某型飛機(jī)武器模擬訓(xùn)練系統(tǒng)電動(dòng)投彈器設(shè)計(jì)

鮑學(xué)良， 范惠林＊， 梁 偉， 邸 斐

（1.空軍航空大學(xué) 航空軍械工程系，吉林 長春 130022；2.空軍航空大學(xué) 圖書館，吉林 長春 130022）

0 引 言

為加速戰(zhàn)斗力的提升，解決飛機(jī)武器系統(tǒng)日常維護(hù)和使用訓(xùn)練中的矛盾，目前，各國普遍采用的做法是利用現(xiàn)代仿真技術(shù)開發(fā)相應(yīng)的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，以較低的成本和較高的仿真度來滿足武器系統(tǒng)的訓(xùn)練需求[1－2]。某型飛機(jī)武器模擬訓(xùn)練系統(tǒng)就是針對(duì)部隊(duì)在武器系統(tǒng)訓(xùn)練時(shí)單純依靠實(shí)裝，武器系統(tǒng)維護(hù)與使用訓(xùn)練矛盾突顯的問題而設(shè)計(jì)的一個(gè)可反復(fù)進(jìn)行綜合保障訓(xùn)練的操作平臺(tái)，可提高人員武器系統(tǒng)訓(xùn)練效率，增強(qiáng)人員武器系統(tǒng)的綜合使用和保障能力[3]。

某型飛機(jī)武器系統(tǒng)包括轟炸系統(tǒng)、制導(dǎo)系統(tǒng)和射擊系統(tǒng)，其信息交聯(lián)實(shí)時(shí)性高、接口控制復(fù)雜。其中，轟炸系統(tǒng)是武器系統(tǒng)的主要部分，它由轟炸瞄準(zhǔn)具、多制式轟炸系統(tǒng)、投彈操縱系統(tǒng)、控制面板、電動(dòng)投彈器、投彈控制盒、彈艙門收放執(zhí)行機(jī)構(gòu)和掛彈設(shè)備等組成。而電動(dòng)投彈器又是飛機(jī)武器投彈操縱系統(tǒng)的重要部件，根據(jù)轟炸任務(wù)產(chǎn)生不同種類、不同時(shí)間間隔的投彈脈沖，與投彈控制盒共同控制投彈脈沖向掛彈設(shè)備的傳送。

實(shí)裝電動(dòng)投彈器設(shè)計(jì)復(fù)雜、成本高，在武器模擬訓(xùn)練系統(tǒng)采用實(shí)裝性價(jià)比低，提高了模擬系統(tǒng)成本，因此，在武器模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中采用模擬電動(dòng)投彈器用來產(chǎn)生投彈脈沖信號(hào)，控制步進(jìn)電機(jī)指示彈量，并向主控機(jī)發(fā)送投彈脈沖，控制模擬彈架上炸彈的投放。

1 總體設(shè)計(jì)

轟炸系統(tǒng)在投彈訓(xùn)練時(shí)通常是根據(jù)轟炸任務(wù)按一定的時(shí)間間隔投下炸彈的，所以，模擬電動(dòng)投彈器應(yīng)能夠發(fā)出具有準(zhǔn)確時(shí)間間隔的投彈脈沖，主要需要完成如下功能：

1）根據(jù)不同的投彈控制方案，模擬投彈器要能夠輸送1～80次投彈脈沖，其時(shí)間間隔在0.04～10.0s范圍變化；

2）接收操縱系統(tǒng)模擬量和開關(guān)量信號(hào)的輸入；

3）可以模擬彈量指示針轉(zhuǎn)動(dòng)和電動(dòng)投彈器上指示燈指示功能；

4）當(dāng)主控機(jī)發(fā)來投彈信號(hào)時(shí)才產(chǎn)生投彈脈沖，其它時(shí)間不工作。

模擬投彈器原理如圖1所示。

圖1 模擬投彈器原理圖

工作時(shí)，脈沖發(fā)生器首先接收主控機(jī)發(fā)來的投彈信號(hào)進(jìn)入工作狀態(tài)，然后接收控制面板上的單枚／雙枚轉(zhuǎn)換、單投／連續(xù)轉(zhuǎn)換信號(hào)確定投彈方式，接收地速、km／m轉(zhuǎn)換信號(hào)查表確定投彈時(shí)間間隔，產(chǎn)生投彈脈沖，投彈脈沖一路送往主控機(jī)，控制模擬彈艙內(nèi)炸彈的投放，另一路送往脈沖分配電路，分配后的脈沖信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行放大，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)彈量指針指示彈量，當(dāng)彈量指針不在零位時(shí)，模擬投彈器工作指示燈亮，當(dāng)彈量指針轉(zhuǎn)到零位時(shí)，模擬投彈器工作指示燈熄滅。

