彈道修正彈中舵機(jī)的控制

喬　磊，吳玉斌，郝永平，張進(jìn)超，張福新

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

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彈道修正彈中舵機(jī)的控制

喬磊，吳玉斌，郝永平，張進(jìn)超，張福新

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

為對彈道修正彈舵機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定彈丸的二維修正，提出電壓調(diào)速控制電機(jī)的方法。以轉(zhuǎn)臺運(yùn)行模擬彈丸在空氣中的飛行，設(shè)計(jì)出斬波控制電路，并對控制電路和控制算法進(jìn)行改進(jìn)，通過改變占空比控制電磁轉(zhuǎn)矩，對電機(jī)進(jìn)行控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電壓調(diào)速控制電機(jī)的方法控制準(zhǔn)確性、快速性和穩(wěn)定性好，抗過載能力較好，能夠?qū)Χ鏅C(jī)進(jìn)行有效控制，為二維彈道修正執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電機(jī)調(diào)速提供了依據(jù)。

彈道修正；霍爾傳感器；永磁電機(jī)；控制方法

二維彈道修正是指對彈丸的橫向和縱向進(jìn)行修正，通過改變俯仰力矩和偏航力矩來控制彈丸的飛行；提高修正準(zhǔn)確度的關(guān)鍵是對彈丸減旋。在彈丸飛行到修正階段時，對舵機(jī)進(jìn)行控制，彈載計(jì)算機(jī)根據(jù)彈丸彈道偏差發(fā)出修正指令，控制修正舵機(jī)的空間姿態(tài)，利用空氣動力學(xué)理論使彈丸在空氣中飛行時達(dá)到理想的運(yùn)行軌跡。

永磁直流電機(jī)大多數(shù)都是微型電機(jī)，具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、重量輕、效率高的特點(diǎn)，由于彈丸內(nèi)部空間有限，采用永磁直流電機(jī)作為控制電機(jī)[1]。永磁電機(jī)的調(diào)速方法主要有三種：電樞回路串電阻調(diào)速、改變主磁通調(diào)速及改變電壓調(diào)速。其中電樞回路串電阻調(diào)速只能由額定轉(zhuǎn)速向下調(diào)節(jié)，調(diào)速范圍小，當(dāng)負(fù)載變化時，轉(zhuǎn)速變化大，效率較低。主磁通調(diào)速中的磁通不易調(diào)節(jié)，且永磁體的磁導(dǎo)率較小，調(diào)速方位會受到限制。而改變電壓調(diào)速方式平滑性好，可實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速，調(diào)速范圍廣，穩(wěn)定性好。李新福等[2]采用電樞回路串電阻調(diào)速的控制方法實(shí)現(xiàn)了彈道修正機(jī)構(gòu)中電機(jī)的控制。星生智[3]采用改變主磁通的方法，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)轉(zhuǎn)子磁通的完全可控。本文采用改變電壓調(diào)速的控制方法，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的控制；該方法可形成閉環(huán)系統(tǒng)，自動化程度高，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加小型化。

1　永磁直流電機(jī)的工作特性

1.1永磁直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性

轉(zhuǎn)矩特性是指外加額定電壓UN時，電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Tem和電樞電流Ia之間的關(guān)系:

(1)

式中：Tem為電磁轉(zhuǎn)矩(N·M)；φ為每極氣隙磁通(Wb)；N為電樞繞組總導(dǎo)體數(shù)；a為電樞繞組的并聯(lián)支路對數(shù)；CT為轉(zhuǎn)矩常數(shù)；P為極數(shù)。

由式(1)可知，當(dāng)電樞電流增加時，若每極磁通φ不變，則電磁轉(zhuǎn)矩為通過原點(diǎn)的直線，但每極磁通隨電樞電流的增大而略有減小，所以電磁轉(zhuǎn)矩的增加比電流的增加略慢，如圖1所示。

圖1　永磁直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性

1.2永磁直流電機(jī)的機(jī)械特性

機(jī)械特性是指外加額定電壓UN時，電動機(jī)轉(zhuǎn)速n與電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系:

n=f(Tem)

當(dāng)每極磁通不變時，機(jī)械特性是一條下降的直線。由于電樞電阻較小，機(jī)械特性的斜率很小。隨著電磁轉(zhuǎn)矩的增大，電樞反應(yīng)的去磁作用略微增強(qiáng)，磁通不是常數(shù)，機(jī)械特性也不再是一條直線，而是在下端略有增大。

