU為控制器構(gòu)成的系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性強、成本低等優(yōu)點被廣泛使用。該系統(tǒng)以ARM單片機為核心構(gòu)成伺服控制器，伺服控制器硬件原理框圖如圖3所示。
    由圖3可以看出，伺服控制器是伺服系統(tǒng)的控制中心，步進電機控制信號的產(chǎn)生、光電編碼器角度信息的采集、位置信息的比較運算等都在伺服控制單元內(nèi)完成。
    該系統(tǒng)伺服控制單元采用PHILIPS公司的LPC2294單片機擴展而成，完成伺服系統(tǒng)的各種運算與控制。
2．3 伺服控制軟件設(shè)計
    針對該系統(tǒng)的特點，伺服控制軟件主要完成以下功能：
    (1)接收監(jiān)控計算機的控制指令，并分解指令完成伺服系統(tǒng)的控制；
    (2)產(chǎn)生符合頻率要求的步進脈沖和轉(zhuǎn)向脈沖，實現(xiàn)方位和俯仰電機的控制；
    (3)實時采集光電編碼器角度信息，完成位置控制；
    (4)實時將天線的指向位置、伺服系統(tǒng)的工作狀態(tài)等信息上報給飛控計算機；
    (5)分別進行方位與俯仰的限位檢測，并進行軟件限位，防止設(shè)備破壞；
    (6)完成無人機測控系統(tǒng)所要求的數(shù)字引導(dǎo)、自跟蹤等其他功能。
    根據(jù)上述主要功能，將控制軟件劃分為相應(yīng)的功能模塊，采用C語言編寫控制程序，完成伺服控制軟件的設(shè)計。
    另外，對于步進電機控制來說，一般應(yīng)用較多的是采用PID或PI控制算法。針對該系統(tǒng)的特點，由于天線的運行速度較低，為了充分利用單片機有限的資源，提高運算效率，采用簡單易行的數(shù)字PID算法進行電機的控制。

3 結(jié)語
    本文以某無人機測控系統(tǒng)地面跟蹤伺服設(shè)備的研制為背景，從工程實際出發(fā)，設(shè)計了一種基于ARM的步進電機天線伺服系統(tǒng)。目前，該伺服系統(tǒng)已完成工程樣機的研制，并進行了相關(guān)試驗。試驗結(jié)果表明，該伺服系統(tǒng)滿足最初的設(shè)計要求，具有一定的工程實際意義，可以用于無人機和其他測控系統(tǒng)中天線的驅(qū)動與跟蹤。