某型火箭布雷車模擬器發(fā)射裝置的設計與開發(fā)

王樸　李煥良　申金星

摘 要：研制了基于伺服控制技術的某型火箭布雷車模擬器發(fā)射裝置。該裝置采用“PC機+運動控制卡”控制策略，建立了上位機—運動控制卡—驅動器—執(zhí)行電機硬件系統(tǒng)，開發(fā)了基于LabVIEW Softmotion Module的上位機控制軟件，并利用NI模塊化的軟、硬件系統(tǒng)提高了模擬發(fā)射裝置的靈活性和可靠性。

關鍵詞：伺服控制；火箭布雷車；發(fā)射裝置；LabVIEW

中圖分類號：TJ303+.3 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.16.009

某型火箭布雷車是我軍新一代布雷裝備，但部隊在對其使用的過程中面臨列裝數量少、訓練損耗大、實彈射擊危險性高等問題，嚴重制約了新裝備戰(zhàn)斗力的提高。因此，研制配套的模擬訓練器可有效解決該型布雷車列裝部隊后訓練水平低、訓練手段落后等實際問題，從而節(jié)約訓練經費、降低訓練損耗和提高訓練效率，具有重大的軍事效益。

瞄準和射擊是火箭布雷車戰(zhàn)備訓練中最重要的2個方面。在光學瞄準過程中，操作手裝定諸元的準確度和控制調炮的熟練度決定了最終的射擊速度和精度。因此，操控系統(tǒng)在駕駛席、炮長席和操瞄席等操作席位之外增設了模擬發(fā)射裝置，著重體現(xiàn)了定向器的運動過程，并結合三維視景的音頻、視頻輸出，達到了虛實同步的場景效果，最大程度地提高了操瞄訓練的逼真度和操作人員的成就感。

1 模擬發(fā)射裝置的結構設計

在調炮操作訓練過程中，模擬發(fā)射裝置隨著虛擬視景中的布雷車模型同步動作，其機械結構、運動軌跡與實裝大致相同。模擬訓練器利用PVC材料加工制成4×10輕質火箭發(fā)射定向器，并將其安裝在回轉座圈上；選用Sentron公司13XMB150B系列的伺服電機作為高低/方向調炮的驅動元件；選用了配套的伺服驅動器、多軸運動控制卡、行星減速器等硬件設備，實現(xiàn)了高/低方向兩個自由度的運動控制。模擬發(fā)射裝置結構如圖1所示。

2 模擬發(fā)射裝置控制方案的比較

模擬發(fā)射裝置伺服控制系統(tǒng)根據主控單元仿真軟件中設置的諸元參數賦予定向器相應的射向和射角。在調炮過程中，模擬發(fā)射裝置的運動軌跡與三維視景中虛擬布雷車同步，因此，伺服控制系統(tǒng)需對執(zhí)行電機的位置、速度、加速度等參數實時控制。

常用的伺服控制策略一般有2種，分別以單片機和運動控制卡為核心，并根據上位機的輸入信號產生控制脈沖，經過電機驅動器的隔離和放大處理，最終實現(xiàn)對伺服電機的精確控制?；趩纹瑱C的運動控制器如圖2所示，基于控制卡的運動控制器如圖3所示。

傳統(tǒng)的電機控制系統(tǒng)利用單片機采集模擬輸入信號，并對信號波形進行濾波、整流、隔離和放大，經過A/D電路轉換為可供計算機讀取的數字信號，由上位機對數據進行計算和存儲，最終輸出模擬控制信號。但基于單片機技術的控制方案具有局限性，比如受到單片機片內部資源的限制，系統(tǒng)時鐘頻率較低、采樣速度慢，難以滿足實時控制系統(tǒng)的要求；硬件線路較為復雜，電路設計工作煩瑣，系統(tǒng)開發(fā)后的元器件難以更換和升級，利用匯編、C51等語言開發(fā)控制程序的難度較大、效率較低。傳統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)如圖4所示。

