永磁電機(jī)的力矩波動(dòng)對舵機(jī)修正精度的影響

張福新，王　海，張嘉易，張　健，李新福

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

Effect of Permanent Magnet Motor Torque Fluctuation on Steering Gear Correction Accuracy

ZHANG Fuxin,WANG Hai,ZHANG Jiayi,ZHANG Jian,LI Xinfu

(Center for Ordnance Science and Technology Research,Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

永磁電機(jī)的力矩波動(dòng)對舵機(jī)修正精度的影響

張福新，王海，張嘉易，張健，李新福

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

Effect of Permanent Magnet Motor Torque Fluctuation on Steering Gear Correction Accuracy

ZHANG Fuxin,WANG Hai,ZHANG Jiayi,ZHANG Jian,LI Xinfu

(Center for Ordnance Science and Technology Research,Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

摘要：依據(jù)彈道修正基本原理，對彈道修正基本流程進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過查閱相關(guān)資料，對彈道修正機(jī)構(gòu)中的舵機(jī)所受力矩進(jìn)行分析。通過對修正彈進(jìn)行氣動(dòng)仿真，可知永磁電機(jī)的力矩波動(dòng)會(huì)使舵機(jī)在目標(biāo)停止位置出現(xiàn)擺動(dòng)，使永磁電機(jī)對舵機(jī)的控制精度降低。又對影響永磁電機(jī)力矩波動(dòng)的因素進(jìn)行分析，可知減小硅鋼片槽口寬度和采用磁極偏移可以減小永磁電機(jī)的力矩波動(dòng)。結(jié)果表明，為了提高舵機(jī)的修正精度，必須要減小永磁電機(jī)的力矩波動(dòng)。

關(guān)鍵詞：彈道修正；力矩分析；力矩波動(dòng)；修正精度

中圖分類號(hào)：TM301.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-2257(2015)07-0031-03

收稿日期：2015-04-27

基金項(xiàng)目：國家“八六三”計(jì)劃資助項(xiàng)目(2009AA04Z167)； 遼寧省自然科學(xué)基金(201102182)

作者簡介：張福新(1991-)，男，遼寧開原人，研究生，研究方向?yàn)閺椀佬拚夹g(shù)。

Abstract：Based on the basic principles of trajectory correction, a basic process to carry out trajectory correction is designed. After a review of relevant data, the steering gear of trajectory correction mechanism by torque is analyzed. Through simulations of the correct projectile aerodynamics, it is concluded that the permanent magnet motor torque fluctuation will appear in the position of steering gear in the target to stop oscillating and the controlled precision of the permanent magnet motor control of the steering gear will decrease. After analyzing the influencing factors of permanent magnet motor torque fluctuation, it is concluded that reducing the silicon steel sheet slit width and the pole shift can reduce the permanent magnet motor torque fluctuation. The results show that in order to improve the correction precision of steering gear, the permanent magnet motor torque fluctuation must be reduced.

Key words：ballistic correction torque analysis torque fluctuation correction accuracy

0引言

通過在原有所謂“笨蛋”的頭部安裝上修正舵機(jī)，使其具有修正能力，從而使彈丸按照預(yù)定的軌跡飛行的方法已被證明是非常有效的。舵機(jī)結(jié)構(gòu)采用4個(gè)舵片十字型的方式進(jìn)行布置，垂直位置的一對舵片采用形狀相同，偏角大小為α度且朝向同一方向，在修正過程中用于改變彈丸的飛行方向，水平位置的一對舵片采用形狀相同，偏角大小為β度且朝向相反，在修正過程中對修正機(jī)構(gòu)進(jìn)行轉(zhuǎn)速的風(fēng)阻控制。舵機(jī)和彈體之間通過軸承連接，使舵機(jī)和彈體之間可以相互轉(zhuǎn)動(dòng)。彈丸出炮口后，風(fēng)阻舵機(jī)受到空氣動(dòng)力作用會(huì)產(chǎn)生使舵機(jī)與原旋轉(zhuǎn)方向相反的風(fēng)阻力矩，這個(gè)力矩可以快速地使舵機(jī)旋轉(zhuǎn)速度減小直至反轉(zhuǎn)達(dá)到平衡。若要控制舵機(jī)滾轉(zhuǎn)角，則利用風(fēng)阻力矩、電磁力矩和軸承摩擦力矩的合力矩來完成。而永磁電機(jī)的力矩波動(dòng)也是影響永磁電機(jī)對舵機(jī)控制精度的重要因素，所以針對永磁電機(jī)力矩的波動(dòng)研究是二維彈道修正技術(shù)的基礎(chǔ)，對以后更加深入的研究二維修正彈控制算法具有指導(dǎo)意義[1]。

