雙旋彈丸舵機(jī)滾轉(zhuǎn)測控系統(tǒng)設(shè)計*

李 浩，賈方秀，于紀(jì)言，周 強(qiáng)，張?zhí)煊?/p>

(南京理工大學(xué)智能彈藥技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室， 南京 210094)

0 引言

雙旋彈道修正彈采用雙旋結(jié)構(gòu)，鴨舵在氣動導(dǎo)轉(zhuǎn)力矩、隔轉(zhuǎn)阻尼力矩以及電磁控制力矩的綜合作用下相對彈體反旋，當(dāng)鴨舵固定于某一特定相位角時，彈體保持原有的陀螺穩(wěn)定效應(yīng)，鴨舵產(chǎn)生側(cè)向力改變彈丸的動力平衡角，從而實(shí)現(xiàn)二維彈道修正[1-4]。與只能實(shí)現(xiàn)一維修正的阻力修正機(jī)構(gòu)和只能在某幾個時刻修正的脈沖修正機(jī)構(gòu)相比，舵機(jī)修正機(jī)構(gòu)能夠在全彈道范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)連續(xù)二維修正[5-6]。近年來，國外創(chuàng)造性地開展了常規(guī)彈道滾轉(zhuǎn)控制的固定鴨式舵機(jī)技術(shù)研究，將二維彈道修正問題簡化為對固定鴨舵的單通道滾轉(zhuǎn)控制問題，結(jié)構(gòu)大大簡化，在低成本制導(dǎo)化改進(jìn)領(lǐng)域顯示出巨大潛力[7-8]。

國外對舵機(jī)修正的研究較早，目前已經(jīng)有多種型號問世并裝備部隊(duì)，如美國的“神劍”[9]。目前，國內(nèi)相關(guān)院校已經(jīng)展開了對相關(guān)技術(shù)的研制工作。北京理工大學(xué)的程健偉設(shè)計了一種以電動機(jī)為核心的可控滾轉(zhuǎn)修正機(jī)構(gòu)[10]，由兩個電動機(jī)通過齒輪副驅(qū)動舵片完成對彈道的二維修正，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且體積較大。南京理工大學(xué)的黃建勛研制了一種三位置式電磁舵機(jī)，用于火箭彈的彈道修正[11]，但是其響應(yīng)速度較低，無法實(shí)現(xiàn)彈丸高旋條件下的彈道修正。西北工業(yè)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)和北京航空航天大學(xué)等相關(guān)課題組均進(jìn)行了將永磁同步電機(jī)應(yīng)用于電動舵機(jī)的研究[12-14]，但均未考慮彈載電源體積大，長時間存儲易失效的問題。

為了實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的舵機(jī)滾轉(zhuǎn)控制，基于彈丸的雙旋特性，實(shí)現(xiàn)了舵機(jī)的自發(fā)電功能，避免了傳統(tǒng)彈載電源不易存儲、體積大的問題。完成了舵機(jī)滾轉(zhuǎn)信息采集處理方案，舵機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)及其軟硬件系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計，并對該控制系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 雙旋彈丸舵機(jī)控制原理

雙旋彈丸的基本結(jié)構(gòu)由固定鴨舵和彈體本身組成。固定鴨舵安裝在彈體頭部，只能繞彈體縱軸轉(zhuǎn)動。鴨舵為十字型鴨舵，其中一對為方向舵，具有同向的傾斜角，提供側(cè)向操縱力和操縱力矩修正彈道，另一對為差動舵，具有反向的傾斜角，提供鴨舵繞彈軸反向滾轉(zhuǎn)所需的氣動力矩，如圖1所示。

圖1 鴨舵結(jié)構(gòu)示意圖

在彈道修正范圍內(nèi)，固定鴨舵的滾轉(zhuǎn)姿態(tài)由電磁執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出電磁扭矩、氣動力矩以及摩擦阻尼力矩之和決定，如式(1)所示。

Jαaα=Mctrl+Mf+Maero

(1)

式中:Jα為舵機(jī)轉(zhuǎn)動慣量;Mctrl為舵機(jī)產(chǎn)生的電磁控制力矩；Mf為摩擦力矩；Maero為氣動力矩；aα為舵機(jī)的滾轉(zhuǎn)加速度，方向均以彈體滾轉(zhuǎn)方向?yàn)檎?/p>

