步进电机跟踪伺服系统的设计
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收 稿 日 期 ：２０１１－０６－２１
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：
参 考 文 献
图 ６ 程 序 控 制 流 程
图 ７ 涵 道 风 扇 在 无 人 飞 艇 中 的 应 用
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 ，
（１）能 够 提 供 快 速 上 升 和 快 速 下 降 的 电 流 ，使 电 流 波形尽量接近矩形；
（２）具 有 供 截 至 期 间 释 放 电 流 的 回 路 ，以 降 低 相 绕 组 两 端 的 反 电 势 ，加 快 电 流 衰 减 ；
（３）功 耗 低 ，效 率 高 。 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 制信号工作，在步进电 机 的 单 片 机 控 制 中，控 制 信 号 由 单 片 机 产 生 ，其 基 本 控 制 作 用 如 下 ： （１）控制换 相 顺 序。 步 进 电 机 的 通 电 换 相 顺 序 严 格按照步进电机的工作方式进行。
２０１１ 年 １２ 月 １ 日 第 ３４ 卷 第 ２３ 期
现代电子技术
Ｍｏｄｅｒｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ
Ｄｅｃ．２０１１ Ｖｏｌ．３４ Ｎｏ．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 ＡＲＭ 控制的步进电机天线伺服系统，该天线伺 服 系 统 采 用方位俯仰型结构，以步进电机作为驱动元件，采用数字 ＰＩＤ 闭环控制。目前，该系统 已 完 成 工 程 验 证，满 足 设 计 要 求，具 有 良好的运行精度和稳定性。
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
图 ２ 天 线来自百度文库伺 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 目标无人机的跟踪。方位可以在 ±５４０°范围之间运转， 俯仰可以在 －３０°～ ＋９０°之 间 旋 转。 方 位 和 俯 仰 分 别 以步进电机 作 为 驱 动 元 件，以 光 电 编 码 器 作 为 反 馈 元 件 ，完 成 伺 服 系 统 的 闭 环 控 制 。
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 ）
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现代电子技术
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。
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｔｅｐｐｅｒ ｍｏｔｏｒ；ｓｅｒｖｏ ｓｙｓｔｅｍ；ＡＲＭ；ｃｌｏｓｅｄ－ｌｏｏｐ ｃｏｎｔｒｏｌ
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 率和脉冲数，而不受负载变化的影响，因此非常适合于数 字化控制，尤其是与数字设备配套使用时，体现了更大的 优越性。现代单片机具有充足的Ｉ／Ｏ 口、多路 ＰＷＭ 通 道和丰富的外部接口，使其特别适用于电机的控制。
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
［１］ 甘 晓 华，郭 颖．飞 艇 技 术 概 论 ［Ｍ］．北 京：国 防 工 业 出 版 社 ，２００５．
［２］ 肖军，章玮玮，郭 小 鹏．基 于 模 糊 ＰＩＤ 控 制 的 飞 艇 压 力 调 节 系统设计［Ｊ］．辽 宁 工 程 技 术 大 学 学 报 ：自 然 科 学 版，２０１０， ２９（５）：８０７－８０９．
［３］ 童诗 白，华 成 英．模 拟 电 子 技 术 ［Ｍ］．北 京：高 等 教 育 出 版 社 ，２００６．
［４］ 李学海．ＰＩＣ 单片机实用教程［Ｍ］．北京：北京航 空 航 天 大 学 出 版 社 ，２００２．
［５］ 魏东，陈欣 琳，罗 向 前．低 空 飞 艇 压 力 控 制 系 统 设 计 ［Ｊ］．中 国 科 技 信 息 ，２００９，２０（３）：１３４－１３６．
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现代电子技术
２０１１ 年 第 ３４ 卷
（２）控制步 进 电 机 的 转 向。 如 果 按 照 给 定 的 工 作 方式正序通电换相，步 进 电 机 就 正 转；如 果 按 照 反 序 通
电 换 相 ，则 电 机 就 反 转 。
（３）控 制 步 进 电 机 的 速 度 。 如 果 给 步 进 电 机 发 一 个 控制脉冲，它 就 转 一 步，再 发 一 个 脉 冲，它 会 再 转 一步。
另外，设 计 时 为 了 完 成 方 位 ±５４０°转 动 范 围 要 求， 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 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。
关 键 词 ：步 进 电 机 ；伺 服 系 统 ；ＡＲＭ；闭 环 控 制 中 图 分 类 号 ：ＴＮ８２０．３－３４ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１００４－３７３Ｘ（２０１１）２３－０１２１－０２
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｔｒａｃｋｉｎｇ Ｓｅｒｖｏ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ Ｓｔｅｐｐｅｒ Ｍｏｔｏｒ
ＸＩ Ｘｉａｏ－ｐｅｎｇ，ＦＥＮＧ Ｌｉ－ｑｉａｎｇ
（Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｃｈｉｎａ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｐａｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８６，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓ ａｎ ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ，ｓｔｅｐｐｅｒ ｍｏｔｏｒ ｉｓ ｅａｓｙ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ．ＭＣＵ ｈａｓ ｗｅｌｌ ｄｉｇｉｔａｌ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ．Ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｏｆ ＭＣＵ ａｎｄ ｓｔｅｐｐｅｒ ｍｏｔｏｒ ｉｓ ｓｉｍｐｌｅ ａｎｄ ｃｏｓｔ－ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ．Ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ａｎｔｅｎｎａ ｓｅｒｖｏ ｓｙｓ－ ｔｅｍ ｏｆ ｓｔｅｐｐｅｒ ｍｏｔｏｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＲＭ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ｗｈｉｃｈ ａｄｏｐｔｅｄ Ａｚｉｍｕｔｈ－Ｅｌｅｖａｔｉｏｎ ｔｙｐｅ，ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｔｅｐｐｅｒ ｍｏｔｏｒ ａｎｄ ｕｓｅｄ ｄｉｇｉｔａｌ ＰＩＤ ｃｌｏｓｅｄ－ｌｏｏｐ ｃｏｎｔｒｏｌ．Ｔｈｅ ｓｅｒｖｏ ｓｙｓｔｅｍ ｖｅｒｉｆｉｅｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｃａｎ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｏｒｉｇｉｎａｌ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｈａｓ ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ａｎｄ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ．
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；
单电压
低
低
较差
低
低
双电压
低
较高
较差
较高 高
高低压
高
较高
差
较高 较高
斩波恒流
高
高
差
高
高
细分
高
高
好
高
高
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。
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
冲的频率，就可以对步进电机速度进行调整。
表 １ 常 用 步 进 电 机 驱 动 电 路 性 能 比 较
驱动电路 启动频率 运行频率 运行平稳性 效率 成本
（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。
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 。
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：
参 考 文 献
图 ６ 程 序 控 制 流 程
图 ７ 涵 道 风 扇 在 无 人 飞 艇 中 的 应 用
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 ，
（１）能 够 提 供 快 速 上 升 和 快 速 下 降 的 电 流 ，使 电 流 波形尽量接近矩形；
（２）具 有 供 截 至 期 间 释 放 电 流 的 回 路 ，以 降 低 相 绕 组 两 端 的 反 电 势 ，加 快 电 流 衰 减 ；
（３）功 耗 低 ，效 率 高 。 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 制信号工作，在步进电 机 的 单 片 机 控 制 中，控 制 信 号 由 单 片 机 产 生 ，其 基 本 控 制 作 用 如 下 ： （１）控制换 相 顺 序。 步 进 电 机 的 通 电 换 相 顺 序 严 格按照步进电机的工作方式进行。
２０１１ 年 １２ 月 １ 日 第 ３４ 卷 第 ２３ 期
现代电子技术
Ｍｏｄｅｒｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ
Ｄｅｃ．２０１１ Ｖｏｌ．３４ Ｎｏ．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 ＡＲＭ 控制的步进电机天线伺服系统，该天线伺 服 系 统 采 用方位俯仰型结构，以步进电机作为驱动元件，采用数字 ＰＩＤ 闭环控制。目前，该系统 已 完 成 工 程 验 证，满 足 设 计 要 求，具 有 良好的运行精度和稳定性。
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
图 ２ 天 线来自百度文库伺 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 目标无人机的跟踪。方位可以在 ±５４０°范围之间运转， 俯仰可以在 －３０°～ ＋９０°之 间 旋 转。 方 位 和 俯 仰 分 别 以步进电机 作 为 驱 动 元 件，以 光 电 编 码 器 作 为 反 馈 元 件 ，完 成 伺 服 系 统 的 闭 环 控 制 。
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 ）
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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。
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｔｅｐｐｅｒ ｍｏｔｏｒ；ｓｅｒｖｏ ｓｙｓｔｅｍ；ＡＲＭ；ｃｌｏｓｅｄ－ｌｏｏｐ ｃｏｎｔｒｏｌ
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 率和脉冲数，而不受负载变化的影响，因此非常适合于数 字化控制，尤其是与数字设备配套使用时，体现了更大的 优越性。现代单片机具有充足的Ｉ／Ｏ 口、多路 ＰＷＭ 通 道和丰富的外部接口，使其特别适用于电机的控制。