1彈道修正基本流程

當(dāng)修正彈飛出炮口后，由修正彈自帶的GPS和INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)對修正彈飛行速度、空中坐標(biāo)、舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度和空中姿態(tài)等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，并把測得的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳給彈載計(jì)算機(jī)，把實(shí)際解算的彈道與發(fā)射前灌入彈載計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)彈道進(jìn)行比較，得出實(shí)際彈道與標(biāo)準(zhǔn)彈道的實(shí)際偏差值，然后通過控制系統(tǒng)里的控制算法正確地計(jì)算出修正彈舵機(jī)相對于地坐標(biāo)的姿態(tài)和進(jìn)行修正所需要的驅(qū)動(dòng)力矩，當(dāng)修正彈回到預(yù)定的理想彈道后，修正彈的控制機(jī)構(gòu)釋放舵機(jī)，讓其在可修的轉(zhuǎn)速下自由旋轉(zhuǎn)，等待接收控制系統(tǒng)再次發(fā)出修正指令，因此可以達(dá)到對修正彈的連續(xù)修正，彈道修正的基本流程[2]如圖1所示。

圖1　彈道修正流程

2舵機(jī)所受力矩的分析

彈丸出膛后舵機(jī)不僅會(huì)受到阻力、升力，還會(huì)受到風(fēng)阻力矩Mxω與軸承摩擦力矩Mm的共同作用，當(dāng)被修正時(shí)還會(huì)受到電磁力矩Me的作用。這些力矩的合力矩M是控制舵機(jī)旋轉(zhuǎn)，并使之飛行到最佳彈道的動(dòng)力。其中天氣情況、彈丸飛行速度以及舵片偏角等都是影響舵機(jī)所受到的風(fēng)阻力矩大小的因素，在風(fēng)阻力矩的作用下會(huì)使舵機(jī)原本和彈體相同的旋轉(zhuǎn)速度及方向在很短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生改變，使舵機(jī)在出膛后不久就會(huì)迅速減速旋轉(zhuǎn)，接著會(huì)反向高速旋轉(zhuǎn)，直到達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速。由于舵機(jī)與彈體之間是通過軸承進(jìn)行連接，必然會(huì)產(chǎn)生軸承的摩擦力矩，并且其方向始終與舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向相反。而電磁轉(zhuǎn)矩?zé)o疑成為后續(xù)彈丸有效修正的主導(dǎo)因素，并且其方向和風(fēng)阻力矩的方向相反。舵機(jī)所受力矩如圖2所示[3]。

圖2　舵機(jī)受力分析

3永磁電機(jī)力矩波動(dòng)的仿真分析

3.1　建立彈道方程

為分析永磁電機(jī)力矩的波動(dòng)對舵機(jī)控制精度的影響，在此根據(jù)彈體部分和舵機(jī)部分所受空氣動(dòng)力，并加入控制算法，建立具有空間六自由度的剛體彈道模型，具體模型如下：

(Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z)為作用在彈上的總力，包含了修正舵部分所受空氣動(dòng)力和除舵片以外的彈體部分所受空氣動(dòng)力在彈道坐標(biāo)系上的投影。(Mξ，Mη，Mζ)為作用在彈上的空氣動(dòng)力對質(zhì)心的力矩在彈軸坐標(biāo)系三軸上的分量[4]。

3.2　結(jié)果分析

當(dāng)彈丸飛行到可修段，彈載計(jì)算機(jī)會(huì)根據(jù)采集到的彈丸的飛行姿態(tài)、速度和空間位置解算出實(shí)際彈道，與預(yù)定的理想標(biāo)準(zhǔn)彈道進(jìn)行對比之后，解算出相應(yīng)的修正量，控制系統(tǒng)迅速發(fā)出控制命令，控制電機(jī)迅速響應(yīng)，使舵機(jī)快速減到預(yù)先所規(guī)定好的穩(wěn)定的低速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，再根據(jù)控制方案使舵機(jī)快速轉(zhuǎn)到解算好的位置(相對于地面坐標(biāo)系)，利用舵機(jī)的氣動(dòng)特性執(zhí)行彈道修正。由于舵機(jī)的氣動(dòng)阻力和舵機(jī)的風(fēng)阻力矩是隨彈丸的飛行速度的改變而改變的量，并且由于永磁電機(jī)自身存在的原因?qū)е掠来烹姍C(jī)的力矩出現(xiàn)波動(dòng)現(xiàn)象，因此標(biāo)定舵不能很好的保持在某一指定角度，而是保持在一種左右擺動(dòng)的狀態(tài)，永磁電機(jī)在±0.06 N·m波動(dòng)時(shí)修正舵機(jī)的工作過程如圖3所示。

圖3　電機(jī)力矩在± 0.06 N·m波動(dòng)時(shí)修正舵機(jī)的工作過程

從圖3可以看出，彈道修正機(jī)構(gòu)要求修正舵機(jī)在彈丸飛行至60～70 s時(shí)間段調(diào)整到180°位置時(shí)，修正舵機(jī)在±15°范圍內(nèi)上下擺動(dòng)，這就降低了永磁電機(jī)對舵機(jī)的控制精度。

