基于軸角轉(zhuǎn)換的火炮伺服測試技術(shù)

楊傳順，段 超，江 楠

（江蘇自動(dòng)化研究所，江蘇 連云港 222006）

0 引 言

典型的火炮應(yīng)用系統(tǒng)中，由雷達(dá)或光電自動(dòng)跟蹤空中目標(biāo)，同時(shí)將目標(biāo)的距離、方位角、高低角等數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地傳送給火控計(jì)算機(jī)，后者算出目標(biāo)飛行的速度、航向以及火炮瞄準(zhǔn)目標(biāo)進(jìn)行射擊所必須的提前量，然后控制火炮伺服系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的方位角和高低角轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)炮身向預(yù)定的方向射擊。因此，伺服系統(tǒng)對(duì)于火炮實(shí)現(xiàn)自動(dòng)瞄準(zhǔn)、精確打擊、大面積的瞬時(shí)密集火力壓制具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，而對(duì)于火炮伺服的測試則是用于驗(yàn)證火炮的瞄準(zhǔn)精度、實(shí)時(shí)響應(yīng)速度、可靠性等不可或缺的環(huán)節(jié)[1-2]。

自整角機(jī)作為角度測量的傳感器，由于其精度高、分辨率好、可靠性高、應(yīng)用簡單等特點(diǎn)被廣泛用于火炮伺服控制系統(tǒng)中，作為控制火炮轉(zhuǎn)動(dòng)的伺服電機(jī)。本文提出基于軸角轉(zhuǎn)換的火炮伺服系統(tǒng)測試技術(shù)，以達(dá)到測試火炮伺服的轉(zhuǎn)動(dòng)精度、靈敏度和響應(yīng)速度等目的[3]。

1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

火炮伺服控制炮身的轉(zhuǎn)動(dòng)主要是通過火炮的架位來實(shí)現(xiàn)，架位分為方位和高低，即火炮在兩個(gè)垂直方向上的角度轉(zhuǎn)動(dòng)。

基于軸角轉(zhuǎn)換的火炮伺服測試系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，主要由微處理器（或PC機(jī)）和數(shù)字-自整角機(jī)轉(zhuǎn)換器組成。通過微處理器裝定數(shù)字信息，然后由數(shù)字-自整角機(jī)轉(zhuǎn)換器把數(shù)字量角度信息轉(zhuǎn)換為模擬量角度信息，即輸出方位角（粗精雙通道）和高低角（粗精雙通道），然后傳送給火炮的伺服系統(tǒng)，帶動(dòng)火炮炮身做相應(yīng)的角度轉(zhuǎn)動(dòng)。該軸角測控系統(tǒng)，可模擬輸出多種速比的自整角機(jī)信號(hào)，具有等速、正弦、階躍等多種運(yùn)動(dòng)形式，采用鍵盤操控，實(shí)時(shí)角度顯示，具有輸出功率大、動(dòng)態(tài)輸出頻率高、操作靈活、功能完備等特點(diǎn)。

圖1 火炮伺服測試系統(tǒng)示意圖

2 數(shù)字-自整角機(jī)信號(hào)轉(zhuǎn)換器

自整角機(jī)是一種感應(yīng)式同步微型電機(jī)，它廣泛用于顯示裝置和伺服控制系統(tǒng)中，使機(jī)械上互不相連的兩根或多根轉(zhuǎn)軸能夠自動(dòng)保持相同的轉(zhuǎn)角變化。自整角機(jī)一般采用三相繞組方式，基本結(jié)構(gòu)包括一個(gè)轉(zhuǎn)子和3個(gè)能夠旋轉(zhuǎn)的定子線圈繞組；轉(zhuǎn)子上放置單相激磁繞組，轉(zhuǎn)子有凸極結(jié)構(gòu)，也有隱極結(jié)構(gòu)；3個(gè)定子繞組成Y型排列，兩兩之間的夾角為120°。按照用途和工作原理劃分，自整角機(jī)可以分為力矩式和控制式兩種。力矩式自整角機(jī)主要用于自動(dòng)指示系統(tǒng)中，可以遠(yuǎn)距離傳輸角度信號(hào)；控制式自整角機(jī)主要用于隨動(dòng)系統(tǒng)中，作為檢測元件將轉(zhuǎn)角信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)[4]。

自整角機(jī)主要實(shí)現(xiàn)兩種功能：一是將輸入的機(jī)械轉(zhuǎn)角信號(hào)按照指定函數(shù)關(guān)系轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；二是將輸入的電信號(hào)按照指定函數(shù)關(guān)系轉(zhuǎn)換為機(jī)械轉(zhuǎn)角信號(hào)。它們都經(jīng)常應(yīng)用在同步伺服系統(tǒng)中，使遠(yuǎn)距離的多個(gè)機(jī)械轉(zhuǎn)軸能夠精確地保持相同的轉(zhuǎn)角變化或同步變化，實(shí)現(xiàn)角度位置的遠(yuǎn)距離傳輸和轉(zhuǎn)換。