2 器件的選取

2.1 單片機(jī)的選取

脈沖產(chǎn)生電路可以通過設(shè)計(jì)硬件電路直接產(chǎn)生脈沖，也可以用單片機(jī)產(chǎn)生，使用硬件電路直接產(chǎn)生的靈活性較差，不能滿足模擬電動(dòng)投彈器的前兩個(gè)要求，而單片機(jī)通過編程可以很容易實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)生脈沖的靈活控制。因此，選用單片機(jī)設(shè)計(jì)脈沖產(chǎn)生電路。訓(xùn)練系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)要處理的信號(hào)有開關(guān)量信號(hào)、模擬量信號(hào)和控制信號(hào)，要求單片機(jī)能接收開關(guān)量和模擬量信號(hào)，具有模擬量數(shù)據(jù)采集功能，以及大容量的存儲(chǔ)器，能夠產(chǎn)生時(shí)間間隔在0.04～10.0s的脈沖信號(hào)，并與主控機(jī)實(shí)現(xiàn)通信。

在選型時(shí)，主要考慮開發(fā)難度和片上集成功能兩個(gè)因素。綜合多種開發(fā)要求，結(jié)合目前條件，選用AVR系列單片機(jī)ATMEGA16來設(shè)計(jì)脈沖產(chǎn)生電路，它是ATMEL公司結(jié)合了成熟的51系列和PIC系列單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)而推出的高性能8位CMOS微控制器，數(shù)據(jù)吞吐率高，內(nèi)核具有豐富的指令集和32個(gè)通用工作寄存器，支持片內(nèi)調(diào)試與編程，有起始條件檢測器的通用串行接口，8路、10位具有可選差分輸入級(jí)可編程增益的ADC[4－5]。

2.2 步進(jìn)電機(jī)的選取

步進(jìn)電機(jī)分為永磁式步進(jìn)電機(jī)（PM）、反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（VR）和相混合式步進(jìn)電機(jī)（HB）。步進(jìn)電機(jī)分辨率

相數(shù)P越多，分辨率PA越高。轉(zhuǎn)速變化率

速度變化值Δωm越小，速度變化率VF越小。相對(duì)而言，HB型電機(jī)的Δωm比PM的要小[6－8]。文中選用時(shí)主要考慮分辨率，根據(jù)電動(dòng)投彈器原理設(shè)計(jì)，要求步進(jìn)電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速不低于17r／min，電機(jī)升速時(shí)間不大于20ms，最大切削力不小于4N，步距角為3.75°，其余變量使用所選電機(jī)的參數(shù)，所以選用130BYG3502三相混合式步進(jìn)電機(jī)。

3 電路設(shè)計(jì)

3.1 脈沖發(fā)生器電路

脈沖發(fā)生器電路如圖2所示。

圖2 脈沖發(fā)生器電路

ATMEGA16單片機(jī)的PB0～PB4作為開關(guān)量信號(hào)的輸入口，ADC0作為模擬量信號(hào)的輸入口。PB0，PB1和PB2接收K1，K2和K3的模擬產(chǎn)生的單投／連投、單枚／雙枚和km／m轉(zhuǎn)換等開關(guān)量信號(hào)，PB3接收彈量指示是否為零的信號(hào)，PB4接收主控機(jī)產(chǎn)生的投彈信號(hào)，PD0輸出投彈脈沖。

當(dāng)PB4收到投彈信號(hào)后，單片機(jī)PB0和PB1接收單投／連投和單枚／雙枚轉(zhuǎn)換信號(hào)，從單次單脈沖、單次雙脈沖、連續(xù)單脈沖和連續(xù)雙脈沖中選擇一種脈沖產(chǎn)生方式，根據(jù)PB2接收到的km／m轉(zhuǎn)換信號(hào)和ADC0接收到的地速信號(hào)計(jì)算脈沖時(shí)間間隔，由芯片脈沖產(chǎn)生程序控制產(chǎn)生投彈脈沖，經(jīng)PD0輸出。