電磁控制力矩Mctrl包含與執(zhí)行機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速線性相關(guān)的動態(tài)電磁力矩MctrlD以及電路系統(tǒng)工作電流產(chǎn)生的靜態(tài)電磁力矩MctrlQ。電機(jī)特性決定了其輸出電磁控制力矩與線圈電流為線性關(guān)系，即

Mctrl=MctrlD+MctrlQ=KMi·(iD+iQ)

(2)

式中:KMi為電機(jī)輸出力矩與線圈電流的比例系數(shù)，由電機(jī)設(shè)計參數(shù)確定。iD為力矩驅(qū)動回路的電流值;iQ為測控電路系統(tǒng)的電流值(毫安級)。當(dāng)鴨舵繞彈體高速旋轉(zhuǎn)時，iQ遠(yuǎn)小于iD。舵機(jī)控制原理圖如圖2所示。

通過整流橋?qū)⑷嘟涣麟娫崔D(zhuǎn)換為直流電源，該直流電壓與電機(jī)轉(zhuǎn)速線性相關(guān)，即

VDC=KVω·|wr|

(3)

式中:wr為鴨舵相對于彈體的轉(zhuǎn)速；KVω為電機(jī)三相整流輸出電壓與電機(jī)滾轉(zhuǎn)角速率的比例系數(shù)，僅與電機(jī)特性相關(guān)。則

(4)

式中：R、r分別為功率電阻阻值以及電機(jī)內(nèi)阻阻值；η為驅(qū)動系統(tǒng)中PWM信號的占空比。

圖2 舵機(jī)控制原理示意圖

在彈丸飛行過程中，負(fù)載電流iQ為穩(wěn)定值，即由電路系統(tǒng)靜態(tài)功耗所產(chǎn)生的電磁力矩MctrlQ近似為固定值；由力矩控制驅(qū)動系統(tǒng)所產(chǎn)生的MctrlD與執(zhí)行機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速以及控制系統(tǒng)的狀態(tài)相關(guān)。因而可以通過改變PWM占空比的方式來調(diào)節(jié)電機(jī)輸出扭矩，從而實(shí)現(xiàn)舵機(jī)的滾轉(zhuǎn)控制。

固定鴨舵滾轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)需要在全彈道修正范圍內(nèi)實(shí)時準(zhǔn)確地測量固定鴨舵的滾轉(zhuǎn)姿態(tài)。由于組件結(jié)構(gòu)、安裝等原因，無法直接獲得鴨舵滾轉(zhuǎn)信息，采用分別測量彈體滾轉(zhuǎn)姿態(tài)以及鴨舵相對于彈體滾轉(zhuǎn)姿態(tài)的方法間接解算鴨舵的滾轉(zhuǎn)信息，結(jié)合舵機(jī)滾轉(zhuǎn)控制算法和彈道修正指令，給出驅(qū)動電路所需的控制信息，驅(qū)動電磁執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出電磁控制力矩，從而實(shí)現(xiàn)鴨舵的滾轉(zhuǎn)控制和彈道修正。

2 雙旋彈丸舵機(jī)測控系統(tǒng)設(shè)計

舵機(jī)系統(tǒng)主要由信息采集部分、執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及電路3部分組成,其示意圖如圖3所示。

圖3 舵機(jī)系統(tǒng)組成示意圖

在彈丸飛行過程中，發(fā)電機(jī)給整個控制系統(tǒng)供電。傳感器測得鴨舵的滾轉(zhuǎn)信息后交由控制電路解算出相應(yīng)的控制信號，輸出到驅(qū)動電路從而實(shí)現(xiàn)對舵機(jī)滾轉(zhuǎn)姿態(tài)的控制。

2.1 彈載發(fā)電電源及時序管理

系統(tǒng)利用彈體的高速旋轉(zhuǎn)特性結(jié)合執(zhí)行舵機(jī)進(jìn)行發(fā)電及整流系統(tǒng)設(shè)計，經(jīng)二級穩(wěn)壓及電源管理芯片，為整個控制系統(tǒng)提供穩(wěn)定電源，并控制測控系統(tǒng)的通電、斷電時間。實(shí)現(xiàn)框圖如圖4所示。

圖4 電源管理示意圖

為了驗(yàn)證舵機(jī)的發(fā)電特性，基于地面半實(shí)物仿真平臺進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)設(shè)計。實(shí)驗(yàn)測試了電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的整流電壓輸出，并對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了線性擬合，如圖5所示。