把數(shù)字量轉(zhuǎn)換為自整角機(jī)信息以驅(qū)動(dòng)自整角機(jī)做相應(yīng)的角度轉(zhuǎn)動(dòng)，常見的是采用專用的數(shù)字-軸角轉(zhuǎn)換器。

SZZ系列轉(zhuǎn)換器是一種全電子的自整角機(jī)模擬輸出裝置[5]，其功能是將輸入的數(shù)字全角量轉(zhuǎn)換成自整角機(jī)形式的模擬電壓輸出。轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸出具有鎖存和過勢保護(hù)功能。同時(shí)，轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中增加了電流限制電路，防止由于過載或者輸出波形畸變而導(dǎo)致轉(zhuǎn)換器拉偏某一電源，大大提高了可靠性能。

SZZ轉(zhuǎn)換器的原理圖見圖2所示。主要由參考變壓器、正余弦乘法器、象限選擇開關(guān)、功率放大器、輸出變壓器等組成。輸入的參考信號(hào)經(jīng)參考變壓器隔離降壓，給正余弦乘法器提供參考信號(hào)；數(shù)字角度量輸入，經(jīng)數(shù)字鎖存器把低12位或14位數(shù)字量送到正余弦乘法器，把高2位數(shù)字量連接到象限選擇開關(guān)，以形成全角量的正、余弦模擬信號(hào)，經(jīng)過功率放大器進(jìn)行放大，最后由輸出變壓器升壓隔離形成三線自整角機(jī)信號(hào)輸出。

圖2 數(shù)字-自整角機(jī)轉(zhuǎn)換器工作原理圖

假設(shè)輸入的參考電壓為：Vref=E0sin（ωt），E0為參考電壓的幅值，則輸出的自整角機(jī)信號(hào)為

式中：K——輸出變壓器的變化。

除此外還有過熱保護(hù)電路，主要是對(duì)功率驅(qū)動(dòng)部分的電路提供過熱保護(hù)，在功率驅(qū)動(dòng)器溫度達(dá)到120℃時(shí)，過熱保護(hù)電路啟動(dòng)，關(guān)閉功率驅(qū)動(dòng)器的輸出；當(dāng)溫度下降到120℃以下后，過熱保護(hù)電路關(guān)閉，功率驅(qū)動(dòng)器自動(dòng)恢復(fù)放大功能。

3 火炮伺服測試技術(shù)

對(duì)火炮伺服的測試主要通過伺服帶動(dòng)炮身做一系列的軌跡運(yùn)動(dòng)，驗(yàn)證自整角機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的精度、靈敏度和響應(yīng)速度。這些典型的運(yùn)動(dòng)軌跡參數(shù)可以手工隨時(shí)裝定，也可以以模擬訓(xùn)練題的方式由軟件程序預(yù)先存儲(chǔ)在微處理器中，當(dāng)對(duì)火炮伺服做測試時(shí)，只需裝入相應(yīng)題號(hào)即可。然后對(duì)照伺服系統(tǒng)的實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)輸出角度值和理論輸出角度值，進(jìn)行誤差的統(tǒng)計(jì)和分析，從而達(dá)到測試目的。

3.1 數(shù)值解碼

粗精通道相應(yīng)位數(shù)所對(duì)應(yīng)的分辨率如表1所示。

粗精通道分別按照?qǐng)D2中所示的數(shù)字-自整角機(jī)信號(hào)轉(zhuǎn)換原理進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后驅(qū)動(dòng)伺服做相應(yīng)的角度旋轉(zhuǎn)。

3.2 運(yùn)動(dòng)測試

常見的對(duì)火炮伺服的運(yùn)動(dòng)測試主要有階躍運(yùn)動(dòng)測試、方波運(yùn)動(dòng)測試、步進(jìn)運(yùn)動(dòng)測試、等速運(yùn)動(dòng)測試、正弦運(yùn)動(dòng)測試等[5]。

3.2.1 階躍運(yùn)動(dòng)測試

階躍運(yùn)動(dòng)測試指輸出某一固定的靜態(tài)角度，粗、精通道同時(shí)輸出。對(duì)應(yīng)于在微處理器中裝定一個(gè)靜態(tài)數(shù)字量角度，或者求解一個(gè)靜態(tài)題目。

3.2.2 方波運(yùn)動(dòng)測試

方波運(yùn)動(dòng)測試指從某一指定初始角位置開始，火炮以一定的振幅和周期做階躍運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)軌跡為方波曲線，示意圖如圖3所示，其中θ為初始角度，A為振幅，T為周期。

