步进电机跟踪伺服系统的设计

步进电机的设计方案

２０１１年１２月１日第３４卷第２３期

现代电子技术

ＭｏｄｅｒｎＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＴｅｃｈｎｉｕｅ　　ｑ

Ｄｅｃ．２０１１

Ｖｏｌ．３４Ｎｏ．２３

步进电机跟踪伺服系统的设计

郗小鹏，冯立强

（）中国空间技术研究院五零三所，北京　１０００８６

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Ａ该天线伺服系统采ＲＭ控制的步进电机天线伺服系统，以步进电机作为驱动元件，采用数字Ｐ该系统已完成工程验证，满足设计要求，具有用方位俯仰型结构，ＩＤ闭环控制。目前，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

）中图分类号：ＴＮ８２０．３３４　　　　　文献标识码：Ａ　　　　　文章编号：１００４３７３Ｘ（２０１１２３０１２１０２－－－－

ＤｅｓｉｎｏｆＴｒａｃｋｉｎＳｅｒｖｏＳｓｔｅｍｏｆＳｔｅｅｒＭｏｔｏｒ　　　　　　ｇｇｙｐｐ　

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（，，）ＳａｔｅｌｌｉｔｅＡｌｉｃａｔｉｏｎＳｓｔｅｍ　ＤｅａｒｔｍｅｎｔＣｈｉｎａＡｃａｄｅｍｏｆＳａｃｅＴｅｃｈｎｏｌｏＢｅｉｉｎ１０００８６，Ｃｈｉｎａ　　　　　ｐｐｙｐｙｐｇｙｊｇ　　

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：；Ｋｅｗｏｒｄｓｓｔｅｅｒｍｏｔｏｒｓｅｒｖｏｓｓｔｅｍ；ＡＲＭ；ｃｌｏｓｅｄｌｏｏｃｏｎｔｒｏｌ　　－ｐｐｙｐｙ　

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而不受负载变化的影响，因此非常适合于数率和脉冲数，

字化控制，尤其是与数字设备配套使用时，体现了更大的／多路ＰＷＭ通优越性。现代单片机具有充足的ＩＯ口、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

收稿日期：２０１１０６２１－－

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：

（）能够提供快速上升和快速下降的电流，使电流１

波形尽量接近矩形；

（）具有供截至期间释放电流的回路，以降低相绕２

组两端的反电势，加快电流衰减；

（）功耗低，效率高。３

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在步进电机的单片机控制中，控制信号由制信号工作，

单片机产生，其基本控制作用如下：

（）控制换相顺序。步进电机的通电换相顺序严１

格按照步进电机的工作方式进行。

步进电机的设计方案

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现代电子技术

２．２　伺服系统硬件设计

２０１１年第３４卷

（）控制步进电机的转向。如果按照给定的工作２

步进电机就正转；如果按照反序通方式正序通电换相，电换相，则电机就反转。

）控制步进电机的速度。如果给步进电机发一个（３

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。调整单片机发出脉就可以对步进电机速度进行调整。冲的频率，

表１　常用步进电机驱动电路性能比较

驱动电路单电压双电压高低压斩波恒流细分

启动频率

低低高高高

运行频率

低较高较高高高

运行平稳性

较差较差差差好

效率低较高较高高高

成本低高较高高高

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Ｄ响应速度快ＳＰ组成的伺服控制器具有控制精度高、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伺服控制器硬件原理框图如图３所示

。服控制器，

图２　

天线伺服系统原理框图

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，完成天线对范围之间运转，目标无人机的跟踪。方位可以在±５４０°俯仰可以在－３之间旋转。方位和俯仰分别０°０°～＋９以光电编码器作为反馈元以步进电机作为驱动元件，件，完成伺服系统的闭环控制。

另外，设计时为了完成方位±５转动范围要求，４０°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。

天线伺服系统总体结构如图１所示

。

图３　伺服控制器原理框图

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：

）接收监控计算机的控制指令，（并分解指令完成１

伺服系统的控制；

（）产生符合频率要求的步进脉冲和转向脉冲，实２

现方位和俯仰电机的控制；

（）实时采集光电编码器角度信息，完成位置３控制；

图１　天线伺服系统总体结构图

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６采用瑞普公司Ｊ５。同时，ＳＰ３８０６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。

（）实时将天线的指向位置、伺服系统的工作状态４

等信息上报给飞控计算机；

（）分别进行方位与俯仰的限位检测，并进行软件５限位，防止设备破坏；（）完成无人机测控系统所要求的数字引导、自跟６

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

（下转第１３２页）　

步进电机的设计方案

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２０１１年第３４卷

是一种可以信赖的中小型无人飞艇压力调节系统充气设备。如果选用功率更大的涵道风扇或采用多台并用，配置合适的控制电路，该充气设备在大型无人飞艇上的应用也将变为现实。

参　考　文　献

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社，２００５．

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图６　

程序控制流程

（）：２９５８０７８０９．－

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社，２００６．

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图７　涵道风扇在无人飞艇中的应用

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［］谭浩强，张基温．北京：高等教育１０Ｃ语言程序设计教程［Ｍ］．

出版社，２００６．

该飞艇飞行以来，涵道风扇充气设备工作稳定，没有发生任何故障现象，完全能满足飞艇副气囊充气使用要求。５　结　论

涵道风扇充气设备经多种无人飞艇实际应用表明，该设备具有风量大、重量轻、体积小和成本低廉等特点，

作者简介：彭　平　男，贵州六盘水人，工程硕士，工程师。主要研究方向为特种飞行器电气设计。１９７９年出生，

李万明　男，湖北宜昌人，研究员。主要研究方向为浮空飞行器总体设计和飞行试验。１９５６年出生，

檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹

（上接第１２２页）

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，一般应用较多的是由于天采用ＰＩＤ或ＰＩ控制算法。针对该系统的特点，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的步进该伺服系统已完成工程样机电机天线伺服系统。目前，

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。

参　考　文　献

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［］邹延聪，陆绮荣．基于Ｆ８ＳＯ自由空间光通信中自动伺服系统

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作者简介：郗小鹏　男，陕西渭南人，在读硕士研究生，工程师。主要研究方向为伺服系统设计。１９８１年出生，