圖5 電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的整流電壓輸出

由圖中擬合的曲線可知，電機(jī)轉(zhuǎn)速在80～500 Hz范圍內(nèi)時，電機(jī)整流后的輸出電壓為10～90.6 V，可以為整個控制系統(tǒng)提供充足穩(wěn)定的電源。

2.2 姿態(tài)測量系統(tǒng)

鴨舵滾轉(zhuǎn)信息由彈體滾轉(zhuǎn)信息和鴨舵相對于彈體的滾轉(zhuǎn)信息構(gòu)成。基于不同原理的彈體姿態(tài)測量方式有太陽方位角傳感器、陀螺儀、加速度計、地磁傳感器和全球定位系統(tǒng)(GPS)等。由于彈丸高旋高過載的特性，彈載傳感器應(yīng)滿足一定的大量程、抗過載要求。太陽方位角傳感器對氣候要求較高，只能在白天光線良好的條件下使用。陀螺儀抗過載能力較小，且角速率誤差會隨時間累積。加速度計需要多個組合才能完成姿態(tài)的解算，存在安裝誤差且計算難度較大。GPS的數(shù)據(jù)更新率較低，不能滿足高旋彈丸的實(shí)時測姿要求。地磁傳感器以地球磁場作為測量基準(zhǔn)，具有成本低，抗沖擊能力強(qiáng)，能夠全天候全天時工作的優(yōu)點(diǎn)。

然而基于單地磁的滾轉(zhuǎn)角測量方法需要已知一至兩個外部角[15]，因此文中選用地磁傳感器與GPS組合測量彈體姿態(tài)的方案。將地磁傳感器和衛(wèi)星結(jié)構(gòu)與彈體捷聯(lián)，在彈丸飛行過程中，地磁傳感器輸出與彈體滾轉(zhuǎn)相對應(yīng)的正弦信號，結(jié)合衛(wèi)星數(shù)據(jù)所提供的彈丸姿態(tài)角即可對彈體滾轉(zhuǎn)角進(jìn)行求解。鴨舵相對于彈體的滾轉(zhuǎn)姿態(tài)選用霍爾傳感器進(jìn)行測量。將霍爾傳感器安裝于與彈體捷聯(lián)的支架上，舵機(jī)內(nèi)壁安裝磁鋼，即可得到與相對滾轉(zhuǎn)運(yùn)動相對應(yīng)的脈沖信號，脈沖信號的相位和頻率與相對滾轉(zhuǎn)運(yùn)動的位置和角速度相一致。其原理框圖如圖6所示。

圖6 鴨舵滾轉(zhuǎn)信息獲取原理圖

2.2.1 抗磁干擾系統(tǒng)設(shè)計

受修正組件體積和空間限制，地磁傳感器的安裝距離執(zhí)行舵機(jī)較近，具體安裝圖如圖7所示。執(zhí)行舵機(jī)上圓筒內(nèi)壁粘接多片磁鋼作為電機(jī)外轉(zhuǎn)子，由此，旋轉(zhuǎn)的磁鋼攜帶的強(qiáng)磁會對微弱地磁產(chǎn)生較大的磁場干擾。由此，抗強(qiáng)磁干擾系統(tǒng)的設(shè)計是獲得純凈地磁信號的前提。

圖7 修正組件上地磁傳感器與執(zhí)行舵機(jī)安裝

為了降低舵機(jī)強(qiáng)磁對地磁傳感器輸出信號的干擾，對受強(qiáng)磁干擾的地磁信號利用FFT進(jìn)行了頻譜分析，觀測有色噪聲。設(shè)彈體轉(zhuǎn)動頻率為f1，舵翼相對大地轉(zhuǎn)動頻率為f2，所用執(zhí)行舵機(jī)采用3對極，根據(jù)頻譜分析的結(jié)果，地磁傳感器上的主要有色噪聲為(f1+f2)、3(f1+f2)、9(f1+f2)。據(jù)此設(shè)計6階巴特沃斯濾波器。

所設(shè)計的帶通濾波器既濾除了組件上主軸、軸承剩磁產(chǎn)生的靜磁干擾，對舵翼旋轉(zhuǎn)造成的交流干擾也有較為明顯的抑制作用。濾波后得到較為純凈的地磁信號，經(jīng)加法器與固定參考電壓相加，并經(jīng)由遲滯比較器將正弦波信號變?yōu)榉讲ㄐ盘?，進(jìn)一步消除了電路噪聲產(chǎn)生的毛刺干擾。具體處理過程如圖8所示。

