基于固定鴨舵的單通道控制研究

張開創，高欣寶，劉秋生，陳 浩

（軍械工程學院，石家莊 050003）

基于固定鴨舵的單通道控制研究

張開創，高欣寶，劉秋生，陳 浩

（軍械工程學院，石家莊 050003）

針對固定鴨舵彈道修正組件在旋轉穩定榴彈中的應用問題，介紹了固定鴨舵的結構組成及工作原理。在分析雙轉式永磁無刷直流電機控制系統組成的基礎上，建立了雙轉永磁無刷直流電機的數學模型，提出了一種電流、轉速雙閉環單通道滾轉控制策略。通過雙軸仿真測試轉臺，對電機控制效果及模擬飛行進行了模擬實驗與測試，結果表明：該方式控制效果較好，控制精度較高，能夠滿足彈藥簡易制導的要求。

雙轉式，永磁無刷電機，固定鴨舵，滾轉控制

0 引言

近年來，以美國ATK公司研究的精確制導組件PGK為典型代表，采用固定鴨舵技術通過對常規彈藥進行彈道控制［1］，實現了彈道的二維修正，并成功應用于155 mm炮彈和120 mm迫擊炮彈。固定鴨舵技術對彈藥的二維修正，僅需通過對固定鴨舵的單通道滾轉控制即可實現。這種控制方式的效率高、控制系統設計較為簡單、控制部件體積小且置于彈體的前段利于結構設計等優點，因而在制導彈藥控制系統中得到廣泛重視［2］。

固定鴨舵對旋轉穩定榴彈的彈道修正，是通過直流電機和可變負載來控制固定鴨舵相對于彈體的滾轉速度，從而控制操縱舵在大地坐標系中處于固定修正位置，使彈體產生相應修正力和力矩，實現彈道修正控制。直流電機的控制精度及響應時間，直接決定固定鴨舵對彈藥彈道修正的效果。因此，本文基于滾轉控制的固定鴨舵技術和雙轉式永磁無刷直流電機的無位置傳感器控制技術，研究旋轉穩定榴彈固定鴨舵滾轉控制的工作原理及控制策略，搭建舵機系統平臺，并通過仿真和實驗驗證所提控制策略和硬件系統的可行性。

1 固定鴨舵彈道修正組件組成及工作原理

1.1 固定鴨舵彈道修正組件的結構組成

固定鴨舵彈道修正組件由兩部分組成，分別為：與彈體螺紋連接的修正組件主體和可相對修正組件自由旋轉的固定鴨舵［4］。其結構原理示意圖如圖1所示。

1.2 固定鴨舵彈道修正組件的工作原理

彈丸發射后，由于火炮膛線的作用，彈體將高速向右旋轉，外轉子套筒與彈體螺紋連接，其必將隨彈體高速旋轉；出炮口后彈丸速度較大，在來流作用下，差動舵產生較大的導轉力矩，固定鴨舵在氣動力矩的作用下向左旋轉。電樞繞組與外轉子套筒固連，永磁鐵與內轉子固連，兩者相對轉動構成雙轉式永磁無刷直流電機，電樞繞組中將產生感應電動勢，通過外接整流電路可為彈載計算機、衛星接收機等用電器件供電。

衛星接收機開始接收衛星信號，彈載計算機按照預先裝定的星歷信息解算衛星信號，定位彈丸的位置、速度信息。彈丸定位有效后，彈載計算機根據實時的彈丸位置、速度信息計算彈丸的縱向落點偏差Δx、橫向落點偏差Δz；彈載計算機根據地磁傳感器測量的信號計算固定鴨舵在大地坐標系中的姿態信息（俯仰角、偏航角、滾轉角）［5-6］；根據陀螺測量信息計算固定鴨舵的滾轉速度ω；進而按照相應的制導算法計算舵控信號δ，舵控信號δ作為雙轉式永磁無刷直流電機的控制輸入，實現對彈體的單通道控制。固定鴨舵彈道修正組件工作原理框圖如圖2所示。

采用雙轉式永磁無刷直流電機作為固定鴨舵滾轉控制的執行機構，這就大大降低了對電機系統功率的需求；正常工作時，電動舵機一直處于工作狀態，相對于普通的舵機控制系統，避免了電機的頻繁啟動與換向，系統響應速度快，降低了對彈體的沖擊；再次，采用單通道控制方式，可以有效地減小通道間的耦合，利于彈丸實現具有大機動能力的控制方式。

2 雙轉式永磁無刷直流電機的單通道控制系統

2.1 雙轉式永磁無刷直流電機控制系統的組成

如圖3所示，固定鴨式舵單通道控制系統采用TI公司TMS320C6713系列32位浮點DSP作為主控芯片，假定處理器接收控制角δ信號（由彈載計算機提供），進行切換位置和轉速的解算，然后將轉速和切換位置的時間輸出給雙轉式永磁無刷直流電機的速度、電流雙環PID控制器，轉換成與之相應的脈寬調制的PWM信號，通過驅動電路控制逆變電路中對應的三端雙向可控硅的開關狀態，改變電機轉速。地磁傳感器組獲取固定鴨舵舵片位置信息反饋到PID控制器，以實現對電機運行的閉環控制。

