基于固定鴨舵的單通道控制研究

張開創(chuàng)，高欣寶，劉秋生，陳 浩

（軍械工程學(xué)院，石家莊 050003）

基于固定鴨舵的單通道控制研究

張開創(chuàng)，高欣寶，劉秋生，陳 浩

（軍械工程學(xué)院，石家莊 050003）

針對(duì)固定鴨舵彈道修正組件在旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定榴彈中的應(yīng)用問(wèn)題，介紹了固定鴨舵的結(jié)構(gòu)組成及工作原理。在分析雙轉(zhuǎn)式永磁無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)組成的基礎(chǔ)上，建立了雙轉(zhuǎn)永磁無(wú)刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，提出了一種電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)單通道滾轉(zhuǎn)控制策略。通過(guò)雙軸仿真測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)，對(duì)電機(jī)控制效果及模擬飛行進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)與測(cè)試，結(jié)果表明：該方式控制效果較好，控制精度較高，能夠滿足彈藥簡(jiǎn)易制導(dǎo)的要求。

雙轉(zhuǎn)式，永磁無(wú)刷電機(jī)，固定鴨舵，滾轉(zhuǎn)控制

0 引言

近年來(lái)，以美國(guó)ATK公司研究的精確制導(dǎo)組件PGK為典型代表，采用固定鴨舵技術(shù)通過(guò)對(duì)常規(guī)彈藥進(jìn)行彈道控制［1］，實(shí)現(xiàn)了彈道的二維修正，并成功應(yīng)用于155 mm炮彈和120 mm迫擊炮彈。固定鴨舵技術(shù)對(duì)彈藥的二維修正，僅需通過(guò)對(duì)固定鴨舵的單通道滾轉(zhuǎn)控制即可實(shí)現(xiàn)。這種控制方式的效率高、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單、控制部件體積小且置于彈體的前段利于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，因而在制導(dǎo)彈藥控制系統(tǒng)中得到廣泛重視［2］。

固定鴨舵對(duì)旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定榴彈的彈道修正，是通過(guò)直流電機(jī)和可變負(fù)載來(lái)控制固定鴨舵相對(duì)于彈體的滾轉(zhuǎn)速度，從而控制操縱舵在大地坐標(biāo)系中處于固定修正位置，使彈體產(chǎn)生相應(yīng)修正力和力矩，實(shí)現(xiàn)彈道修正控制。直流電機(jī)的控制精度及響應(yīng)時(shí)間，直接決定固定鴨舵對(duì)彈藥彈道修正的效果。因此，本文基于滾轉(zhuǎn)控制的固定鴨舵技術(shù)和雙轉(zhuǎn)式永磁無(wú)刷直流電機(jī)的無(wú)位置傳感器控制技術(shù)，研究旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定榴彈固定鴨舵滾轉(zhuǎn)控制的工作原理及控制策略，搭建舵機(jī)系統(tǒng)平臺(tái)，并通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所提控制策略和硬件系統(tǒng)的可行性。

1 固定鴨舵彈道修正組件組成及工作原理

1.1 固定鴨舵彈道修正組件的結(jié)構(gòu)組成

固定鴨舵彈道修正組件由兩部分組成，分別為：與彈體螺紋連接的修正組件主體和可相對(duì)修正組件自由旋轉(zhuǎn)的固定鴨舵［4］。其結(jié)構(gòu)原理示意圖如圖1所示。

1.2 固定鴨舵彈道修正組件的工作原理

彈丸發(fā)射后，由于火炮膛線的作用，彈體將高速向右旋轉(zhuǎn)，外轉(zhuǎn)子套筒與彈體螺紋連接，其必將隨彈體高速旋轉(zhuǎn)；出炮口后彈丸速度較大，在來(lái)流作用下，差動(dòng)舵產(chǎn)生較大的導(dǎo)轉(zhuǎn)力矩，固定鴨舵在氣動(dòng)力矩的作用下向左旋轉(zhuǎn)。電樞繞組與外轉(zhuǎn)子套筒固連，永磁鐵與內(nèi)轉(zhuǎn)子固連，兩者相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)成雙轉(zhuǎn)式永磁無(wú)刷直流電機(jī)，電樞繞組中將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，通過(guò)外接整流電路可為彈載計(jì)算機(jī)、衛(wèi)星接收機(jī)等用電器件供電。