2　模擬實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)臺

2.1實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)及原理

模擬實(shí)驗(yàn)用一個控制電機(jī)和阻尼電機(jī)?？刂齐姍C(jī)在不同電壓時,電機(jī)的轉(zhuǎn)速不一樣，所以由阻尼裝置產(chǎn)生的風(fēng)阻力矩也不一樣，能更好的模擬實(shí)際的風(fēng)阻。利用霍爾傳感器對阻尼電機(jī)的軸轉(zhuǎn)速和位置進(jìn)行檢測并反饋到控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)事先定好的設(shè)計(jì)方案，使阻尼電機(jī)保持在穩(wěn)速、停和正反轉(zhuǎn)狀態(tài)，來實(shí)現(xiàn)對阻尼電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制[4]。結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。

圖2　試驗(yàn)轉(zhuǎn)臺示意圖

開始對兩個電機(jī)通電時，此時風(fēng)阻力矩比控制電機(jī)力矩大很多，油盒轉(zhuǎn)速較快。為保持低速狀態(tài)，控制系統(tǒng)將根據(jù)霍爾傳感器檢測到的實(shí)際轉(zhuǎn)速與預(yù)設(shè)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，然后通過單片機(jī)發(fā)出指令控制外圍電路，達(dá)到預(yù)設(shè)的轉(zhuǎn)速后，再進(jìn)行下一個操作。

2.2外圍控制電路

模擬實(shí)驗(yàn)分別采用兩種控制電路，一種是電樞回路中串接外加電阻；另一種是利用斬波的電壓調(diào)速方法。第一種方法采用單片機(jī)STC89C58RD作為主控制器,利用康銅絲模擬可控電阻，通過控制場效應(yīng)管的開和關(guān)來調(diào)整電阻的阻值，如圖3所示。

圖3　電樞回路中串接外加電阻電路圖

由于電樞回路串電阻方法控制模塊所占的空間尺寸比較大，且電阻細(xì)分化較困難，場響應(yīng)管工藝集成化比較難以實(shí)現(xiàn)，所以采用斬波調(diào)壓調(diào)速方法。斬波調(diào)壓調(diào)速方法采用單片機(jī)STC15W404AS作為核心，驅(qū)動電路主要由光電耦合和圖騰柱電路形成放大電路，使5V信號電壓放大為15V信號電壓，來快速啟動場效應(yīng)管，在輸出端輸出PWM波形。彈丸發(fā)射后，霍爾傳感器測得舵片轉(zhuǎn)速，通過調(diào)節(jié)PWM占空比，使電機(jī)產(chǎn)生合適的轉(zhuǎn)矩，確保彈體處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)時，舵片依然可以保持低轉(zhuǎn)速，使舵機(jī)不受彈體轉(zhuǎn)速的影響，從而達(dá)到修正彈的減旋。原理圖及波形如圖4、圖5所示。

圖4　電壓調(diào)速控制系統(tǒng)驅(qū)動電路

圖5　斬波控制電路的脈沖在固定占空比下的波形

在以霍爾傳感器構(gòu)成的測速系統(tǒng)中，利用霍爾傳感器的輸出脈沖頻率和轉(zhuǎn)速成正比的原理，根據(jù)脈沖發(fā)生器發(fā)出的脈沖速度和序列，測量轉(zhuǎn)速和判別其轉(zhuǎn)動方向。根據(jù)脈沖計(jì)數(shù)來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測量的方法主要有：M法(測頻率法)、T法(測周期法)和M/T法(頻率/周期法)[5]。M法在轉(zhuǎn)速脈沖信號的數(shù)量較大時，測量才有較高的準(zhǔn)確度，因此適合高速場合。T法是測量霍爾傳感器所產(chǎn)生的相鄰兩個轉(zhuǎn)速脈沖信號的時間來確定轉(zhuǎn)速，適合低速場合。M/T法是前兩者的結(jié)合，雖然具有較高的測量精度，但是實(shí)時性差。本文采用T法測速。

3　模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

采用電樞回路串電阻方法的實(shí)驗(yàn)中，需要測定每個電阻下所對應(yīng)的電磁力矩。因此，先保持電機(jī)兩端的電壓不變，改變電阻值，即可得出電阻值與電磁力矩之間的關(guān)系，表1是通過實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)。為更清晰表達(dá)阻值與電磁力矩間的關(guān)系，本次實(shí)驗(yàn)最大采用了13Ω的阻值；若電阻過大，對舵機(jī)的控制力就會減弱，因此，更高的阻值不再考慮。試驗(yàn)在每個阻值下測量六次，然后取其平均值作為測試數(shù)據(jù)，保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性,結(jié)果見表1。