電源采用＋12V直流，ATMEGA16振蕩源采用外部晶振（頻率為12MHz），地速通過ADC0口的輸入電壓來模擬，單片機(jī)A／D端輸入電壓的范圍為0～5V。所以只需在ADC0端輸入在0～5V范圍內(nèi)變化的電壓即可模擬不同的地速，通過R8和Ra～Rn來控制輸入電壓，ADC0輸入電壓值的計(jì)算公式為：

其中，Rx為Ra～Rn中某一值，u為5V電壓，根據(jù)式（1）和km／m轉(zhuǎn)換開關(guān)信號(hào)列出脈沖時(shí)間間隔，供編程使用。

步進(jìn)電機(jī)的升速時(shí)間不大于20ms，產(chǎn)生脈沖的脈寬d定為40ms，根據(jù)式（2）記算脈沖周期T，用于編程產(chǎn)生投彈脈沖，其中，x為脈沖時(shí)間間隔。

3.2 脈沖分配電路

為節(jié)省單片機(jī)資源，產(chǎn)生的投彈脈沖沒在芯片內(nèi)進(jìn)行分配，而是經(jīng)一路I／O口輸出。所以還需要對(duì)脈沖進(jìn)行分配才能實(shí)現(xiàn)對(duì)三相步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。采用8713芯片實(shí)現(xiàn)脈沖分配功能，8713有16個(gè)引腳。

脈沖分配電路如圖3所示。

8713的脈沖輸入引腳3腳接單片機(jī)的PD0引腳；在步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，模擬訓(xùn)練系統(tǒng)只要求步進(jìn)電機(jī)反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，不需要變換轉(zhuǎn)向，所以4腳接地；步進(jìn)電機(jī)工作方式為雙三拍，所以工作方式選擇端5，6腳接地；130BYG3502步進(jìn)電機(jī)為三相，所以7腳接地；13，12，11為三相輸出時(shí)的脈沖輸出端，分別接步進(jìn)電機(jī)的A相、B相和C相驅(qū)動(dòng)輸入端PA，PB和PC。

圖3 脈沖分配電路

3.3 驅(qū)動(dòng)電路

從8713輸出的脈沖功率僅為5V／（20mA），步進(jìn)電機(jī)最大輸出功率為12V／（54mA），需要設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路來將脈沖進(jìn)行功率放大，驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。

圖4 驅(qū)動(dòng)電路

當(dāng)投彈脈沖信號(hào)PA，PB和PC為低電平時(shí)，三極管截止，光耦輸入端截止，驅(qū)動(dòng)電路不工作，當(dāng)PA，PB和PC中按照步進(jìn)順序出現(xiàn)高電平時(shí)，三極管交替導(dǎo)通，光耦輸入端導(dǎo)通，脈沖經(jīng)過TIP142實(shí)現(xiàn)功率放大，帶動(dòng)步進(jìn)電機(jī)正常轉(zhuǎn)動(dòng)，圖中電阻R1～R7為限流電阻，取2kΩ，TIP142為ULN2803A功率管，在相繞組中串接阻值為220Ω的電阻R8，R9和R10，一方面減小了繞組回路的時(shí)間常數(shù)，同時(shí)又對(duì)低頻和靜止工作時(shí)的電流進(jìn)行限制。

4 結(jié) 語

分析了飛機(jī)武器模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中電動(dòng)投彈器的功能需求和工作原理，設(shè)計(jì)了合理的脈沖發(fā)生器電路、脈沖分配電路和驅(qū)動(dòng)電路。在此基礎(chǔ)上，

根據(jù)實(shí)際情況采用單片機(jī)和步進(jìn)電機(jī)模擬完全實(shí)現(xiàn)實(shí)裝電動(dòng)投彈器的功能，模擬產(chǎn)生的投彈脈沖符合實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)，并能控制步進(jìn)電機(jī)指示彈量和向主控機(jī)發(fā)送投彈脈沖，完成控制模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中彈架上炸彈的投放。通過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)的模擬電動(dòng)投彈器的各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到要求，同時(shí)降低了武器模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的成本，對(duì)不同飛機(jī)武器模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中的投彈脈沖電路設(shè)計(jì)具有一定的理論和實(shí)際意義。

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