坦克炮塔轉(zhuǎn)動慣量測量方案設(shè)計

徐 靜，門義雙

(中國北方車輛研究所，北京 100072)

炮塔是一種固定在坦克、裝甲車上的射擊武器裝置，炮塔性能的高低對于常規(guī)武器及高射炮的射擊效率和精度有重要影響［1］.在炮控系統(tǒng)的總體設(shè)計中，炮塔轉(zhuǎn)動慣量是火炮隨動系統(tǒng)的一個基本參數(shù)，其值的變化會改變速度控制的模型，降低炮控系統(tǒng)的速度響應(yīng)特性從而影響整個系統(tǒng)的機械特性［2-3］.在設(shè)計炮塔電動機參數(shù)時，需要考慮到電動機的最大輸出功率、輸出扭矩能否滿足高速調(diào)炮與低速瞄準(zhǔn)的要求.而炮塔轉(zhuǎn)動慣量及轉(zhuǎn)動時的角加速度決定了電機輸出扭矩的大小.因此快速精確地測量自行火炮及坦克炮塔繞其回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動慣量是設(shè)計高性能炮控系統(tǒng)的重要前提條件.

傳統(tǒng)測量坦克炮塔轉(zhuǎn)動慣量的方法主要有兩種.一是對炮塔及其各部件進行建模和有限元仿真計算.這需要十分準(zhǔn)確、完善的炮塔及其上安裝部件的模型，轉(zhuǎn)動慣量計算值的準(zhǔn)確度受模型準(zhǔn)確性的影響.二是建立炮塔轉(zhuǎn)動慣量試驗測試平臺.根據(jù)剛體擺動周期與慣量之間的關(guān)系計算，如扭振法、滾擺法和落體法.文獻［4］給出了一種由炮塔、身管、彈簧、加速度傳感器和記錄儀器組成的炮塔轉(zhuǎn)動慣量試驗測試裝置.通過測量炮口振動周期，來計算炮塔轉(zhuǎn)動慣量［4］.這種方法需要特殊試驗平臺，測量精度低，不能利用炮控系統(tǒng)自身部件快速反映炮塔轉(zhuǎn)動慣量的變化.

基于電機驅(qū)動炮控系統(tǒng)的坦克炮塔轉(zhuǎn)動慣量測量方案，從剛體的定軸轉(zhuǎn)動定律和電機電流扭矩特性出發(fā)，推導(dǎo)炮塔轉(zhuǎn)動慣量的理論計算公式.在測定炮塔電機特性基礎(chǔ)上，利用炮控系統(tǒng)中的陀螺儀傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同步采集炮塔的角速度與電機電流數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理得到炮塔轉(zhuǎn)動的扭矩和角加速度，進而計算出炮塔轉(zhuǎn)動慣量.

1 坦克炮塔轉(zhuǎn)動慣量測量原理

炮塔電動機驅(qū)動坦克炮塔運動結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，其中工作機構(gòu)代表炮塔體和火炮，炮塔電動機的減速裝置為方向機.實時測量得到的炮塔轉(zhuǎn)動慣量為方向機、炮塔體和火炮相對轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量.

圖1 電機驅(qū)動炮塔結(jié)構(gòu)框圖

考慮電動機的外特性，以直流電機為例，輸出扭矩與電樞電流之間關(guān)系為［5］

式中:CM為扭矩系數(shù);Φ為主磁通;Ia為電樞電流;K是電流扭矩系數(shù).

炮塔運動系統(tǒng)示意圖如圖2所示.它包含水平向電機驅(qū)動炮塔體在水平向的旋轉(zhuǎn)運動如圖2(a)所示，和垂直向電機驅(qū)動火炮在垂直向的運動如圖 2(b)所示［6］.

圖2中炮塔水平向旋轉(zhuǎn)運動的中心為O1，火炮垂直向旋轉(zhuǎn)中心為O2，且O1O2=d;炮塔體質(zhì)量為m1，火炮質(zhì)量為m2，長度為L.當(dāng)炮塔水平旋轉(zhuǎn)時，火炮垂直向的運動對系統(tǒng)將產(chǎn)生負載慣量擾動.假設(shè)炮塔體形狀相當(dāng)規(guī)則，其等效半徑為r，火炮密度均勻，火炮炮管軸線與水平面夾角為β.那么炮塔體和火炮對于旋轉(zhuǎn)中心O1的轉(zhuǎn)動慣量為