2.2 雙轉式永磁無刷直流電機PID控制原理

雙轉式永磁無刷電機有內外兩個轉子，電樞繞組和磁鐵都可以旋轉［7-8］。其數學模型可以仿照普通永磁無刷電機的數學模型，只需增加一個運動方程即可，且兩個轉動運動方程的形式是一樣的。其電流、電壓平衡方程如式（1）、式（2）所示［9］：

式中ia、ib、ic為繞組相電流；Ua、Ub、Uc為繞組相電壓；Ra、Rb、Rc為每相繞組的電阻；L為每相繞組的自感；M為兩相繞組間互感，ea、eb、ec為感應電動勢。

電磁轉矩的表達式為：

式中w1為電樞繞組角速度，w2為永磁鐵角速度。

雙轉式永磁無刷直流電機的電流。速度雙環PID控制器是一種非線性控制器，它根據給定控制角δ與實際固定鴨舵滾轉角γ構成的偏差為控制量：

將偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過線性組合構成控制量，對被控對象進行控制，故稱PID控制器。其控制規律為：

式中Kp為比例系數；T為積分時間常數；TD為微分時間常數。

3 仿真實驗與結果分析

仿真實驗中采用高速電機帶動外轉子套筒，模擬彈體轉動；扭矩耦合器帶動固定鴨舵，模擬飛行中固定鴨舵的滾轉。為便于開展研究工作，搭建了固定鴨舵彈道修正組件的雙軸仿真測試高速轉臺，如圖4所示。

仿真和實驗中所采用的固定鴨舵彈道修正組件樣機基本參數如下：相間電感L=66.4×10-3H，相間電阻R=0.466 Ω，磁極對數P=6，轉矩系數Kt= 0.019 2 N·m/A，固定鴨舵轉動慣量Jn=1.03×10-3kg· m2。高速電機最高轉速18 000 r/min，扭矩耦合器量程5 N·m。

3.1 電機控制效果仿真實驗

將雙轉式永磁無刷直流電機的PID控制算法燒寫入彈載計算機，分別給定固定鴨舵控制角90°、-90°，通過雙軸仿真測試實驗平臺可對控制算法進行驗證，高速電機10 000 r/min，扭矩耦合器使固定鴨舵反向轉速為120 r/min。控制角δ=90°時固定鴨舵滾轉角變化如圖5所示，控制角δ=-90°時固定鴨舵滾轉角變化如圖6所示。

由圖5可見在控制段固定鴨舵滾轉角基本在90°附近波動，并基本保持穩定，波動范圍約在5° ～10°以內；由圖6可見為在控制段固定鴨舵滾轉角基本在-90°附近波動，控制段末期波動較大，波動在可接受的范圍內。綜合圖5、圖6可見，對雙轉式永磁無刷直流電機的速度、電流雙環PID控制效果較好。

3.2 飛行模擬實驗

用雙軸仿真測試高速轉臺模擬彈丸飛行過程中彈體和固定鴨舵的滾轉運動，高速電機轉速16 000 r/min，扭矩耦合器帶動固定鴨舵轉動，轉速30 r/min。由衛星模擬器模擬彈丸飛行過程中的衛星信號，用于計算實時控制角δ。整個過程由彈載計算機進行控制，并通過外聯裝置記錄數據。試驗結果如圖7所示，其中，圖7為解算的控制角δ，圖8為固定鴨舵的滾轉角γ。

對比圖7、圖8可見，固定鴨舵基本在解算的控制角附近波動，波動范圍5°～10°以內，控制效果較好，能夠對彈丸起到修正作用。

4 結束語

固定鴨舵技術是通過控制固定鴨舵相對地面坐標系的靜止位置來實現彈道修正。而固定鴨舵的轉動和靜止是由雙轉式永磁無刷直流電機控制的，固定鴨舵的彈道修正效果主要取決于雙轉式永磁無刷直流電機的PID控制。本文研究了雙轉式永磁無刷直流電機的數學模型，在此基礎上通過雙軸仿真測試高速轉臺對電機的控制效果及飛行模擬進行了半實物仿真實驗，實驗結果表明：電機控制和模擬飛行效果較好，能夠滿足固定鴨舵單通道控制的要求，為整彈的飛行實驗打下了良好的基礎。

［1］張開創，劉秋生，熊然，等.固定鴨舵彈道修正組件發展［J］.飛航導彈，2014，32（3），64-67.

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Research on Single Channel Control of Fixed Canard

ZHANG Kai-chuang，GAO Xin-bao，LIU Qiu-sheng，CHEN Hao
（Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China）

According to the application problem of the fixed canard trajectory correction kit technology in dual-spin stabilized projectiles，this article introduces the structure and working principle of the fixed canard kit.Base on the analysis of the control system of dual-rotor permanent magnet brushless motor，the mathematical model is established.And then the single channel control strategy which includes inner current-loop and the outer speed-loop is presented.The motor control effects，and the simulated flight simulation experiment is carried out using biaxial simulation test turntable at a high speed.The final testing data indicates that the control system can achieve preferable performance and high control precision，and suit the requirements of simple guidance.

dual-rotor，permanent magnet brushless motor，fixed canard，rolling control

TJ43

A

1002-0640（2015）10-0125-04

2014-08-05

2014-09-07

張開創（1988- ），男，河南開封人，碩士研究生。研究方向：彈藥系統化設計。