表1　電阻與電磁力矩的關(guān)系

采用Matlab對表1數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出,電磁力矩與控制電路阻值雖然有相同的變化趨勢，但并非是線性關(guān)系。

圖6　電磁力矩隨電阻阻值的曲線變化

電壓調(diào)速的方法是使直流電機(jī)在額定功率下通過改變占空比來控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩。實(shí)驗(yàn)前先將控制電機(jī)的繞組經(jīng)過整流電路，串聯(lián)后在外部接入康銅絲電阻(阻值為2Ω)，并把斬波控制電路接入電樞繞組回路；當(dāng)轉(zhuǎn)子速度達(dá)到6000r/min后，啟動斬波控制電路，改變占空比，并分別在不同占空比的情況下，通過測力傳感裝置測出轉(zhuǎn)矩值的變化量。同時斬波頻率保持在2.1kHz，額定電壓24V，在電機(jī)旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定后測量電機(jī)轉(zhuǎn)矩。同樣在每個占空比下測量六次，取其平均值作為測試數(shù)據(jù)，結(jié)果見表2。

表2　占空比與電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系　N·M

采用Matlab對表2數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，結(jié)果如圖7所示。由于每極磁通φ隨電樞電流變化而改變，所以斬波占空比同電磁轉(zhuǎn)矩是近似線性關(guān)系。

對比兩組數(shù)據(jù)與曲線，可以看出，以上兩種方法都可實(shí)現(xiàn)對電磁轉(zhuǎn)矩的控制，但第一種方法的外圍控制電路無法小型化，就實(shí)際應(yīng)用而言，第二種控制電路更簡單，更適合應(yīng)用于彈道修正彈。

圖7　電磁轉(zhuǎn)矩隨斬波占空比的變化

4　結(jié)束語

介紹了霍爾傳感器的測速以及彈道修正彈舵機(jī)減旋的控制方法，經(jīng)過理論分析和轉(zhuǎn)臺實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明電壓調(diào)速方法的人為機(jī)械特性好，能達(dá)到相應(yīng)的控制準(zhǔn)確性、快速性和穩(wěn)定性，在實(shí)驗(yàn)過程中控制系統(tǒng)的抗過載能力較好，基本能夠達(dá)到二維彈道修正系統(tǒng)對氣動舵機(jī)的控制要求，為進(jìn)一步研究彈道修正提供了很好的參考依據(jù)。

[1]王秀和，李光友，楊玉波.永磁電機(jī)[M].北京：中國電力出版社，2010.

[2]李新福，陳柏寧，郝永平，等.彈道修正執(zhí)行機(jī)構(gòu)中電機(jī)的控制方法研究[J].成組技術(shù)與生產(chǎn)現(xiàn)代化，2014，9(3)：36-40.

[3]星生智.內(nèi)置混合式轉(zhuǎn)子可控磁通永磁同步電機(jī)及控制方法研究[D].天津：天津大學(xué)，2007.

[4]王萍，王正茂，姚剛，等.無刷直流電機(jī)中霍爾元件的空間配置[J].微電機(jī)，2003,36(6)：16-18.

[5]趙樹磊，謝吉華，劉永鋒.基于霍爾傳感器的電機(jī)測速裝置[J].江蘇電器，2008,28(10)：53-56.

(責(zé)任編輯：趙麗琴)

The Control of Steeringengine Trajectory Correction

QIAO Lei,WU Yubin,HAO Yongping,ZHANG Jinchao,ZHANG Fuxin

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

For the control of the steering engine of trajectory correction projectile,realization of two-dimensional correction of high-speed rotating stable shells， the method to improve correction accuracy is proposed,by contrelling the motor projectile.By running the turntable to simulate the flight of the shell in the air,two effective programs of correction motor are preposed.A drive circuit is designed and the control circuit and control algorithm are improved.The simulation results show that this method can control the steering engine.The research provides a basis for two-dimensional trajectory correction actuator to motor speed.

trajectory correction projectiles;hall sensor;permanent magnet motors;control method

2015-08-31

國家863計(jì)劃資助項(xiàng)目(2009AA04Z167)

喬磊(1989—)，男，碩士研究生；通訊作者：吳玉斌(1963—)，男，副教授，研究方向：彈藥工程。

TJ765.2

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