某型艦炮隨動(dòng)系統數字化改進(jìn)研究

目前我海軍艦炮的隨動(dòng)系統仍沿用早期的機電式設備，它的主要缺點(diǎn)是跟蹤定位誤差大、機動(dòng)能力差、快速突防能力不強、體積大、噪聲大、價(jià)格昂貴，而且故障率高。這些問(wèn)題直接影響到艦艇綜合防御能力及生存能力的提高。為此，對該艦炮的隨動(dòng)系統利用計算機進(jìn)行數字化改進(jìn)是非常必要的。

1 某型艦炮隨動(dòng)系統構成

　下面介紹的艦炮隨動(dòng)系統是一種基于輸入角度與反饋角度之間有偏差的原理進(jìn)行工作的。其構成如圖1所示。

由指揮儀解算出的射擊諸元，傳送到隨動(dòng)系統受信儀，受信儀將指揮儀給出的目標未來(lái)位置與艦炮實(shí)際位置進(jìn)行比較，得出誤差電壓u_θ，u_θ經(jīng)過(guò)信號選擇和交流放大后進(jìn)入相敏整流器，解調出與uθ大小和方向有關(guān)的直流信號電壓U_θ，經(jīng)位置調節器校正后進(jìn)入速度調節器，與速度反饋信號u_f和電流反饋信號If相加，形成電機擴大機的控制信號，控制擴大電機端電壓的大小和極性，從而控制執行電機的轉速和轉向。

與執行電機同軸轉動(dòng)的測速發(fā)電機產(chǎn)生速度反饋信號，經(jīng)濾波網(wǎng)絡(luò )送入速度調節器輸入端，從電機擴大機補償繞組上取出的電流反饋信號，也送入速度調節器的輸入端，與主令信號疊加，使從位置調節器之后的所有部分共同組成一個(gè)性能優(yōu)良的調速系統。在位置調節器中采用了PI調節器和降階電路，并可以根據誤差的大小自動(dòng)切換位置調節器工作于PI調節狀態(tài)或P調節狀態(tài)。另外，系統還從指揮儀引入了一個(gè)與目標運行速度成正比的信號，即前饋信號，經(jīng)過(guò)RC網(wǎng)絡(luò )微分，加到位置調節器上以補償由于加速度造成的誤差。

　該隨動(dòng)系統主要存在以下不足：

　(1)功率驅動(dòng)大環(huán)節采用的是最原始的交磁電機擴大機，需要電動(dòng)機提供驅動(dòng)動(dòng)力，使用維護復雜，在日常的部隊訓練與裝備維修時(shí)極不適用；
　(2)交磁電機擴大機是一個(gè)慣性環(huán)節，影響系統的實(shí)時(shí)快速處理能力，動(dòng)態(tài)響應較慢；
　(3)體積大、噪聲大、效率低；
　(4)外圍電路復雜，可靠性較低。

針對上述不足，為方便部隊使用和維護，以DSP為核心,采用最新的PWM控制技術(shù)對該隨動(dòng)系統進(jìn)行了數字化改進(jìn)，主要目的是以數字式電機驅動(dòng)放大電路替換交磁電機擴大機。

2 隨動(dòng)系統數字化改進(jìn)

　改進(jìn)后的系統如圖2所示，主要由主控計算機組合、驅動(dòng)執行電機的IPM模塊、方位和高低位置反饋、方位和高低執行電機、方位和高低零位指示器、速度及電流反饋電路、擊發(fā)控制電路等組成。

2.1基本原理

　主控計算機將指揮儀傳來(lái)的目標未來(lái)點(diǎn)位置信號和艦炮當前位置信號相比較，進(jìn)行變結構控制，輸出給定速度信號。即采用非線(xiàn)性的平方根控制與線(xiàn)性的PID控制相結合的方式。

　當系統存在大偏差時(shí)（取00~10），采用平方根控制以保證系統快速性，其控制算法為：

將給定速度信號與速度反饋信號相比較，經(jīng)PI調節后輸出給定電流信號。

　 將給定電流信號與電流反饋信號相比較，經(jīng)PI調節后輸出所需要的PWM控制信號波，再通過(guò)高速光耦隔離輸出到IPM的相應控制端子。

　 由此可以按照控制要求驅動(dòng)IPM進(jìn)行工作，從而驅動(dòng)執行電機帶動(dòng)艦炮跟蹤目標。

2.2 主控計算機組合工作過(guò)程

主控計算機組合是以TMS320F2407為核心，具備多路PWM輸出、電流檢測、編碼器接口、通信接口、模入模出、數字I/O以及各種故障診斷報警功能等接口的全數字模塊。其解算流程如圖3所示。