圖8 抗磁干擾系統(tǒng)信號處理流程

為了對抗磁干擾系統(tǒng)的性能進(jìn)行評估，利用NIPXI5422信號發(fā)生器模擬產(chǎn)生受強(qiáng)磁干擾的信號，信號基頻為200 Hz用以模擬彈體轉(zhuǎn)速，舵翼反旋頻率為50 Hz。在基頻上疊加頻點(diǎn)為250 Hz，750 Hz及2 250 Hz有色噪聲及白噪聲，在該基頻微弱地磁信號經(jīng)上述抗磁干擾系統(tǒng)處理后，所得方波如圖9所示。

圖9 抗磁干擾系統(tǒng)性能測試實(shí)驗(yàn)

然而濾波器在有效濾除干擾的同時會造成與原始信號頻率相關(guān)的相位延遲，對彈體滾轉(zhuǎn)位置的解算產(chǎn)生影響。通過采集不同彈體轉(zhuǎn)速下的相位延遲，建立數(shù)學(xué)模型，采用分段線性擬合的方法對相位延遲進(jìn)行補(bǔ)償，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了上述方法的有效性。

2.2.2 慣性系下舵機(jī)滾轉(zhuǎn)角解算模型

將濾波處理后的地磁滾轉(zhuǎn)信號以及霍爾信號轉(zhuǎn)換為處理器可直接解算的方波脈沖信號后輸入至微處理器，通過定時器捕獲每列脈沖信號上升沿的時間間隔分別得到彈體以及鴨舵相對于彈體的轉(zhuǎn)速。鴨舵對地滾轉(zhuǎn)角度通過彈體對地滾轉(zhuǎn)角度和鴨舵相對于彈體的滾轉(zhuǎn)角度間接求解，如圖10所示。

圖10 鴨舵對地位置求解示意圖

以舵機(jī)相對于彈體的每一個滾轉(zhuǎn)周期作為控制周期，在兩組脈沖信號的上升沿時刻分別完成相關(guān)角度的解算。彈體轉(zhuǎn)速方波脈沖信號上升沿時刻所對應(yīng)的彈體實(shí)時滾轉(zhuǎn)角γ，可由地磁信號實(shí)時解算得出。彈體對地角度φ由彈體實(shí)時滾轉(zhuǎn)角γ和地磁初相位補(bǔ)償角ε組成。ε計算公式如下：

(5)

式中：D和I分別為磁偏角和磁傾角，由專用儀器直接測量得出。θ和ψ分別為彈軸俯仰和偏航角，由于系統(tǒng)僅包含地磁和衛(wèi)星測量單元，無法直接獲得彈軸姿態(tài)信息，擬使用攻角預(yù)置的方法進(jìn)行計算。根據(jù)小攻角假設(shè)理論，有如下計算公式：

θ≈θv+α

(6)

ψ≈ψv+β+AZ

(7)

式中：θv和ψv分別為根據(jù)衛(wèi)星數(shù)據(jù)計算得到的彈道傾角和彈道偏角；α和β分別為高低攻角和水平攻角，發(fā)射前根據(jù)仿真數(shù)據(jù)預(yù)置，使用時可根據(jù)時間插值計算;AZ為射向角，北偏東為正，北偏西為負(fù)。θv和ψv由GPS提供的速度信息按如下公式解算出。

θv=arctan(vy/vx)

(8)

ψv=arcsin(vz/v)

(9)

式中：v、vx、vy、vz分別表示總速度和基準(zhǔn)系3個方向的分速度，均可由衛(wèi)星數(shù)據(jù)直接獲得。

鴨舵相對于彈體的滾轉(zhuǎn)角度，由鴨舵相對于彈體的滾轉(zhuǎn)角速度對兩組脈沖信號上升沿的時間差Δt進(jìn)行積分求解，計時精度達(dá)到1 μs；為了對彈體轉(zhuǎn)速、鴨舵轉(zhuǎn)速以及相對滾轉(zhuǎn)角度的測量解算精度進(jìn)行評估，利用NI信號發(fā)生器分別模擬地磁和霍爾信號，地磁和霍爾信號輸出均為200 Hz的方波，兩列方波信號的相位差為120°，測試結(jié)果如圖11、圖12所示。