當(dāng)其它條件完全一樣，永磁電機(jī)力矩波動(dòng)范圍為±0.09N·m時(shí)，修正舵機(jī)的工作過程如圖4所示。

圖4　電機(jī)力矩在± 0.09 N·m波動(dòng)時(shí)修正舵機(jī)的工作過程

從圖4可以看出，在60～70 s時(shí)間段舵機(jī)的擺動(dòng)角度明顯加大。由于二維彈道修正原理主要就是利用空氣和舵機(jī)之間產(chǎn)生側(cè)向動(dòng)力的方式來執(zhí)行修正動(dòng)作的，永磁電機(jī)力矩波動(dòng)的大小會(huì)直接影響到舵機(jī)修正的精度，因此為了提高舵機(jī)的修正精度，必須要削弱永磁電機(jī)的力矩波動(dòng)[5]。

4永磁電機(jī)力矩波動(dòng)的削弱方法分析

由于影響永磁電機(jī)力矩波動(dòng)的因素很多，但影響的主要因素還是電機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)，合理的電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸和布局可以有效的減小永磁電機(jī)力矩的波動(dòng)。本文主要分析了磁極偏移和硅鋼片槽口寬度的因素對永磁電機(jī)力矩波動(dòng)的影響。利用 電磁場分析軟件針對這2種因素進(jìn)行二維瞬態(tài)磁場分析，并且每次仿真除了要分析的影響因素以外，電機(jī)的其它結(jié)構(gòu)參數(shù)均保持相同，從而能夠有效地獲得其對永磁電機(jī)力矩波動(dòng)的影響規(guī)律。

4.1　磁極偏移對永磁電機(jī)力矩波動(dòng)的影響

圖5　永磁電機(jī)磁極偏移后和磁極無偏移的力矩波動(dòng)的對比

從圖5可以看出，采用磁極偏移后永磁電機(jī)力矩波動(dòng)的幅值下降的非常明顯，大約從0.055 mN·m下降到0.008 mN·m，因此，采用磁極偏移對降低永磁電機(jī)力矩波動(dòng)的效果非常明顯。

4.2　硅鋼片槽口寬度對永磁電機(jī)力矩波動(dòng)的影響

永磁電機(jī)的定子槽采用24槽結(jié)構(gòu)，定子槽型采用梨形槽，氣隙長度為1 mm。在保持其他結(jié)構(gòu)參數(shù)和布局一樣的情況下，建立硅鋼片槽口寬度從0.5～2 mm的6種模型。通過仿真計(jì)算得出永磁電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)，各硅鋼片槽口寬度對永磁電機(jī)力矩波動(dòng)影響情況如圖6所示。

從圖6可以看出，不同齒槽開口寬度的永磁電機(jī)力矩波動(dòng)的周期變化是一樣的。硅鋼片槽口寬度在0.5 mm、0.8 mm和1.1 mm之間時(shí)永磁電機(jī)力矩波動(dòng)的變化幅值不是太大，但是隨著齒槽開口寬度進(jìn)一步增大，永磁電機(jī)力矩波動(dòng)的幅值上升趨勢比較明顯。因此為了減小永磁電機(jī)力矩的波動(dòng)幅度，在保證電樞繞組嵌線方便的情況下，應(yīng)該盡量減小硅鋼片槽口寬度[6]。

圖6　不同硅鋼片槽口寬度對永磁電機(jī)力矩波動(dòng)的影響

5結(jié)束語

論述彈道修正基本流程，對彈道修正機(jī)構(gòu)中的舵機(jī)在工作時(shí)所受力矩進(jìn)行分析。通過對修正彈進(jìn)行氣動(dòng)仿真，得出永磁電機(jī)的力矩波動(dòng)會(huì)使舵機(jī)在目標(biāo)停止位置出現(xiàn)擺動(dòng)的結(jié)論，使永磁電機(jī)對舵機(jī)的控制精度降低。通過電磁場分析軟件對永磁電機(jī)進(jìn)行仿真，可知采用磁極偏移和減小硅鋼片槽口寬度可以減小永磁電機(jī)的力矩波動(dòng)，從而提高永磁電機(jī)對舵機(jī)的控制精度，使舵機(jī)的修正精度提高。為彈道修正機(jī)構(gòu)中控制電機(jī)的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一定的參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王俊全.彈道修正彈舵機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制[D].南京:南京理工大學(xué)，2003.

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[4]徐勁祥.彈道修正彈六自由度彈道仿真研究[J].兵工學(xué)報(bào)，2007,28(4)：411-413.

[5]王秀和.永磁電機(jī)[M].北京:中國電力出版社,2007.

[6]王秀和.基于磁極分段的齒槽轉(zhuǎn)矩削弱方法研究[C]//中國電工技術(shù)學(xué)會(huì).第十屆全國永磁電機(jī)學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集.贛州，2010：4-10.