衛(wèi)星接收機(jī)開始接收衛(wèi)星信號(hào)，彈載計(jì)算機(jī)按照預(yù)先裝定的星歷信息解算衛(wèi)星信號(hào)，定位彈丸的位置、速度信息。彈丸定位有效后，彈載計(jì)算機(jī)根據(jù)實(shí)時(shí)的彈丸位置、速度信息計(jì)算彈丸的縱向落點(diǎn)偏差Δx、橫向落點(diǎn)偏差Δz；彈載計(jì)算機(jī)根據(jù)地磁傳感器測(cè)量的信號(hào)計(jì)算固定鴨舵在大地坐標(biāo)系中的姿態(tài)信息（俯仰角、偏航角、滾轉(zhuǎn)角）［5-6］；根據(jù)陀螺測(cè)量信息計(jì)算固定鴨舵的滾轉(zhuǎn)速度ω；進(jìn)而按照相應(yīng)的制導(dǎo)算法計(jì)算舵控信號(hào)δ，舵控信號(hào)δ作為雙轉(zhuǎn)式永磁無(wú)刷直流電機(jī)的控制輸入，實(shí)現(xiàn)對(duì)彈體的單通道控制。固定鴨舵彈道修正組件工作原理框圖如圖2所示。

采用雙轉(zhuǎn)式永磁無(wú)刷直流電機(jī)作為固定鴨舵滾轉(zhuǎn)控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，這就大大降低了對(duì)電機(jī)系統(tǒng)功率的需求；正常工作時(shí)，電動(dòng)舵機(jī)一直處于工作狀態(tài)，相對(duì)于普通的舵機(jī)控制系統(tǒng)，避免了電機(jī)的頻繁啟動(dòng)與換向，系統(tǒng)響應(yīng)速度快，降低了對(duì)彈體的沖擊；再次，采用單通道控制方式，可以有效地減小通道間的耦合，利于彈丸實(shí)現(xiàn)具有大機(jī)動(dòng)能力的控制方式。

2 雙轉(zhuǎn)式永磁無(wú)刷直流電機(jī)的單通道控制系統(tǒng)

2.1 雙轉(zhuǎn)式永磁無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的組成

如圖3所示，固定鴨式舵單通道控制系統(tǒng)采用TI公司TMS320C6713系列32位浮點(diǎn)DSP作為主控芯片，假定處理器接收控制角δ信號(hào)（由彈載計(jì)算機(jī)提供），進(jìn)行切換位置和轉(zhuǎn)速的解算，然后將轉(zhuǎn)速和切換位置的時(shí)間輸出給雙轉(zhuǎn)式永磁無(wú)刷直流電機(jī)的速度、電流雙環(huán)PID控制器，轉(zhuǎn)換成與之相應(yīng)的脈寬調(diào)制的PWM信號(hào)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路控制逆變電路中對(duì)應(yīng)的三端雙向可控硅的開關(guān)狀態(tài)，改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。地磁傳感器組獲取固定鴨舵舵片位置信息反饋到PID控制器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)運(yùn)行的閉環(huán)控制。

2.2 雙轉(zhuǎn)式永磁無(wú)刷直流電機(jī)PID控制原理

雙轉(zhuǎn)式永磁無(wú)刷電機(jī)有內(nèi)外兩個(gè)轉(zhuǎn)子，電樞繞組和磁鐵都可以旋轉(zhuǎn)［7-8］。其數(shù)學(xué)模型可以仿照普通永磁無(wú)刷電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，只需增加一個(gè)運(yùn)動(dòng)方程即可，且兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)方程的形式是一樣的。其電流、電壓平衡方程如式（1）、式（2）所示［9］：

式中ia、ib、ic為繞組相電流；Ua、Ub、Uc為繞組相電壓；Ra、Rb、Rc為每相繞組的電阻；L為每相繞組的自感；M為兩相繞組間互感，ea、eb、ec為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式為：

式中w1為電樞繞組角速度，w2為永磁鐵角速度。

雙轉(zhuǎn)式永磁無(wú)刷直流電機(jī)的電流。速度雙環(huán)PID控制器是一種非線性控制器，它根據(jù)給定控制角δ與實(shí)際固定鴨舵滾轉(zhuǎn)角γ構(gòu)成的偏差為控制量：

將偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，故稱PID控制器。其控制規(guī)律為：

式中Kp為比例系數(shù)；T為積分時(shí)間常數(shù)；TD為微分時(shí)間常數(shù)。

3 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

仿真實(shí)驗(yàn)中采用高速電機(jī)帶動(dòng)外轉(zhuǎn)子套筒，模擬彈體轉(zhuǎn)動(dòng)；扭矩耦合器帶動(dòng)固定鴨舵，模擬飛行中固定鴨舵的滾轉(zhuǎn)。為便于開展研究工作，搭建了固定鴨舵彈道修正組件的雙軸仿真測(cè)試高速轉(zhuǎn)臺(tái)，如圖4所示。