本文研究的伺服控制策略以運動控制卡為核心，基于LabVIEW Softmotion Module編制上位機控制軟件，計算機只負責完成人機數據交互和系統(tǒng)監(jiān)控等任務，CPU的負擔大大減輕。運動控制卡基于實時系統(tǒng)（RTOS），可更好地滿足運動控制系統(tǒng)的實時性要求，實現(xiàn)對運動軌跡任意點的精確控制。伺服控制系統(tǒng)可驅動單臺電機，也可以將多臺電機組成空間向量控制，充分利用了LabVIEW的強大功能和計算機的資源優(yōu)勢。同時，還降低了開發(fā)成本，提高了系統(tǒng)的靈活性。因此，“運動控制卡+PC機”的控制方案具有明顯的技術優(yōu)勢。

如圖5所示，上位機通過PCI總線對運動控制卡發(fā)送控制指令，包括位置、速度和加速度等參數信息；運動控制卡根據接收到的命令輸出一組脈沖序列，脈沖的數量、頻率和變化速率分別代表伺服電機的轉動角度、轉動速度和加減速等特性；伺服驅動器根據接收到的脈沖信號確定運動終點位置，并將終點位置值與軸端光電編碼器反饋信號進行比較，其差值就是電機當前的位置誤差；驅動器利用PID控制算法產生電機速度信號，從而調節(jié)伺服電機的運轉速度。

3 伺服控制系統(tǒng)硬件的實現(xiàn)

模擬發(fā)射裝置基于模塊化的硬件設備構建伺服控制系統(tǒng)，避免了硬件系統(tǒng)底層驅動的開發(fā)，實現(xiàn)了高效的系統(tǒng)環(huán)境，完成了對伺服電機精確定位、多軸同步和加減速等運動特性的實時控制。

模擬發(fā)射裝置伺服控制系統(tǒng)的硬件設備包括PC機、運動控制卡、伺服驅動器和執(zhí)行電機。運動控制卡采用通用PCI總線接口與上位機連接。下面以驅動器為中間節(jié)點，詳細介紹伺服控制系統(tǒng)硬件的工作原理。

3.1 驅動器與運動控制卡的連接

TS0150C32驅動器控制信號有2種輸入方式：①CW與CCW端口分別輸入正轉、反轉脈沖；②CW端口輸入脈沖信號，D端口輸入方向信號。具體如圖6所示。

模擬發(fā)射裝置選用方案二所示的脈沖/方向控制方式，CW/D端口選用共陽極接法，如圖7所示。如果CW/D端口為高電平，則發(fā)光二極管兩端電壓相同，脈沖信號停止發(fā)送。NI PCI7342運動控制卡+5 V輸出電壓連接驅動器的控制脈沖輸入正極CW和方向輸入正極D+，運動控制卡控制脈沖接口、方向信號接口連接驅動器控制脈沖輸入負極CCW和方向信號負極D-。

為了控制驅動器的工作使能狀態(tài)，將控制卡的I/O口IN1連接至驅動器使能輸入端EN-。該I/O口同樣采用共陽極接法，EN+連接至+5 V電源。如果IN1為低電平，則使能回路導通，驅動器暫停工作。

3.2 驅動器與伺服電機的連接

驅動器支持CAN、RS485和RS232等總線通信方式，利用CN1通訊端子與上位機進行數據交互。輸入輸出端子CN2的U，V，W和FG引腳分別連接伺服電機的紅、黃、藍、綠端子，即交流電的3根相線和地線；編碼器接口CN3通過接插件與電機軸端編碼器的A+、A-、B+、B-相連，輸出脈沖信號和方向控制信號；由于TS0150C32驅動器內部沒有再生制動電阻，所以，要在端子P，B之間外接，否則會導致制動電阻發(fā)熱，甚至燒毀驅動器。TS0150C32驅動器與伺服電機的接線方式如圖8所示。

