彈道修正用多自由度超聲電動機驅(qū)動電路研究

楊建春，王 炅，黃學(xué)功，孫 棟

(南京理工大學(xué)，南京 210094)

0 引 言

頭部偏轉(zhuǎn)式彈道修正是一種新型二維彈道修正方法，它的彈頭與彈體部分并不固連在一起，兩者可相對轉(zhuǎn)動，通過驅(qū)動裝置控制，可偏轉(zhuǎn)彈頭偏離彈體軸線，使彈頭的迎風(fēng)面和背風(fēng)面存在壓差，產(chǎn)生相對于彈體的氣動控制力和氣動力矩，以達到修正彈藥落點的目的。與一般的二維彈道修正相比，它結(jié)構(gòu)簡單，原理清晰易懂[1-2]。

超聲電動機是上個世紀(jì)80年代開始發(fā)展起來的一種新型微特電機，它基于壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，讓定子彈性體在超聲頻段產(chǎn)生微幅振動，通過定子和轉(zhuǎn)子間的摩擦，帶動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動或移動[3-4]。與傳統(tǒng)的電磁電機相比，超聲電動機具有輸出力矩大、響應(yīng)速度快、體積小質(zhì)量輕、低噪聲、不受電磁干擾等優(yōu)點，在精密機械、航空航天、機器人等領(lǐng)域都有較好的應(yīng)用前景[5]。若使用多個單自由度超聲電動機來實現(xiàn)二維彈道修正，會使驅(qū)動機構(gòu)整體尺寸偏大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，球形多自由度超聲電動機能夠提供頭部偏轉(zhuǎn)式彈道修正所需要的偏轉(zhuǎn)運動和旋轉(zhuǎn)運動，是作為彈頭偏轉(zhuǎn)彈道修正的良好的驅(qū)動裝置。

目前國內(nèi)外對球形多自由度超聲電動機的驅(qū)動電路研究較少，沒有現(xiàn)成的驅(qū)動方案可供使用。此外，在彈丸內(nèi)部無法直接提供超聲電動機驅(qū)動所需的高壓電源，因此無法利用高壓功率放大芯片直接將電壓放大，需要利用其他器件來實現(xiàn)，且彈丸內(nèi)部空間有限，對驅(qū)動電路的小型化提出了較高的要求。針對以上問題，提出了一種高效的控制方法，并設(shè)計了相應(yīng)的驅(qū)動方案，最后進行了實驗驗證。

1 多自由度超聲電動機驅(qū)動原理與控制方法

1.1 多自由度超聲電動機驅(qū)動原理

圖1為多自由度超聲電動機結(jié)構(gòu)圖，包括球轉(zhuǎn)子、3個結(jié)構(gòu)相同的定子和底座。3個定子環(huán)繞球轉(zhuǎn)子兩兩相差120°對稱分布，定子軸線與水平面之間的夾角為15°。

定子由定子彈性體、壓電陶瓷片、摩擦材料和預(yù)緊導(dǎo)向機構(gòu)組成，預(yù)緊導(dǎo)向機構(gòu)的功能是提供定轉(zhuǎn)子之間的預(yù)緊力，保證定子彈性體軸線位置固定。當(dāng)給粘貼在定子彈性體底面的壓電陶瓷片施加一定頻率的交流信號時，就能在定子彈性體表面激發(fā)出如圖2所示的面外彎曲模態(tài)。

圖2 定子彈性體的面外彎曲模態(tài)

其模態(tài)振型可表示[3]：

φA=R(r)sin(nθ)

其正交模態(tài)振型:

φB=R(r)cos(nθ)

式中：R(r)為沿定子彈性體徑向的位移分布函數(shù)；sin(nθ)，cos(nθ)為沿定子彈性體周向的位移分布函數(shù)。當(dāng)給壓電陶瓷片施加兩列同頻等幅相位差為90°的交流信號時，激發(fā)出的兩相模態(tài)響應(yīng)：

ωA=R(r)sin(nθ)δcos(ωnt)

ωB=R(r)cos(nθ)δsin(ωnt)

式中：δ為兩相模態(tài)的響應(yīng)幅值；ωn為驅(qū)動電壓的工作頻率。兩相模態(tài)響應(yīng)疊加形成行波：

ω=R(r)δsin(nθ-ωnt)

如圖3所示，定轉(zhuǎn)子由于預(yù)緊力的存在而緊密接觸，在行波定子齒端各個質(zhì)點的作用下，球轉(zhuǎn)子獲得了和定子行波運動方向相反的運動。也就是說，給壓電陶瓷片施加兩相交流信號，就能夠驅(qū)動球轉(zhuǎn)子繞定子軸線轉(zhuǎn)動。

