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運行速度成正比的信號，即前饋信號，經(jīng)過RC網(wǎng)絡微分，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，使用維護復雜，在日常的部隊訓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未來點位置信號和艦炮當前位置信號相比較，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。

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速度各提高了16%和15%，響應時間和半震蕩次數(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。