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。