圖3 定子驅(qū)動轉(zhuǎn)子示意圖

多自由度超聲波電動機包括3個定子，每個定子都能單獨驅(qū)動球轉(zhuǎn)子繞其軸線轉(zhuǎn)動，當(dāng)3個定子一起驅(qū)動球轉(zhuǎn)子時，球轉(zhuǎn)子就獲得了多自由度的運動。

1.2 彈道修正用多自由度超聲電動機控制方法及控制信號

多自由度超聲電動機輸出性能好，且能夠提供修正彈道所需的旋轉(zhuǎn)運動和偏轉(zhuǎn)運動，是彈道修正機構(gòu)良好的驅(qū)動裝置。基于多自由度超聲電動機的彈頭偏轉(zhuǎn)機構(gòu)如圖4所示。

圖4 基于多自由度超聲電動機的彈頭偏轉(zhuǎn)機構(gòu)

基于多自由度超聲電動機的彈頭偏轉(zhuǎn)機構(gòu)運動過程可分為兩步。第一步，多自由度超聲電動機驅(qū)動可偏轉(zhuǎn)彈頭偏離彈體軸線，直至彈頭軸線與彈體軸線之間的夾角達到指定值；第二步，多自由度超聲電動機驅(qū)動已經(jīng)完成偏轉(zhuǎn)動作的可偏轉(zhuǎn)彈頭繞彈體軸線轉(zhuǎn)動，直至到達能夠修正彈道的指定位置。第一步為偏轉(zhuǎn)運動，為了高效的完成偏轉(zhuǎn)動作，由其中一個定子來驅(qū)動球轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，另外兩個定子做駐波運動，使球轉(zhuǎn)子繞其中一個定子的軸線轉(zhuǎn)動；第二步為旋轉(zhuǎn)運動，這個運動需要3個定子以同樣的轉(zhuǎn)速來驅(qū)動球轉(zhuǎn)子，3個轉(zhuǎn)速在球轉(zhuǎn)子上的矢量疊加，使球轉(zhuǎn)子沿彈軸方向轉(zhuǎn)動。

綜上所述，為簡化多自由度超聲電動機的驅(qū)動電路，多自由度超聲電動機的一個定子單獨驅(qū)動，另外兩個定子可以由同一個交流信號來驅(qū)動，即基于多自由度超聲電動機的彈頭偏轉(zhuǎn)機構(gòu)需要的驅(qū)動信號為ηAsin(ω1t)，ηAcos(ω1t)，ηBsin(ω2t)，ηBcos(ω2t)，為4路幅值、頻率和相位分別可調(diào)的交流信號。驅(qū)動信號頻率取決于多自由度超聲電動機定子彈性體的共振頻率，一般在20～100 kHz之間，驅(qū)動信號幅值一般在幾十伏至幾百伏之間,本文中設(shè)計為峰峰值300 V，此外，要求每兩相交流信號之間的相位差連續(xù)可調(diào)。

2 驅(qū)動電路方案

目前較為成熟的超聲電動機驅(qū)動電路是由高頻信號發(fā)生器產(chǎn)生基準(zhǔn)的方波信號，再由分頻分相器將單相信號轉(zhuǎn)換成兩相信號，再經(jīng)過逆變升壓，得到超聲電動機所需的高壓交流信號[6]。對于多自由度超聲電動機而言，需要至少4路信號，使用傳統(tǒng)的驅(qū)動電路會使得電路尺寸大、多路信號之間調(diào)節(jié)不一致。針對這一問題，提出使用DDS芯片AD9959作為驅(qū)動電路的信號發(fā)生器。多自由度超聲電動機的驅(qū)動電路示意圖如圖5所示。

圖5 多自由度超聲電動機驅(qū)動電路示意圖

2.1 基于DDS的正弦信號發(fā)生電路

基于DDS的正弦信號發(fā)生電路由微控制器MCU和直接數(shù)字頻率合成器DDS組成。DDS是產(chǎn)生正弦信號的核心芯片，輸出波形的幅值、相位和頻率的大小需要通過MCU來配置DDS的內(nèi)部寄存器決定。故MCU的作用是向DDS發(fā)送幅值、相位和頻率控制字，接收反饋信號和進行信號處理，單片機就能夠滿足以上要求，無需使用成本更高的ARM和DSP。MCU和DDS之間的連接情況如圖6所示。

