步进电机跟踪伺服系统的设计

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。