圖2 炮塔運動系統(tǒng)示意圖

據(jù)圖2(b)有

將式(3)代入式(2)得

實際炮塔在運動過程中，炮塔座圈并非絕對水平，存在一定的傾斜角度，設(shè)為θ，且規(guī)定炮塔順時針旋轉(zhuǎn)時θ取值為正.因此炮塔在轉(zhuǎn)動過程中存在偏心矩，偏心矩的數(shù)值與炮塔質(zhì)心位置有關(guān)，假設(shè)方位向旋轉(zhuǎn)中心O1與炮塔質(zhì)心O3之間距離為dθ. 則偏心矩為

炮塔在旋轉(zhuǎn)過程中同時存在摩擦力矩.設(shè)旋轉(zhuǎn)時的摩擦系數(shù)為f，炮塔水平向旋轉(zhuǎn)角速度為ω.則摩擦力矩Mf為

根據(jù)動力學(xué)原理得炮塔運動微分方程

式中:MT為炮塔的扭矩;JT為炮塔的轉(zhuǎn)動慣量.

圖3 電機驅(qū)動炮塔系統(tǒng)扭矩關(guān)系圖

炮塔電動機驅(qū)動炮塔運動時的扭矩關(guān)系如圖3所示，Me為電機扭矩，M0為等效電機摩擦力矩，ZT和Z分別表示炮塔和電機的等效齒輪齒數(shù)，JL為炮塔等效到電機一側(cè)的轉(zhuǎn)動慣量.

忽略傳動機構(gòu)的齒側(cè)隙因素，根據(jù)式(7)和圖3得到系統(tǒng)的扭矩微分方程

將炮塔臺架調(diào)至近似水平狀態(tài)，操縱炮塔電機驅(qū)動炮塔順時針及逆時針方向各旋轉(zhuǎn)一定的角度.電機扭矩分別為Me1和Me2，炮塔角速度分別為ω1和ω2，則式(9)可寫成

將式(10)與式(11)求和，得到炮塔轉(zhuǎn)動慣量的理論計算公式

2 炮塔轉(zhuǎn)動慣量試驗測定方案

炮塔轉(zhuǎn)動慣量的測量裝置包含兩套檢測臺架與數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng).一是電機轉(zhuǎn)速扭矩檢測系統(tǒng);二是炮塔轉(zhuǎn)動角速度和電機電流的動態(tài)同步測量系統(tǒng).

2.1 炮塔電機特性測定方案

炮塔電動機是炮控系統(tǒng)的核心驅(qū)動部件.要準(zhǔn)確獲取炮塔的相關(guān)參數(shù)，需要精確測量驅(qū)動炮塔的電機自身的特性.電機的輸出扭矩與電流特性通過電機轉(zhuǎn)速扭矩檢測臺架 (如圖4所示)試驗獲得.

電機檢測臺架是一種機電混合臺架即混合慣量模擬臺架［7］.通過電機碼盤與轉(zhuǎn)速扭矩傳感器及外圍數(shù)據(jù)采集電路，測定電機的輸出扭矩與電流之間的特性關(guān)系.圖4中機電混合檢測臺架的動力學(xué)模型為

圖4 電機檢測臺架結(jié)構(gòu)框圖

式中:J0為檢測臺架的轉(zhuǎn)動慣量和;ε為電流源提供制動力矩時臺架角加速度;Mb為制動力矩.

為使傳感器正常工作且能實時采集出電機電流及碼盤和傳感器的輸出信號，設(shè)計了與之配套的供電電源與數(shù)據(jù)采集電路板，以便精確擬合電機的輸出扭矩和電流特性曲線.數(shù)據(jù)采集電路以TMS320F2808芯片為主控CPU，硬件系統(tǒng)由DSP及其外圍電路、電源轉(zhuǎn)換電路、電流采集及A/D轉(zhuǎn)換電路、輸入信號電平轉(zhuǎn)換電路、串口和CAN口電路組成.其組成原理框圖如圖5所示.

圖5 硬件實現(xiàn)原理框圖

2.2 炮塔角速度和電機電流的動態(tài)同步測量方案

對于中空大回轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動角速度的測量，工業(yè)上主要的方法有:機械測角方法、電磁測角方法、光學(xué)測角方法以及光電測角方法，等等.通過采集數(shù)據(jù)再經(jīng)后處理得到系統(tǒng)的角速度［8］.

炮塔轉(zhuǎn)動角速度和電機電流的動態(tài)同步測量系統(tǒng)是利用炮控系統(tǒng)中的陀螺儀、電機驅(qū)動器等部件和與之配套的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集炮塔的角速度和電機電流數(shù)據(jù)，從而獲得炮塔電機的輸出扭矩和炮塔轉(zhuǎn)動角加速度的同步信息.炮塔轉(zhuǎn)動角速度和電機電流的動態(tài)同步測量方案為:在坦克炮塔上安裝一個慣性角速度敏感器件——高精度光纖陀螺儀傳感器，利用炮塔電機驅(qū)動器中的LEM塊，以DSP為核心處理器件，同時采集炮塔角速度和電機電流的離散數(shù)據(jù)并儲存.通過適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理，選擇合適的濾波算法、差分計算求出對應(yīng)的角加速度及電機輸出扭矩.光纖陀螺儀傳感器與LEM塊采集到的數(shù)據(jù)通過數(shù)字通訊接口與上位機連接并顯示，系統(tǒng)設(shè)計中采用CAN總線方式傳輸數(shù)據(jù)，通過軟件設(shè)定數(shù)據(jù)采集周期.