2.3 功率放大電路工作原理

　 改進(jìn)后的功率放大電路采用雙H橋形式來(lái)代替原系統中的交磁電機擴大機分別驅動(dòng)兩個(gè)執行電機，如圖4所示。H橋中的開(kāi)關(guān)器件V1、V2、V3、V4采用智能功率模塊（IPM），本系統采用模塊型號為PM200DSA06。

　 直流電源由三相交流電經(jīng)可控硅整流后得到，輸出端接執行電機，在每個(gè)IPM模塊控制端輸入設定的控制脈沖即可。為了防止強電部分（IPM）和弱電部分（控制信號PWM波）之間的相互干擾，這里采用高速光耦完成電氣隔離，如圖2所示。另外IPM模塊還具有故障輸出端，故障輸出端通過(guò)光耦與主控計算機端相連，一旦模塊有故障，主控計算機馬上申請高優(yōu)先級中斷，停止控制信號的輸出，使IPM停止工作。

2.4反饋電路設計

2.4.1電流檢測電路

電流檢測電路采用霍爾電流傳感器LA58-P作為電流檢測元件，檢測電機的電樞電流。LA58-P的變比為1∶1 000，由于TMS320F2407要求的D輸入信號為0～5 V模擬電壓信號，因此，電流傳感器輸出的弱小電流信號首先經(jīng)過(guò)采樣電阻R1轉變?yōu)殡妷盒盘?再經(jīng)RC電路濾波后，通過(guò)運算放大器進(jìn)行標度變換，變換為0～5 V的電壓信號，送入DSP的A/D采集通道。電流檢測電路如圖5所示。

2.4.2 艦炮位置檢測原理

　 位置檢測元件在伺服系統中占有很重要的地位，它的檢測精度直接關(guān)系到整個(gè)系統的運行精度，因此本隨動(dòng)系統采用絕對位置檢測元件——多極旋轉變壓器檢測角度，將系統輸出角轉換成模擬電壓值，再通過(guò)軸編碼器進(jìn)行軸角編碼，將艦炮位置信號轉換成二進(jìn)制碼，送給主控計算機，以實(shí)現位置反饋。

3 改進(jìn)前后性能對比

　 基于上述方案,改進(jìn)后的隨動(dòng)系統在調轉速度、調轉時(shí)間和平穩跟蹤速度等性能方面明顯提高，過(guò)渡歷程的振蕩次數明顯減少，采用智能功率模塊取代交磁電機擴大機后，使數字隨動(dòng)系統的快速啟動(dòng)性能提高。隨動(dòng)系統改進(jìn)前后的主要性能對比如表1和表2所示。

　 從上表可以看出，改進(jìn)后的艦炮隨動(dòng)系統在方位和高低上最大瞄準速度各提高了16%和15%，響應時(shí)間和半震蕩次數明顯減少，正弦跟蹤誤差下降37.5%。

　 實(shí)驗證明，改進(jìn)的方法和技術(shù)實(shí)現過(guò)程是合理可行的。通過(guò)此種改進(jìn)，有效提高了艦炮隨動(dòng)系統的戰術(shù)技術(shù)性能，提升了武器裝備的作戰性能和信息化程度，降低了技術(shù)保障的難度，達到了改進(jìn)的目的。綜上所述，該改進(jìn)方案主要優(yōu)點(diǎn)在于：

　(1) 此基于DSP的隨動(dòng)系統和原系統相比，具有更高的動(dòng)態(tài)響應性能和控制精度。

　(2)因不再需要發(fā)動(dòng)機和交磁電機擴大機這些旋轉設備，在部隊日常維修訓練時(shí)接岸電即可完成原來(lái)的功能，減小了運行噪聲，改善了工作環(huán)境。

　(3) 因主控計算機集成度很高，又采用了智能功率模塊，使得裝置的體積很小，僅為原電機擴大機體積的1/5，便于做成精巧的控制盒直接安裝在電機殼上，在空間狹小的全封閉艦炮內很適用。

(4)這種基于DSP的數字隨動(dòng)系統同樣可應用到其他艦炮中，對于實(shí)現我海軍裝備數字化非常有益。