圖6 MCU和DDS的連線示意圖

圖6中，PWR_DWN為外部斷電允許位；RESET為復(fù)位引腳；CS為片選信號引腳；I/O UPDATE在其上升沿將I/O口數(shù)據(jù)傳遞給AD9959內(nèi)部寄存器；SCLK為串行操作時的時鐘輸入端，在其上升沿寫入數(shù)據(jù)，下降沿讀出數(shù)據(jù)；P0～P3用于調(diào)制方式的選擇；SDIO0～SDIO3為串行數(shù)據(jù)輸入輸出口。單片機通過這些I/O與DDS相連，使DDS輸出4相幅值、頻率和相位分別可調(diào)的交變信號，但這些信號還不能直接用來驅(qū)動超聲電動機，還需對其進行進一步處理。

2.2 有源濾波電路

AD9959的輸出信號為脈動直流信號，首先要濾去其中的直流分量才能得到純凈的交流信號。DDS的輸出信號直接由其內(nèi)部的DAC輸出，具有一定的諧波分量和時鐘干擾，需要對DDS的輸出信號進行濾波處理。濾波電路按其有無放大器件可分為無源濾波器和有源濾波器，目前一些文獻中用電阻、電容和電感搭建了高階橢圓形無源濾波器，取得了較好的濾波效果[7]。但每一路濾波電路均使用了較多的無源器件(電容和電感)，不利于電路的小型化。有源濾波電路體積小、質(zhì)量輕，且可以自動補償各次諧波，除了濾波之外，還可以放大輸入信號，作為后級放大電路的前置放大器，采用了四通道運算放大芯片OPA1654來搭建有源濾波電路，使電路高度集成，設(shè)計的一路有源濾波電路原理圖如圖7所示。

圖7 一路有源濾波電路原理圖2.3 放大電路

AD9959的輸出信號電壓峰峰值只有幾百毫伏，輸出電流只有10 mA左右，不能直接用來驅(qū)動多自由度超聲電動機，要對其進行多次放大。前端有源濾波電路已使用OPA1654將交流信號的電壓峰峰值從幾百毫伏放大至±6 V，然后使用2片雙通道功率放大芯片TDA7265將輸出信號的電壓峰峰值放大至±12 V，最后通過高頻變壓器EE16將輸出電壓從±12 V放大至±150 V，且輸出信號滿足一定的功率要求，放大電路示意圖如圖8所示。

圖8 放大電路示意圖

3 輸出波形實驗

根據(jù)以上方案設(shè)計的彈道修正用多自由度超聲電動機驅(qū)動電路如圖9所示。由于尺寸限制以及防止信號互相干擾，將驅(qū)動電路中的各個模塊分別制板，同時也為下一步優(yōu)化電路提供了便利。利用keil軟件編寫了控制程序，輸出了4路幅值、頻率、相位分別可調(diào)的驅(qū)動信號如圖10所示，輸出電壓峰峰值達到280 V，略小于設(shè)計值，基本滿足設(shè)計的需要。設(shè)計的驅(qū)動電路輸出電壓峰峰值可在0～280 V之間連續(xù)可調(diào)，工作頻率在20～100kHz之間連續(xù)可調(diào)，兩相信號之間的相位差可為任意值。如圖11所示，通過改變上位機中的幅值控制字，輸出的兩相信號幅值不等；如圖12所示，通過改變上位機中的頻率控制器，輸出的兩相信號頻率不同；如圖13(a)、圖13(b)所示，通過改變上位機中的相位控制字，兩相輸出信號之間的相位差發(fā)生了改變，因此驅(qū)動信號的幅值、頻率和相位都是可調(diào)的。

圖9 驅(qū)動電路實物圖

圖10 驅(qū)動電路四路輸出信

圖11 輸出信號幅值調(diào)節(jié)

圖12 輸出信號頻率調(diào)節(jié)

(a) 相位控制字較小時

(b) 相位控制字較大時

4 結(jié) 語

本文以彈道修正用多自由度超聲電動機為驅(qū)動目標(biāo)，設(shè)計了一種由DDS信號發(fā)生電路、有源濾波電路和功率放大電路/變壓器組成的多自由度超聲電動機驅(qū)動電路，現(xiàn)總結(jié)如下：1)根據(jù)多自由度超聲電動機驅(qū)動原理及彈頭偏轉(zhuǎn)過程，為了簡化驅(qū)動電路，提出了一種簡便控制方法；2)實驗證明，設(shè)計的驅(qū)動電路驅(qū)動電壓高，驅(qū)動信號穩(wěn)定且方便調(diào)節(jié)，滿足設(shè)計要求；3)設(shè)計的驅(qū)動電路盡量使用了多通道集成芯片，加工的實物滿足小型化的要求。

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