位置傳感器在高旋彈舵機(jī)控制系統(tǒng)中應(yīng)用研究

王 玲，張進(jìn)超，喬 磊，郝永平，張福新

(沈陽理工大學(xué) 兵器科學(xué)研究中心，遼寧 沈陽 110159)

位置傳感器在高旋彈舵機(jī)控制系統(tǒng)中應(yīng)用研究

王 玲，張進(jìn)超，喬 磊，郝永平，張福新

(沈陽理工大學(xué) 兵器科學(xué)研究中心，遼寧 沈陽 110159)

高速旋轉(zhuǎn)彈丸彈道修正的實現(xiàn)，修正舵機(jī)的減旋和舵機(jī)系統(tǒng)中永磁電機(jī)的定位檢測控制是關(guān)鍵。依據(jù)二維修正固定鴨舵工作原理及對永磁同步電機(jī)控制方法的研究，采用霍爾傳感器進(jìn)行位置檢測的方式實現(xiàn)舵機(jī)的修正控制。通過在模擬樣機(jī)安裝霍爾傳感器，采用改進(jìn)的六短時脈沖定位技術(shù)，提高舵機(jī)的位置檢測精度和測速精確性。實驗結(jié)果表明，該舵機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，定位精度理想且在高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下系統(tǒng)穩(wěn)定性好、可靠性高，為后續(xù)高旋彈二維彈道修正舵機(jī)控制系統(tǒng)的研究提供了實驗依據(jù)。

彈道修正；永磁同步電機(jī)；六短時脈沖定位；霍爾傳感器；位置檢測

高速旋轉(zhuǎn)彈電動舵機(jī)修正系統(tǒng)是一個高精度的位置伺服系統(tǒng)。其固定式鴨舵控制器的工作原理是根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測信息測得舵面偏轉(zhuǎn)的角度，繼而觸發(fā)驅(qū)動電路，以驅(qū)動直流電動機(jī)帶動舵機(jī)達(dá)到修正的目的。二維彈道修正是指對彈丸橫向和縱向兩個方向均進(jìn)行修正，主要以橫向修正為主，通過改變俯仰力矩和偏航力矩來控制彈丸飛向目標(biāo)[1]；修正舵機(jī)減旋是高旋穩(wěn)定彈丸修正的關(guān)鍵，減旋的目的是提高修正準(zhǔn)確度和降低修正難度。有效的電機(jī)控制實現(xiàn)彈丸在飛行過程中修正舵機(jī)的減旋，在彈丸飛行至修正時段，進(jìn)一步控制修正舵機(jī)的空間姿態(tài)來實現(xiàn)彈丸的二維修正[2]。

永磁同步電機(jī)具有體積小、功率密度高、動態(tài)性能好和轉(zhuǎn)矩/質(zhì)量比高等性能特點(diǎn)，考慮彈丸內(nèi)部空間的局限性，選擇永磁電機(jī)作為控制電機(jī)[3-4]。舵機(jī)控制系統(tǒng)采用三個開關(guān)型霍爾傳感器CS3020，安裝在互差30°機(jī)械角度、輸出三路互差電角度120°、占空比為50%的方波信號[5]。當(dāng)舵機(jī)旋轉(zhuǎn)時位置傳感器獲取高精度的舵片位置信息，解決了高速旋轉(zhuǎn)彈丸減旋時段舵片測速及舵片的減旋。在修正時段位置傳感器為彈丸的修正提供精確的舵片位置檢測信息，使舵機(jī)能根據(jù)彈載計算機(jī)解算出的修正量控制舵片停止到某一角度達(dá)到彈道修正的目的。

1 修正舵機(jī)

1.1 鴨舵執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作原理

固定式鴨舵執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作原理是通過彈體姿態(tài)控制指令使舵機(jī)帶動舵面偏轉(zhuǎn)，從而改變彈體的飛行姿態(tài)，并利用空氣阻力改變彈丸的飛行速度[6]。

圖1 十字鴨舵布局

十字型鴨舵包含一對操縱舵和一對偏航舵，如圖1所示，其中1號舵片和3號舵片以某一固定的舵偏角同向平行安裝，稱為操縱舵。當(dāng)需要修正時，舵機(jī)會根據(jù)彈載計算機(jī)的控制指令控制1號舵片和3號舵片的位置，使其為彈丸提供相應(yīng)的飛行控制力。2號舵片和4號舵片為一對以某一舵偏角反向差動安裝的舵片，稱為偏航舵。其作用是在彈丸處于無控飛行階段，為彈體頭部提供與彈丸旋轉(zhuǎn)方向相反的力矩，偏航舵的偏角為4°，彈丸在飛行中空氣阻力作用在舵片上，可以分解為法向力Fc和側(cè)向力Fd(見圖2)。其中Fc控制舵片的旋轉(zhuǎn)進(jìn)而控制彈丸的偏航，F(xiàn)d控制彈丸的射程。通過對鴨舵的精確控制能夠?qū)崿F(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)彈的二維修正。

