某型艦炮隨動系統(tǒng)數(shù)字化改進研究

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

1 某型艦炮隨動系統(tǒng)構(gòu)成

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

由指揮儀解算出的射擊諸元，傳送到隨動系統(tǒng)受信儀，受信儀將指揮儀給出的目標(biāo)未來位置與艦炮實際位置進行比較，得出誤差電壓u_θ，u_θ經(jīng)過信號選擇和交流放大后進入相敏整流器，解調(diào)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(diào)節(jié)器校正后進入速度調(diào)節(jié)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(zhí)行電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。

與執(zhí)行電機同軸轉(zhuǎn)動的測速發(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(diào)節(jié)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(diào)節(jié)器的輸入端，與主令信號疊加，使從位置調(diào)節(jié)器之后的所有部分共同組成一個性能優(yōu)良的調(diào)速系統(tǒng)。在位置調(diào)節(jié)器中采用了PI調(diào)節(jié)器和降階電路，并可以根據(jù)誤差的大小自動切換位置調(diào)節(jié)器工作于PI調(diào)節(jié)狀態(tài)或P調(diào)節(jié)狀態(tài)。另外，系統(tǒng)還從指揮儀引入了一個與目標(biāo)運行速度成正比的信號，即前饋信號，經(jīng)過RC網(wǎng)絡(luò)微分，加到位置調(diào)節(jié)器上以補償由于加速度造成的誤差。

　該隨動系統(tǒng)主要存在以下不足：

　(1)功率驅(qū)動大環(huán)節(jié)采用的是最原始的交磁電機擴大機，需要電動機提供驅(qū)動動力，使用維護復(fù)雜，在日常的部隊訓(xùn)練與裝備維修時極不適用；
　(2)交磁電機擴大機是一個慣性環(huán)節(jié)，影響系統(tǒng)的實時快速處理能力，動態(tài)響應(yīng)較慢；
　(3)體積大、噪聲大、效率低；
　(4)外圍電路復(fù)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)對該隨動系統(tǒng)進行了數(shù)字化改進，主要目的是以數(shù)字式電機驅(qū)動放大電路替換交磁電機擴大機。

2 隨動系統(tǒng)數(shù)字化改進

　改進后的系統(tǒng)如圖2所示，主要由主控計算機組合、驅(qū)動執(zhí)行電機的IPM模塊、方位和高低位置反饋、方位和高低執(zhí)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的目標(biāo)未來點位置信號和艦炮當(dāng)前位置信號相比較，進行變結(jié)構(gòu)控制，輸出給定速度信號。即采用非線性的平方根控制與線性的PID控制相結(jié)合的方式。

　當(dāng)系統(tǒng)存在大偏差時（取00~10），采用平方根控制以保證系統(tǒng)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(diào)節(jié)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(diào)節(jié)后輸出所需要的PWM控制信號波，再通過高速光耦隔離輸出到IPM的相應(yīng)控制端子。

　 由此可以按照控制要求驅(qū)動IPM進行工作，從而驅(qū)動執(zhí)行電機帶動艦炮跟蹤目標(biāo)。

2.2 主控計算機組合工作過程

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(shù)字I/O以及各種故障診斷報警功能等接口的全數(shù)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

　 改進后的功率放大電路采用雙H橋形式來代替原系統(tǒng)中的交磁電機擴大機分別驅(qū)動兩個執(zhí)行電機，如圖4所示。H橋中的開關(guān)器件V1、V2、V3、V4采用智能功率模塊（IPM），本系統(tǒng)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(zhí)行電機，在每個IPM模塊控制端輸入設(shè)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(shè)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)過采樣電阻R1轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?再經(jīng)RC電路濾波后，通過運算放大器進行標(biāo)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(tǒng)中占有很重要的地位，它的檢測精度直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的運行精度，因此本隨動系統(tǒng)采用絕對位置檢測元件——多極旋轉(zhuǎn)變壓器檢測角度，將系統(tǒng)輸出角轉(zhuǎn)換成模擬電壓值，再通過軸編碼器進行軸角編碼，將艦炮位置信號轉(zhuǎn)換成二進制碼，送給主控計算機，以實現(xiàn)位置反饋。

3 改進前后性能對比

　 基于上述方案,改進后的隨動系統(tǒng)在調(diào)轉(zhuǎn)速度、調(diào)轉(zhuǎn)時間和平穩(wěn)跟蹤速度等性能方面明顯提高，過渡歷程的振蕩次數(shù)明顯減少，采用智能功率模塊取代交磁電機擴大機后，使數(shù)字隨動系統(tǒng)的快速啟動性能提高。隨動系統(tǒng)改進前后的主要性能對比如表1和表2所示。

　 從上表可以看出，改進后的艦炮隨動系統(tǒng)在方位和高低上最大瞄準(zhǔn)速度各提高了16%和15%，響應(yīng)時間和半震蕩次數(shù)明顯減少，正弦跟蹤誤差下降37.5%。

　 實驗證明，改進的方法和技術(shù)實現(xiàn)過程是合理可行的。通過此種改進，有效提高了艦炮隨動系統(tǒng)的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能，提升了武器裝備的作戰(zhàn)性能和信息化程度，降低了技術(shù)保障的難度，達到了改進的目的。綜上所述，該改進方案主要優(yōu)點在于：

　(1) 此基于DSP的隨動系統(tǒng)和原系統(tǒng)相比，具有更高的動態(tài)響應(yīng)性能和控制精度。

　(2)因不再需要發(fā)動機和交磁電機擴大機這些旋轉(zhuǎn)設(shè)備，在部隊日常維修訓(xùn)練時接岸電即可完成原來的功能，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(nèi)很適用。

(4)這種基于DSP的數(shù)字隨動系統(tǒng)同樣可應(yīng)用到其他艦炮中，對于實現(xiàn)我海軍裝備數(shù)字化非常有益。