采用PWM控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)艦炮隨動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化改進(jìn)

目前我海軍艦炮的隨動(dòng)系統(tǒng)仍沿用早期的機(jī)電式設(shè)備，它的主要缺點(diǎn)是跟蹤定位誤差大、機(jī)動(dòng)能力差、快速突防能力不強(qiáng)、體積大、噪聲大、價(jià)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(duì)該艦炮的隨動(dòng)系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字化改進(jìn)是非常必要的。

1 某型艦炮隨動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成

下面介紹的艦炮隨動(dòng)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(jìn)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(dòng)系統(tǒng)受信儀，受信儀將指揮儀給出的目標(biāo)未來(lái)位置與艦炮實(shí)際位置進(jìn)行比較，得出誤差電壓uθ，uθ經(jīng)過信號(hào)選擇和交流放大后進(jìn)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(hào)電壓Uθ，經(jīng)位置調(diào)節(jié)器校正后進(jìn)入速度調(diào)節(jié)器，與速度反饋信號(hào)uf和電流反饋信號(hào)If相加，形成電機(jī)擴(kuò)大機(jī)的控制信號(hào)，控制擴(kuò)大電機(jī)端電壓的大小和極性，從而控制執(zhí)行電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。

與執(zhí)行電機(jī)同軸轉(zhuǎn)動(dòng)的測(cè)速發(fā)電機(jī)產(chǎn)生速度反饋信號(hào)，經(jīng)濾波網(wǎng)絡(luò)送入速度調(diào)節(jié)器輸入端，從電機(jī)擴(kuò)大機(jī)補(bǔ)償繞組上取出的電流反饋信號(hào)，也送入速度調(diào)節(jié)器的輸入端，與主令信號(hào)疊加，使從位置調(diào)節(jié)器之后的所有部分共同組成一個(gè)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(dòng)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(gè)與目標(biāo)運(yùn)行速度成正比的信號(hào)，即前饋信號(hào)，經(jīng)過RC網(wǎng)絡(luò)微分，加到位置調(diào)節(jié)器上以補(bǔ)償由于加速度造成的誤差。

該隨動(dòng)系統(tǒng)主要存在以下不足：

（1）功率驅(qū)動(dòng)大環(huán)節(jié)采用的是最原始的交磁電機(jī)擴(kuò)大機(jī)，需要電動(dòng)機(jī)提供驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，使用維護(hù)復(fù)雜，在日常的部隊(duì)訓(xùn)練與裝備維修時(shí)極不適用；

（2）交磁電機(jī)擴(kuò)大機(jī)是一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)快速處理能力，動(dòng)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(duì)上述不足，為方便部隊(duì)使用和維護(hù)，以DSP為核心，采用最新的PWM控制技術(shù)對(duì)該隨動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)字化改進(jìn)，主要目的是以數(shù)字式電機(jī)驅(qū)動(dòng)放大電路替換交磁電機(jī)擴(kuò)大機(jī)。

2 隨動(dòng)系統(tǒng)數(shù)字化改進(jìn)

改進(jìn)后的系統(tǒng)如圖2所示，主要由主控計(jì)算機(jī)組合、驅(qū)動(dòng)執(zhí)行電機(jī)的IPM模塊、方位和高低位置反饋、方位和高低執(zhí)行電機(jī)、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(jì)算機(jī)將指揮儀傳來(lái)的目標(biāo)未來(lái)點(diǎn)位置信號(hào)和艦炮當(dāng)前位置信號(hào)相比較，進(jìn)行變結(jié)構(gòu)控制，輸出給定速度信號(hào)。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(shí)（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(hào)與速度反饋信號(hào)相比較，經(jīng)PI調(diào)節(jié)后輸出給定電流信號(hào)。

將給定電流信號(hào)與電流反饋信號(hào)相比較，經(jīng)PI調(diào)節(jié)后輸出所需要的PWM控制信號(hào)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(dòng)IPM進(jìn)行工作，從而驅(qū)動(dòng)執(zhí)行電機(jī)帶動(dòng)艦炮跟蹤目標(biāo)。

2.2 主控計(jì)算機(jī)組合工作過程

主控計(jì)算機(jī)組合是以TMS320F2407為核心，具備多路PWM輸出、電流檢測(cè)、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(bào)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(jìn)后的功率放大電路采用雙H橋形式來(lái)代替原系統(tǒng)中的交磁電機(jī)擴(kuò)大機(jī)分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)執(zhí)行電機(jī)，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(hào)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(jī)，在每個(gè)IPM模塊控制端輸入設(shè)定的控制脈沖即可。為了防止強(qiáng)電部分（IPM）和弱電部分（控制信號(hào)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(jì)算機(jī)端相連，一旦模塊有故障，主控計(jì)算機(jī)馬上申請(qǐng)高優(yōu)先級(jí)中斷，停止控制信號(hào)的輸出，使IPM停止工作。

2.4反饋電路設(shè)計(jì)

2.4.1電流檢測(cè)電路

電流檢測(cè)電路采用霍爾電流傳感器LA58-P作為電流檢測(cè)元件，檢測(cè)電機(jī)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(hào)為0～5 V模擬電壓信號(hào)，因此，電流傳感器輸出的弱小電流信號(hào)首先經(jīng)過采樣電阻R1轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，再經(jīng)RC電路濾波后，通過運(yùn)算放大器進(jìn)行標(biāo)度變換，變換為0～5 V的電壓信號(hào)，送入DSP的A/D采集通道。電流檢測(cè)電路如圖5所示。

2.4.2 艦炮位置檢測(cè)原理

位置檢測(cè)元件在伺服系統(tǒng)中占有很重要的地位，它的檢測(cè)精度直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行精度，因此本隨動(dòng)系統(tǒng)采用絕對(duì)位置檢測(cè)元件——多極旋轉(zhuǎn)變壓器檢測(cè)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(jìn)行軸角編碼，將艦炮位置信號(hào)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制碼，送給主控計(jì)算機(jī)，以實(shí)現(xiàn)位置反饋。

3 改進(jìn)前后性能對(duì)比

基于上述方案，改進(jìn)后的隨動(dòng)系統(tǒng)在調(diào)轉(zhuǎn)速度、調(diào)轉(zhuǎn)時(shí)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(jī)擴(kuò)大機(jī)后，使數(shù)字隨動(dòng)系統(tǒng)的快速啟動(dòng)性能提高。隨動(dòng)系統(tǒng)改進(jìn)前后的主要性能對(duì)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(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(shí)間和半震蕩次數(shù)明顯減少，正弦跟蹤誤差下降37.5%。

實(shí)驗(yàn)證明，改進(jìn)的方法和技術(shù)實(shí)現(xiàn)過程是合理可行的。通過此種改進(jìn)，有效提高了艦炮隨動(dòng)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(dá)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(tǒng)和原系統(tǒng)相比，具有更高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能和控制精度。

（2）因不再需要發(fā)動(dòng)機(jī)和交磁電機(jī)擴(kuò)大機(jī)這些旋轉(zhuǎn)設(shè)備，在部隊(duì)日常維修訓(xùn)練時(shí)接岸電即可完成原來(lái)的功能，減小了運(yùn)行噪聲，改善了工作環(huán)境。

（3） 因主控計(jì)算機(jī)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(jī)擴(kuò)大機(jī)體積的1/5，便于做成精巧的控制盒直接安裝在電機(jī)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(dòng)系統(tǒng)同樣可應(yīng)用到其他艦炮中，對(duì)于實(shí)現(xiàn)我海軍裝備數(shù)字化非常有益。