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
［１］ 甘 晓 华，郭 颖．飞 艇 技 术 概 论 ［Ｍ］．北 京：国 防 工 业 出 版 社 ，２００５．
［２］ 肖军，章玮玮，郭 小 鹏．基 于 模 糊 ＰＩＤ 控 制 的 飞 艇 压 力 调 节 系统设计［Ｊ］．辽 宁 工 程 技 术 大 学 学 报 ：自 然 科 学 版，２０１０， ２９（５）：８０７－８０９．
［３］ 童诗 白，华 成 英．模 拟 电 子 技 术 ［Ｍ］．北 京：高 等 教 育 出 版 社 ，２００６．
［４］ 李学海．ＰＩＣ 单片机实用教程［Ｍ］．北京：北京航 空 航 天 大 学 出 版 社 ，２００２．
［５］ 魏东，陈欣 琳，罗 向 前．低 空 飞 艇 压 力 控 制 系 统 设 计 ［Ｊ］．中 国 科 技 信 息 ，２００９，２０（３）：１３４－１３６．
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现代电子技术
２０１１ 年 第 ３４ 卷
（２）控制步 进 电 机 的 转 向。 如 果 按 照 给 定 的 工 作 方式正序通电换相，步 进 电 机 就 正 转；如 果 按 照 反 序 通
电 换 相 ，则 电 机 就 反 转 。
（３）控 制 步 进 电 机 的 速 度 。 如 果 给 步 进 电 机 发 一 个 控制脉冲，它 就 转 一 步，再 发 一 个 脉 冲，它 会 再 转 一步。
另外，设 计 时 为 了 完 成 方 位 ±５４０°转 动 范 围 要 求， 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 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。
关 键 词 ：步 进 电 机 ；伺 服 系 统 ；ＡＲＭ；闭 环 控 制 中 图 分 类 号 ：ＴＮ８２０．３－３４ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１００４－３７３Ｘ（２０１１）２３－０１２１－０２
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｔｒａｃｋｉｎｇ Ｓｅｒｖｏ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ Ｓｔｅｐｐｅｒ Ｍｏｔｏｒ
ＸＩ Ｘｉａｏ－ｐｅｎｇ，ＦＥＮＧ Ｌｉ－ｑｉａｎｇ
（Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｃｈｉｎａ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｐａｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８６，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓ ａｎ ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ，ｓｔｅｐｐｅｒ ｍｏｔｏｒ ｉｓ ｅａｓｙ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ．ＭＣＵ ｈａｓ ｗｅｌｌ ｄｉｇｉｔａｌ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ．Ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｏｆ ＭＣＵ ａｎｄ ｓｔｅｐｐｅｒ ｍｏｔｏｒ ｉｓ ｓｉｍｐｌｅ ａｎｄ ｃｏｓｔ－ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ．Ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ａｎｔｅｎｎａ ｓｅｒｖｏ ｓｙｓ－ ｔｅｍ ｏｆ ｓｔｅｐｐｅｒ ｍｏｔｏｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＲＭ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ｗｈｉｃｈ ａｄｏｐｔｅｄ Ａｚｉｍｕｔｈ－Ｅｌｅｖａｔｉｏｎ ｔｙｐｅ，ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｔｅｐｐｅｒ ｍｏｔｏｒ ａｎｄ ｕｓｅｄ ｄｉｇｉｔａｌ ＰＩＤ ｃｌｏｓｅｄ－ｌｏｏｐ ｃｏｎｔｒｏｌ．Ｔｈｅ ｓｅｒｖｏ ｓｙｓｔｅｍ ｖｅｒｉｆｉｅｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｃａｎ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｏｒｉｇｉｎａｌ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｈａｓ ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ａｎｄ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ．
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；
单电压
低
低
较差
低
低
双电压
低
较高
较差
较高 高
高低压
高
较高
差
较高 较高
斩波恒流
高
高
差
高
高
细分
高
高
好
高
高
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。
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
冲的频率，就可以对步进电机速度进行调整。
表 １ 常 用 步 进 电 机 驱 动 电 路 性 能 比 较
驱动电路 启动频率 运行频率 运行平稳性 效率 成本
（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。
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 。