圖2 偏航舵受力分析示意圖

1.2 舵機(jī)結(jié)構(gòu)組成及控制方法

固定式鴨舵修正舵機(jī)主要由固定鴨式舵片、姿態(tài)測量與導(dǎo)航裝置、永磁電機(jī)控制系統(tǒng)等組成，如圖3所示。

圖3 修正舵機(jī)控制系統(tǒng)實物圖

舵機(jī)修正系統(tǒng)的控制方法基于減旋理論，解決了旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定彈飛行過程中因旋轉(zhuǎn)速度過快而使舵機(jī)無法有效控制的問題。彈丸發(fā)射后，通過霍爾傳感器測得舵片旋轉(zhuǎn)速度，進(jìn)而調(diào)節(jié)PWM(脈沖寬度調(diào)制)波形占空比使電機(jī)產(chǎn)生適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)矩，保證整個彈體高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下舵片仍能保持低速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，使舵機(jī)正常工作不受彈體轉(zhuǎn)速的限制，從而達(dá)到高速旋轉(zhuǎn)彈修正舵機(jī)的減旋，彈丸二維修正得以實現(xiàn)。

2 霍爾位置傳感器

2.1 霍爾傳感器安裝

在永磁同步電機(jī)定子的適當(dāng)位置安裝3個開關(guān)型霍爾傳感器，在確定霍爾元件間隔距離時，應(yīng)以電角度為單位，須轉(zhuǎn)換為機(jī)械角度才能在無刷直流電動機(jī)中安裝[7-8]。這個機(jī)械角的大小與傳感器轉(zhuǎn)子充磁的磁極對數(shù)有關(guān)，可由下式計算:

(1)

式中： α為機(jī)械角；β為電角度；ρ為傳感器轉(zhuǎn)子充磁極對數(shù)。設(shè)計電機(jī)極對數(shù)為4，當(dāng)霍爾元件間隔120°電角度時，經(jīng)計算霍爾元件的相隔機(jī)械角度為30°。三個霍爾元件的安裝方法為先確定一個傳感器位置，再間隔30°相繼安裝另外兩個，安裝位置如圖4所示。觀測傳感器輸出信號，然后按照相反方向慢慢轉(zhuǎn)動三個位置固定的傳感器，直到當(dāng)前信號組出現(xiàn)跳變時為止，此時位置即是電機(jī)的最佳換相點(diǎn)[8]。

圖4 電機(jī)軸芯示意圖

2.2 修正鴨舵位置檢測

舵機(jī)位置檢測采用六短時脈沖定位技術(shù)給電機(jī)一定的占空比值和執(zhí)行時間，按照電機(jī)電周期6次通電順序后，電機(jī)轉(zhuǎn)子就可以在相應(yīng)區(qū)間位置停留。單純的六短時脈沖定位誤差在±30°范圍，精度低，不能滿足彈丸基本的修正精度。采用文獻(xiàn)[5]的方法，通過給定繞組施加不同的電壓失量，檢測功率驅(qū)動器母線電流，可得到零速和低速時轉(zhuǎn)子磁極的位置，使定位分辨精度在±7.5°范圍內(nèi)[5,9]。

霍爾傳感器的輸出信號能檢測出當(dāng)前轉(zhuǎn)子所在扇區(qū)位置，實現(xiàn)永磁同步電機(jī)的換相，判斷霍爾元件信號狀態(tài)來確定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)角度等位置信息?；魻栁恢脗鞲衅鬏敵鲂盘枮镠A、HB、HC，通過HA和HB的相位差判斷電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，波形如圖5、圖6所示。

圖5HA超前HB電機(jī)正轉(zhuǎn) 圖6HB超前HA電機(jī)正轉(zhuǎn)

表1給出三相全波六狀態(tài)工作方式換相真值表和霍爾信號與對應(yīng)轉(zhuǎn)子位置扇區(qū)的關(guān)系。

表1 霍爾信號與對應(yīng)轉(zhuǎn)子位置扇區(qū)的關(guān)系

霍爾位置傳感器輸出信號HA、HB、HC，在每個360°電角度內(nèi)給出6個代碼，這6個代碼順序是001、101、100、110、010、011。換相控制邏輯電路接收轉(zhuǎn)子位置傳感器的輸出信號HA、HB、HC，并對其進(jìn)行譯碼處理，給出電子換相器主回路中6個開關(guān)管的驅(qū)動控制信號，實現(xiàn)電機(jī)三相順序通電完成永磁無刷電機(jī)的換相[9-10]。

圖7 電機(jī)換相矢量圖

圖7是一個電周期轉(zhuǎn)子通電的矢量圖，按照表1的通電時序順序地給電機(jī)周期性加電，電機(jī)既可轉(zhuǎn)動[11]。

3 實驗研究

3.1 轉(zhuǎn)速測量結(jié)果分析

彈體處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，鴨舵舵片同彈體相對旋轉(zhuǎn)之間存在一定的轉(zhuǎn)速差。實現(xiàn)舵片的減旋，轉(zhuǎn)速測量的準(zhǔn)確與否是關(guān)鍵，實驗設(shè)計條件為舵片同彈體在不同轉(zhuǎn)速差下，依霍爾傳感器實際測量值的誤差大小來判斷系統(tǒng)測速的準(zhǔn)確性。實驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 不同轉(zhuǎn)速差下實測誤差