炮塔轉(zhuǎn)動角速度及電樞電流同步采集系統(tǒng)原理框圖如圖6所示.該系統(tǒng)設(shè)計采用的測角速度方案，能夠克服炮塔齒圈加工等因素導(dǎo)致的誤差，實現(xiàn)炮塔轉(zhuǎn)動角速度的高精度測量.

圖6 炮塔角速度及電機電流采集系統(tǒng)原理框圖

3 炮塔轉(zhuǎn)動慣量試驗測量結(jié)果

利用電機轉(zhuǎn)速扭矩檢測系統(tǒng)試驗測得某一炮塔電機的輸出扭矩與電流特性.其關(guān)系如式(14)所示.

式中:M=Me－M0.

利用炮塔角速度和電機電流動態(tài)同步測量系統(tǒng)，采集ω與I數(shù)據(jù).其采樣間隔ΔT=2.1 ms，角速度的單位為0.002(o)/s，電樞電流的單位為0.01 A.炮塔與電機齒輪傳動比i=550.取θ=0，忽略炮塔摩擦力矩.以輸入正弦激勵信號為例，其響應(yīng)水平角速度和水平電流曲線如圖7所示.

圖7 正弦激勵下炮塔水平角速度和電流曲線

由于光纖陀螺自身特性，采集到的炮塔角速度與電流數(shù)據(jù)量龐大且存在噪聲，因此需要進行一定的數(shù)據(jù)分析與剔除野值、濾波等處理.濾波后得到曲線如圖8所示，差分后得到炮塔角加速度與電機輸出扭矩曲線如圖9所示.

圖8 濾波后炮塔水平角速度和電流曲線

圖9 炮塔水平角加速度和電機扭矩曲線

從圖9中，取對應(yīng)時刻下炮塔角加速度和電機輸出扭矩值，根據(jù)式(15)計算炮塔轉(zhuǎn)動慣量.

每間隔10 ms取值計算，得到轉(zhuǎn)動慣量取值范圍為16216～20473 kg·m2.設(shè)

式中:N=1，2，…，n.XN為JTN的取值個數(shù)，全部取值點數(shù)為X，令xN=，則xN～N的關(guān)系作為炮塔轉(zhuǎn)動慣量的概率密度函數(shù)，其曲線為近似正態(tài)分布曲線，如圖10所示.

圖10 炮塔轉(zhuǎn)動慣量計算值概率密度分布曲線

根據(jù)圖10，得xN～N(23，5.2132).故炮塔轉(zhuǎn)動慣量為JT23.根據(jù)式(17)，取N=23時計算的平均值為試驗得到的炮塔轉(zhuǎn)動慣量.

炮塔轉(zhuǎn)動慣量的最大相對誤差為

試驗測量計算得到炮塔的轉(zhuǎn)動慣量為18428 kg·m2，相對誤差為12.01%，精度較高.可以作為炮控系統(tǒng)總體設(shè)計時的炮塔轉(zhuǎn)動慣量參考值.

4 結(jié)論

針對炮控系統(tǒng)總體設(shè)計時對炮塔轉(zhuǎn)動慣量的定量需求，設(shè)計出一套測定坦克炮塔轉(zhuǎn)動慣量的方案.該方案較傳統(tǒng)方法提高了測量精度，并且能快速地反映炮塔轉(zhuǎn)動慣量的變化，有利于對火炮隨動系統(tǒng)的速度響應(yīng)環(huán)進行精確的控制.

由于試驗中采集的數(shù)據(jù)量龐大，因此為了更加準(zhǔn)確地計算出炮塔轉(zhuǎn)動慣量，不僅需要對傳感器采集的數(shù)據(jù)做進一步的分析與處理，還要考慮炮塔旋轉(zhuǎn)過程中的摩擦力矩.由于實際炮塔轉(zhuǎn)動慣量的真實值無法確知，所以在之后的試驗中，通過對炮塔在不同旋轉(zhuǎn)工況下的轉(zhuǎn)動慣量的測量值進行比較，進一步證明利用此方案測得的炮塔轉(zhuǎn)動慣量數(shù)值是準(zhǔn)確的.

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