步進電機跟蹤伺服系統的設計

摘要：步進電機是一種良好的數字化元件，易于實現數字化控制。單片機具有良好的數字接口，由單片機和步進電機組成的控制系統具有結構簡單，性價比高等優點。設計了一種基于ARM控制的步進電機天線伺服系統，該天線伺服系統采用方位俯仰型結構，以步進電機作為驅動元件，采用數字PID閉環控制。目前，該系統已完成工程驗證，滿足設計要求，具有良好的運行精度和穩定性。
關鍵詞：步進電機；伺服系統；ARM；閉環控制

0 引言
步進電機是純粹的數字控制電機。它將電脈沖信號轉變成角位移，即給一個脈沖信號，步進電機就轉動一步。在額定功率范圍內，電機的轉速只取決于脈沖的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，因此非常適合于數字化控制，尤其是與數字設備配套使用時，體現了更大的
優越性。現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，以步進電機作為驅動元件，設計了一種基于ARM的步進電機伺服系統。該伺服系統用于近程無人機測控系統中，伺服系統驅動定向天線轉動，完成天線對目標無人機的實時跟蹤，保證測控鏈路的順暢建立。

1 步進電機及其驅動控制技術
步進電機是根據組合電磁鐵理論設計的，電動機的設計是以精確的定位作為主要目標，堵轉轉矩大、定位精度高。步進電機可分為反應式、永磁式和混合式三種，混合式步進電機綜合了反應式和永磁式兩者的優點，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字控制元件，易于與數字電路接口。但是，一般數字電路的信號能量不足以驅動步進電機。因此，必須有一個與之匹配的驅動電路來驅動步進電機。對步進電機的驅動電路有如下要求：
(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。
常用的步進電機驅動電路有單電壓驅動、雙電壓驅動、高低壓驅動、斬波恒流驅動和細分驅動等。以上驅動電路各有優缺點，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轉換表所規定的狀態和順序依次對各相繞組進行通電或斷電控制。步進電機的驅動電路根據控制信號工作，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格按照步進電機的工作方式進行。
(2)控制步進電機的轉向。如果按照給定的工作方式正序通電換相，步進電機就正轉；如果按照反序通電換相，則電機就反轉。
(3)控制步進電機的速度。如果給步進電機發一個控制脈沖，它就轉一步，再發一個脈沖，它會再轉一步。
兩個脈沖的間隔時間越短，步進電機就轉得越快。因此，脈沖的頻率決定了步進電機的轉速。調整單片機發出脈沖的頻率，就可以對步進電機速度進行調整。

2 伺服系統設計方案
2．1 總體結構
該伺服系統采用方位俯仰型結構，以方位轉臺為底座，上面安裝俯仰傳動機構，控制天線轉動，完成天線對目標無人機的跟蹤。方位可以在±540°范圍之間運轉，俯仰可以在-30°～+90°之間旋轉。方位和俯仰分別以步進電機作為驅動元件，以光電編碼器作為反饋元件，完成伺服系統的閉環控制。
另外，設計時為了完成方位±540°轉動范圍要求，專門設計了電纜纏繞裝置，以解決方位轉動過程中電纜的纏繞問題。