3.3 速度控制模擬量輸入端口接線

手動調炮時，模擬發(fā)射裝置通過電動手輪輸出模擬控制信號，驅動定向器的2臺伺服電機運動。這是伺服驅動器采用速度控制模式的重要原因之一，TS0150C32驅動器可通過外部輸入模擬量控制速度和轉矩。電動手輪內部等效為一個可調電阻，根據轉動角度的大小，輸出0～10 V連續(xù)變化的控制電壓，接入驅動器的16引腳，經過驅動器內部電路放大處理后，可作為伺服電機的速度控制信號。

3.4 伺服系統(tǒng)的可靠性設計

TS0150C32驅動器端口利用光電耦合器6N173進行隔離保護，抑制尖峰脈沖與高頻噪聲的干擾，防止運動控制卡和驅動器內部電路被燒毀?？刂泼}沖將單端信號轉化為差分信號，提高了信噪比。模擬發(fā)射裝置硬件系統(tǒng)選用帶有屏蔽功能的雙絞線作為傳輸介質，主要控制元件共地連接，降低了電磁干擾和靜電感應，進一步提高了系統(tǒng)的可靠性和抗干擾性。為了保證伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定工作，高品質的伺服電源至關重要。模擬發(fā)射裝置對驅動器和控制系統(tǒng)分別供電，在布線工作前進行系統(tǒng)電磁兼容設計，前端電磁接觸器、進線斷路器、噪聲濾波器和進線電抗器的特性參數與系統(tǒng)負載匹配。伺服系統(tǒng)的硬件連接如圖10所示。

4 伺服控制系統(tǒng)上位機軟件的開發(fā)

LabVIEW Softmotion Module是NI公司推出的單軸和多軸運動控制程序開發(fā)平臺，以圖形化的方式編寫的應用軟件，可靈活使用豐富的API程序接口，按照協(xié)議與其他應用程序通信，最終實現(xiàn)對速度、位置和轉矩的控制。

模擬發(fā)射裝置的軌跡參數通過主控單元仿真軟件設置，運動控制程序作為獨立的子VI讀取高低角/方向角等運動參數。在LabVIEW Soft Motion環(huán)境中配置了2軸的速度、加速度等運動特性，可通過PCI總線輸出控制信號。如圖11所示，前面板主要包括參數配置模塊、錯誤輸出模塊、運動軌跡顯示模塊三部分。

5 結束語

瞄準和發(fā)射是該類型火箭布雷車完成作業(yè)的關鍵，模擬發(fā)射裝置的設計直接影響著訓練效果。本文采用“PC機+運動控制卡”的控制策略，建立了上位機—運動控制卡—驅動器—執(zhí)行電機硬件系統(tǒng)，開發(fā)了基于LabVIEW Softmotion Module的上位機控制軟件，并利用NI模塊化的軟、硬件系統(tǒng)提高了模擬發(fā)射裝置的靈活性和可靠性，逼真地模擬了該類型火箭布雷車的發(fā)射過程，這對我軍戰(zhàn)斗力的早日成形具有重大意義。

參考文獻

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作者簡介：王樸，碩士研究生，現(xiàn)工作于解放軍理工大學野戰(zhàn)工程學院軍事裝備學教研中心。李煥良，副教授，現(xiàn)工作于解放軍理工大學野戰(zhàn)工程學院軍事裝備學教研中心。

〔編輯：張思楠〕

Abstract： We developed a rocket minelaying vehicle simulator launcher servo control technology based on the. The device using the software and hardware system of “PC + motion control card” control strategy， established the PC - motion control card， drive executive motor， hardware system， the development of the control software of PC based on LabVIEW robot was done by making module， and using Ni modular improves the model intends to launch the flexibility and reliability of the device.

Key words： servo control； rocket launcher； minelayer； LabVIEW