步進(jìn)電機(jī)跟蹤伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

根據(jù)圖1總體結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)布局，分別對(duì)方位和俯仰傳動(dòng)力矩進(jìn)行了計(jì)算。在此選用MOTEC公司SM242系列兩相混合式步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件，并選用諧波齒輪減速機(jī)完成速度和力矩的轉(zhuǎn)換，諧波齒輪減速機(jī)減速比為65。同時(shí)，采用瑞普公司JSP3806系列光電編碼器作為位置檢測(cè)元件實(shí)現(xiàn)位置反饋。伺服系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

2．2 伺服系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
對(duì)于伺服控制系統(tǒng)而言，目前常用的硬件方案有以DSP組成的伺服控制器和以MCU組成的伺服控制器。以DSP組成的伺服控制器具有控制精度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，但其成本較高，不適用于低成本場(chǎng)合；而以MCU為控制器構(gòu)成的系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)被廣泛使用。該系統(tǒng)以ARM單片機(jī)為核心構(gòu)成伺服控制器，伺服控制器硬件原理框圖如圖3所示。
由圖3可以看出，伺服控制器是伺服系統(tǒng)的控制中心，步進(jìn)電機(jī)控制信號(hào)的產(chǎn)生、光電編碼器角度信息的采集、位置信息的比較運(yùn)算等都在伺服控制單元內(nèi)完成。
該系統(tǒng)伺服控制單元采用PHILIPS公司的LPC2294單片機(jī)擴(kuò)展而成，完成伺服系統(tǒng)的各種運(yùn)算與控制。
2．3 伺服控制軟件設(shè)計(jì)
針對(duì)該系統(tǒng)的特點(diǎn)，伺服控制軟件主要完成以下功能：
(1)接收監(jiān)控計(jì)算機(jī)的控制指令，并分解指令完成伺服系統(tǒng)的控制；
(2)產(chǎn)生符合頻率要求的步進(jìn)脈沖和轉(zhuǎn)向脈沖，實(shí)現(xiàn)方位和俯仰電機(jī)的控制；
(3)實(shí)時(shí)采集光電編碼器角度信息，完成位置控制；
(4)實(shí)時(shí)將天線的指向位置、伺服系統(tǒng)的工作狀態(tài)等信息上報(bào)給飛控計(jì)算機(jī)；
(5)分別進(jìn)行方位與俯仰的限位檢測(cè)，并進(jìn)行軟件限位，防止設(shè)備破壞；
(6)完成無人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)所要求的數(shù)字引導(dǎo)、自跟蹤等其他功能。
根據(jù)上述主要功能，將控制軟件劃分為相應(yīng)的功能模塊，采用C語言編寫控制程序，完成伺服控制軟件的設(shè)計(jì)。
另外，對(duì)于步進(jìn)電機(jī)控制來說，一般應(yīng)用較多的是采用PID或PI控制算法。針對(duì)該系統(tǒng)的特點(diǎn)，由于天線的運(yùn)行速度較低，為了充分利用單片機(jī)有限的資源，提高運(yùn)算效率，采用簡(jiǎn)單易行的數(shù)字PID算法進(jìn)行電機(jī)的控制。

3 結(jié)語
本文以某無人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)地面跟蹤伺服設(shè)備的研制為背景，從工程實(shí)際出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種基于ARM的步進(jìn)電機(jī)天線伺服系統(tǒng)。目前，該伺服系統(tǒng)已完成工程樣機(jī)的研制，并進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該伺服系統(tǒng)滿足最初的設(shè)計(jì)要求，具有一定的工程實(shí)際意義，可以用于無人機(jī)和其他測(cè)控系統(tǒng)中天線的驅(qū)動(dòng)與跟蹤。