表1 數(shù)字量角度分辨率對(duì)應(yīng)表

圖3 方波運(yùn)動(dòng)曲線示意圖

3.2.3 步進(jìn)運(yùn)動(dòng)測試

步進(jìn)運(yùn)動(dòng)測試指從某一指定初始角位置開始，以一定步幅，通過鍵盤操控或者以預(yù)先設(shè)定的固定頻率，做遞增或遞減的運(yùn)動(dòng)，此時(shí)粗、精通道可單獨(dú)步進(jìn)。運(yùn)動(dòng)軌跡呈階梯曲線，示意圖如圖4所示，其中θ為初始角度，A為步幅）。

圖4 步進(jìn)運(yùn)動(dòng)曲線示意圖

3.2.4 等速運(yùn)動(dòng)測試

等速運(yùn)動(dòng)測試指從某一指定初始角位置開始，測試系統(tǒng)的輸出角度按預(yù)先設(shè)定的固定轉(zhuǎn)速增加或減少。等速運(yùn)動(dòng)可分為限位等速和不限位等速，不限位等速運(yùn)動(dòng)曲線示意圖如圖5所示，其中V為速度，T為加、減速時(shí)間，伺服啟動(dòng)和暫停時(shí)均有加減速過程。退出等速時(shí)無減速過程，速度立刻降為零。

圖5 不限位等速運(yùn)動(dòng)曲線示意圖

限位等速運(yùn)動(dòng)又分為周期性限位等速和非周期限位等速，此時(shí)需要設(shè)定上限角和下限角參數(shù)。周期性限位等速運(yùn)動(dòng)啟動(dòng)后，輸出角等速運(yùn)動(dòng)到上限角，停幾秒（由軟件設(shè)定），再調(diào)轉(zhuǎn)運(yùn)行到下限角，再停幾秒，再調(diào)轉(zhuǎn)運(yùn)行到上限角，如此周期性運(yùn)動(dòng)。

3.2.5 正弦運(yùn)動(dòng)測試

正弦運(yùn)動(dòng)測試指從某一指定初始角位置開始，測試系統(tǒng)的輸出角度以一定振幅和周期做正弦變速運(yùn)動(dòng)。啟動(dòng)和暫停時(shí)均有加、減速過程，退出正弦（即剎車）時(shí)無減速過程，速度立刻降為零，運(yùn)動(dòng)曲線示意圖如圖6所示，其中θ為初始角度，A為振幅，T為周期。

圖6 正弦運(yùn)動(dòng)曲線示意圖

在正弦運(yùn)動(dòng)開始和結(jié)束時(shí)分別有加速和減速運(yùn)動(dòng)過程，這個(gè)過程通常都采用正弦加速和正弦減速，這段時(shí)間的大小取決于火炮運(yùn)動(dòng)的速度、加速度、有效行程等多種因素，綜合考慮，一般情況下為保證火炮的等速有效行程，該時(shí)間盡可能小[9]。

3.2.6 動(dòng)態(tài)輸出速率變化

為保證在等速、正弦運(yùn)動(dòng)中信號(hào)輸出的連續(xù)性，本測試系統(tǒng)采用硬件加密（此處加密指轉(zhuǎn)角變化率變小，相鄰兩個(gè)轉(zhuǎn)角的差距減小，密度增加）技術(shù)，使信號(hào)的動(dòng)態(tài)輸出頻率始終以最低分辨率隨角速度變化，粗、精通道的輸出頻率可按式（2）計(jì)算[10]。

式中：N——速比；

Φ——角速度。

3.3 火炮的機(jī)械限位

當(dāng)對(duì)伺服做測試運(yùn)動(dòng)時(shí)，裝定的數(shù)字量信息需要考慮火炮的機(jī)械限位，火炮的機(jī)械限位包括方位上的和高低上的機(jī)械限位，它們決定了火炮的有效運(yùn)動(dòng)范圍，測試系統(tǒng)輸出的角度信號(hào)不能超過該范圍。

特別是在等速、正弦運(yùn)動(dòng)開始前，需要將火炮調(diào)整到合適的初始角位置，以正弦運(yùn)動(dòng)為例，運(yùn)動(dòng)范圍不能超過機(jī)械限位，中心角和初始角之差為正弦運(yùn)動(dòng)振幅，示意圖如圖7所示。同樣在等速運(yùn)動(dòng)中，上下限角也要在有限運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)，同時(shí)還要注意運(yùn)動(dòng)方向。例如，在非周期限位等速運(yùn)動(dòng)中，當(dāng)火炮轉(zhuǎn)到上限角停止后，這時(shí)只能反轉(zhuǎn)，繼續(xù)正轉(zhuǎn)將超限。

圖7 火炮的正弦運(yùn)動(dòng)限位示意圖

4 結(jié)束語

該伺服測試系統(tǒng)因其結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定可靠、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，已在多個(gè)艦炮火控系統(tǒng)中得到了應(yīng)用和推廣，測試效果良好，使火炮伺服的可維修性和可測試性得到了很大的提高。同時(shí)對(duì)于采用自整角機(jī)作為伺服電機(jī)的角度控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性檢測，具有很好的示范作用。

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