步進(jìn)電機(jī)跟蹤伺服系統(tǒng)的設(shè)計

摘要：步進(jìn)電機(jī)是一種良好的數(shù)字化元件，易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制。單片機(jī)具有良好的數(shù)字接口，由單片機(jī)和步進(jìn)電機(jī)組成的控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單，性價比高等優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計了一種基于ARM控制的步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)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(yùn)行精度和穩(wěn)定性。
關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī)；伺服系統(tǒng)；ARM；閉環(huán)控制

0 引言
步進(jìn)電機(jī)是純粹的數(shù)字控制電機(jī)。它將電脈沖信號轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個脈沖信號，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動一步。在額定功率范圍內(nèi)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速只取決于脈沖的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)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(jī)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(jī)的控制。
本文以ARM單片機(jī)作為控制核心，以步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動元件，設(shè)計了一種基于ARM的步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)。該伺服系統(tǒng)用于近程無人機(jī)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(jī)的實(shí)時跟蹤，保證測控鏈路的順暢建立。

1 步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動控制技術(shù)
步進(jìn)電機(jī)是根據(jù)組合電磁鐵理論設(shè)計的，電動機(jī)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(jìn)電機(jī)可分為反應(yīng)式、永磁式和混合式三種，混合式步進(jìn)電機(jī)綜合了反應(yīng)式和永磁式兩者的優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛使用。
步進(jìn)電機(jī)的工作原理使之非常適合于單片機(jī)的控制。雖然步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)。因此，必須有一個與之匹配的驅(qū)動電路來驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)。對步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)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(xì)分驅(qū)動等。以上驅(qū)動電路各有優(yōu)缺點(diǎn)，其性能比較見表1。

另外，要使步進(jìn)電機(jī)正常工作，必須按照該種電機(jī)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(jìn)行通電或斷電控制。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路根據(jù)控制信號工作，在步進(jìn)電機(jī)的單片機(jī)控制中，控制信號由單片機(jī)產(chǎn)生，其基本控制作用如下：
(1)控制換相順序。步進(jìn)電機(jī)的通電換相順序嚴(yán)格按照步進(jìn)電機(jī)的工作方式進(jìn)行。
(2)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向。如果按照給定的工作方式正序通電換相，步進(jìn)電機(jī)就正轉(zhuǎn)；如果按照反序通電換相，則電機(jī)就反轉(zhuǎn)。
(3)控制步進(jìn)電機(jī)的速度。如果給步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)得越快。因此，脈沖的頻率決定了步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。調(diào)整單片機(jī)發(fā)出脈沖的頻率，就可以對步進(jìn)電機(jī)速度進(jìn)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(jī)構(gòu)，控制天線轉(zhuǎn)動，完成天線對目標(biāo)無人機(jī)的跟蹤。方位可以在±540°范圍之間運(yùn)轉(zhuǎn)，俯仰可以在-30°～+90°之間旋轉(zhuǎn)。方位和俯仰分別以步進(jìn)電機(jī)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。