實驗數(shù)據(jù)的分析采用同條件下多組數(shù)據(jù)求平均的方法，避免偶然誤差，提高了實驗準(zhǔn)確性。由表2數(shù)據(jù)利用Matlab進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計擬合得到的曲線如圖8所示。

圖8 轉(zhuǎn)速測量誤差曲線

誤差分析表明，轉(zhuǎn)速測量誤差在3%以內(nèi)，并且隨著預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速差值的增大測量誤差愈小，呈指數(shù)形式下降，函數(shù)關(guān)系如式(2)所示。

y=7.1803×exp(-0.006x)

(2)

由實驗可知，高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下系統(tǒng)較低轉(zhuǎn)速時具有更精確測量效果，系統(tǒng)受外部擾動作用時控制系統(tǒng)能更快響應(yīng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，由此進(jìn)一步提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性。

3.2 模擬樣機(jī)角度修正

實驗在模擬轉(zhuǎn)臺上進(jìn)行，預(yù)先設(shè)置舵片停止角度為90°，在不同彈體轉(zhuǎn)速下測量最終舵片的停止角度。因修正舵機(jī)為一慣性系統(tǒng)，在不考慮系統(tǒng)慣性之前，實驗測得停止角度同預(yù)設(shè)角度偏差較大，很難起到準(zhǔn)確修正的目的。根據(jù)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的動能定理：

(3)

據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩和PWM波占空比的關(guān)系，結(jié)合實驗測量的系統(tǒng)固有參數(shù)和系統(tǒng)實時測量參數(shù)可得：

(4)

整理式(4)可得目標(biāo)角度θ的表達(dá)式：

(5)

式中：θ為目標(biāo)角度；J為舵機(jī)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量；ω1、ω2為舵片停止前后的角速度；M1為電磁轉(zhuǎn)矩；M2為軸承摩擦力矩和慣性力矩之和；M3為風(fēng)阻力矩。其中J、M2為對樣機(jī)進(jìn)行多次試驗測量計算出的合理數(shù)據(jù)。舵機(jī)系統(tǒng)的控制方法在考慮軸承摩擦力矩和慣性力矩對系統(tǒng)的影響情況下，實驗數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 舵片修正角度偏差

由表3可知，角度偏差在7.5°范圍內(nèi)，很大程度地提高了舵機(jī)修正精度。角度偏差數(shù)據(jù)分析表明，電機(jī)的轉(zhuǎn)速越大，舵片停止角度偏差呈增大趨勢，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到7200n/min時角度偏差為7.5°。舵機(jī)修正原理是通過有限次不連續(xù)的動作來完成對舵片的控制，從而達(dá)到二維修正的目標(biāo)。該系統(tǒng)在一定精度上實現(xiàn)了高速旋轉(zhuǎn)彈的二維修正，為后續(xù)高精度的舵機(jī)修正系統(tǒng)的研究提供了實驗依據(jù)。

4 結(jié)論

實現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)彈電動舵機(jī)修正系統(tǒng)舵片減旋和停止角度的有效控制，通過理論分析和平臺實驗的驗證，該舵機(jī)修正系統(tǒng)在十字型固定鴨舵的有限次不連續(xù)的修正下，能達(dá)到高旋彈修正精度的基本要求。采用霍爾傳感器，在彈體高速旋轉(zhuǎn)下能夠檢測得到高精度的舵機(jī)位置信息，并且減小舵機(jī)系統(tǒng)的體積。該舵機(jī)系統(tǒng)實現(xiàn)了高旋彈二維修正前期的減旋和修正段的舵機(jī)停止角度修正，基本達(dá)到二維彈道修正系統(tǒng)對氣動舵機(jī)的控制要求，為后續(xù)的彈道修正研究提供了參考依據(jù)。

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(責(zé)任編輯：趙麗琴)

Study on Position Sensor Applied in the High Rotary Steering Gear Control System

WANG Ling，ZHANG Jinchao，QIAO Lei，HAO Yongping，ZHANG Fuxin

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

To realize the high-speed spinning projectile trajectory correction,the correction of steering gear reduction spinning and servo system of permanent magnet motor positioning control testing are critical.Based on the two-dimensional fixed duck rudder work principle and control methods research of the permanent magnet synchronous motor,the way of steering gear system location correction control is detected by hall sensor.Through the installation of hall sensor in the simulation prototype,the position detection precision of the steering gear and speed measuring precision is improved by the improved six short pulse positioning technology.Experimental results show that the steering gear control system structure is simple with the ideal positioning accuracy.And under the condition of high speed rotating system,it has good stability and high reliability,which provides experimental basis for subsequent spiral spring two-dimensional trajectory correction on steering gear control system research.

ballistic correction;permanent magnet synchronous motor;six short pulse position;hall sensor;the position detection

2015-04-07

國家863計劃資助項目(2009AA04Z167)

王玲(1960—)，男，教授，研究方向：嵌入式計算機(jī)應(yīng)用及非線性控制系統(tǒng).

1003-1251(2015)04-0019-05

TJ765.2

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