仿真和實(shí)驗(yàn)中所采用的固定鴨舵彈道修正組件樣機(jī)基本參數(shù)如下：相間電感L=66.4×10-3H，相間電阻R=0.466 Ω，磁極對(duì)數(shù)P=6，轉(zhuǎn)矩系數(shù)Kt= 0.019 2 N·m/A，固定鴨舵轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jn=1.03×10-3kg· m2。高速電機(jī)最高轉(zhuǎn)速18 000 r/min，扭矩耦合器量程5 N·m。

3.1 電機(jī)控制效果仿真實(shí)驗(yàn)

將雙轉(zhuǎn)式永磁無(wú)刷直流電機(jī)的PID控制算法燒寫入彈載計(jì)算機(jī)，分別給定固定鴨舵控制角90°、-90°，通過(guò)雙軸仿真測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可對(duì)控制算法進(jìn)行驗(yàn)證，高速電機(jī)10 000 r/min，扭矩耦合器使固定鴨舵反向轉(zhuǎn)速為120 r/min。控制角δ=90°時(shí)固定鴨舵滾轉(zhuǎn)角變化如圖5所示，控制角δ=-90°時(shí)固定鴨舵滾轉(zhuǎn)角變化如圖6所示。

由圖5可見在控制段固定鴨舵滾轉(zhuǎn)角基本在90°附近波動(dòng)，并基本保持穩(wěn)定，波動(dòng)范圍約在5° ～10°以內(nèi)；由圖6可見為在控制段固定鴨舵滾轉(zhuǎn)角基本在-90°附近波動(dòng)，控制段末期波動(dòng)較大，波動(dòng)在可接受的范圍內(nèi)。綜合圖5、圖6可見，對(duì)雙轉(zhuǎn)式永磁無(wú)刷直流電機(jī)的速度、電流雙環(huán)PID控制效果較好。

3.2 飛行模擬實(shí)驗(yàn)

用雙軸仿真測(cè)試高速轉(zhuǎn)臺(tái)模擬彈丸飛行過(guò)程中彈體和固定鴨舵的滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，高速電機(jī)轉(zhuǎn)速16 000 r/min，扭矩耦合器帶動(dòng)固定鴨舵轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速30 r/min。由衛(wèi)星模擬器模擬彈丸飛行過(guò)程中的衛(wèi)星信號(hào)，用于計(jì)算實(shí)時(shí)控制角δ。整個(gè)過(guò)程由彈載計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，并通過(guò)外聯(lián)裝置記錄數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，其中，圖7為解算的控制角δ，圖8為固定鴨舵的滾轉(zhuǎn)角γ。

對(duì)比圖7、圖8可見，固定鴨舵基本在解算的控制角附近波動(dòng)，波動(dòng)范圍5°～10°以內(nèi)，控制效果較好，能夠?qū)椡杵鸬叫拚饔谩?/p>

4 結(jié)束語(yǔ)

固定鴨舵技術(shù)是通過(guò)控制固定鴨舵相對(duì)地面坐標(biāo)系的靜止位置來(lái)實(shí)現(xiàn)彈道修正。而固定鴨舵的轉(zhuǎn)動(dòng)和靜止是由雙轉(zhuǎn)式永磁無(wú)刷直流電機(jī)控制的，固定鴨舵的彈道修正效果主要取決于雙轉(zhuǎn)式永磁無(wú)刷直流電機(jī)的PID控制。本文研究了雙轉(zhuǎn)式永磁無(wú)刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上通過(guò)雙軸仿真測(cè)試高速轉(zhuǎn)臺(tái)對(duì)電機(jī)的控制效果及飛行模擬進(jìn)行了半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：電機(jī)控制和模擬飛行效果較好，能夠滿足固定鴨舵單通道控制的要求，為整彈的飛行實(shí)驗(yàn)打下了良好的基礎(chǔ)。

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Research on Single Channel Control of Fixed Canard

ZHANG Kai-chuang，GAO Xin-bao，LIU Qiu-sheng，CHEN Hao
（Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China）

According to the application problem of the fixed canard trajectory correction kit technology in dual-spin stabilized projectiles，this article introduces the structure and working principle of the fixed canard kit.Base on the analysis of the control system of dual-rotor permanent magnet brushless motor，the mathematical model is established.And then the single channel control strategy which includes inner current-loop and the outer speed-loop is presented.The motor control effects，and the simulated flight simulation experiment is carried out using biaxial simulation test turntable at a high speed.The final testing data indicates that the control system can achieve preferable performance and high control precision，and suit the requirements of simple guidance.

dual-rotor，permanent magnet brushless motor，fixed canard，rolling control

TJ43

A

1002-0640（2015）10-0125-04

2014-08-05

2014-09-07

張開創(chuàng)（1988- ），男，河南開封人，碩士研究生。研究方向：彈藥系統(tǒng)化設(shè)計(jì)。