由圖可知，轉(zhuǎn)速的測量精度在0.1 Hz以內(nèi)，位置的測量精度在1°以內(nèi)，滿足工程需求。

2.3 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的舵機(jī)滾轉(zhuǎn)控制，設(shè)計了基于并行處理器的固定鴨舵滾轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)，如圖13所示。

舵機(jī)系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制策略，包含位置環(huán)和速度環(huán)。位置環(huán)為系統(tǒng)的外環(huán)，其給定位置信息由彈載計算機(jī)給出，為彈體的滾轉(zhuǎn)角度。由霍爾傳感器測得鴨舵相對彈體的位置并形成位置反饋，位置誤差經(jīng)過位置調(diào)節(jié)器輸出，其輸出為舵機(jī)轉(zhuǎn)速的增量。轉(zhuǎn)速的增量作為速度環(huán)給定值的一部分與速度給定值的另一部分即由地磁傳感器測得的彈體轉(zhuǎn)速疊加。疊加后的結(jié)果與霍爾傳感器測得的鴨舵速度反饋相加形成速度誤差，速度誤差經(jīng)過速度調(diào)節(jié)器輸出相應(yīng)PWM占空比的增量，經(jīng)由驅(qū)動電路驅(qū)動電機(jī)實(shí)現(xiàn)滾轉(zhuǎn)控制和彈道修正。

圖11 轉(zhuǎn)速測量結(jié)果示意圖

圖12 相位差測量結(jié)果示意圖

圖13 舵機(jī)滾轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)示意圖

系統(tǒng)采用增量式PID算法實(shí)現(xiàn)控制，具有累積誤差小，受機(jī)器故障影響小的特點(diǎn)?？刂葡到y(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)流程如圖14所示。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

基于某型號彈丸的炮射平臺設(shè)計實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所設(shè)計舵機(jī)滾轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)的可靠性?？刂葡到y(tǒng)在全彈道范圍內(nèi)一共工作50 s，前10 s舵機(jī)無控，10～20 s控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)速，20～50 s控制舵機(jī)的位置。采集整個控制流程中的彈體、鴨舵轉(zhuǎn)速以及鴨舵的實(shí)際位置，回收數(shù)據(jù)如圖15、圖16所示。

圖14 控制流程圖

圖15 彈丸飛行過程中的彈體和鴨舵轉(zhuǎn)速對比

圖16 彈丸飛行過程中的鴨舵實(shí)際位置和給定位置對比

分析圖中數(shù)據(jù)可知，彈丸的實(shí)際飛行過程與事先擬定的控制流程相一致。速度環(huán)控制的響應(yīng)時間約為0.1 s,超調(diào)為0.01%，位置環(huán)控制的響應(yīng)時間約為1.57 s,控制穩(wěn)定后的位置誤差控制在5°以內(nèi)。在驗(yàn)證控制系統(tǒng)穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性的同時也驗(yàn)證了舵機(jī)發(fā)電系統(tǒng)和滾轉(zhuǎn)測量系統(tǒng)的可靠性。在后續(xù)研究過程中，可以通過優(yōu)化執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計布局和控制算法等方法來提高執(zhí)行機(jī)構(gòu)的響應(yīng)速度。

4 結(jié)論

文中在分析雙旋彈丸舵機(jī)滾轉(zhuǎn)控制原理的基礎(chǔ)上設(shè)計了基于并行處理器的雙閉環(huán)發(fā)電舵機(jī)滾轉(zhuǎn)測控系統(tǒng)?；趶椡璧碾p旋特性設(shè)計了永磁交流發(fā)電舵機(jī)，舵機(jī)轉(zhuǎn)速在80～500 Hz范圍內(nèi)時，發(fā)電電壓為10～90.6 V,兼顧電源和修正機(jī)構(gòu)的功能，節(jié)省了成本和空間?；趶椡韪咝?、高過載的特點(diǎn)，設(shè)計了基于地磁傳感器組合GPS的姿態(tài)測量系統(tǒng)，并建立了彈體滾轉(zhuǎn)角解算模型，轉(zhuǎn)速的測量精度達(dá)到0.1 Hz，位置的測量精度達(dá)到1°。選用增量式PID建立了舵機(jī)系統(tǒng)的位置、速度雙閉環(huán)控制策略，系統(tǒng)速度控制響應(yīng)時間優(yōu)于0.1 s，位置控制穩(wěn)定性優(yōu)于5°。

試驗(yàn)結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)具有良好的性能，能夠滿足一定的工程需求。