火炮伺服系统发展趋势

收稿日期： 2011-08-31 作者简介： 王星民 （1969-） ， 男， 山西新绛人， 工程师， 本科， 研究方向： 计算机控制。
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流伺服系统。交流伺服电动机通常有笼型 （感应） 伺服 电动机和永磁同步伺服电动机两类， 交流异步电动机 用于调速系统是十分合适的， 但在伺服系统中应用交 流伺服电机， 通常是指交流永磁同步电动机。永磁同 步电机分为两种： 1）输入电流为方波， 即方波永磁同 步电动机， 又称无刷直流电动机 （简称 BLDC） ； 2）输入 电流为正弦波， 即 正 弦 波 永 磁 同 步 电 动 机（简 称 PMSM） 。 我 们 在 应 用 时 一 般 常 选 用 PMSM， 不选用 BLDC， 其原因是 BLDC 组成的伺服系统低速平稳性不 如 PMSM 组成的伺服系统。 3 伺服系统的发展趋势 直流电动机良好的机械特性、 控制特性和调速特 性一直受到人们的青睐。但由于直流伺服电动机存在 机械换向器， 需要较多的维护， 运行火花使应用环境受 到了某些限制， 高速运行和大容量设计都受到机械换 向器的限制， 所以， 革除机械换向而保留直流伺服电动 机的优良控制性能， 是人们长期以来一直在追求的 目标 。 交流伺服电动机结构简单， 坚固耐用， 体积小， 重 量轻， 没有机械换向， 同时达到了直流伺服电动机的控 制性能。但由于交流伺服电动机本身具有非线性和强 耦合特性， 因此， 控制方法相当复杂， 常规的控制算法 很难满足要求。为使三相电流完全解耦， 20 世纪 70 年 代就开始采用磁场定向控制方法， 但由于系统实时性 的要求， 很难用一个单片机取得良好的控制效果。随 着矢量控制技术和直接力矩控制技术的出现， 以及大 功率全控式电力电子器件和高性能微处理器的快速发 展， 促进了数字交流伺服系统的发展和应用， 并显示出 取代直流伺服系统的趋势。 数字交流伺服系统比较上述的其他伺服系统而 言， 有如下明显的优点： 1）微型计算机控制系统能显著降低控制器硬件 成本， 控制器的体积小、 重量轻、 耗能少。 2）由于微型计算机的不断发展以及一些为数字 交流伺服系统专门设计的大规模集成电路的开发成 功， 系统的连线减到最少， 其平均无故障时间 （MTBF） 有了很大的提高。 3）数字电路不存在温度漂移问题， 不存在参数变 化的影响， 除量化误差外， 内部计算 100%准确。 4）软件设计具有很大的灵活性， 它能够取代模拟 伺服系统中的许多控制和解算功能， 利用软件控制可 以进行系统的在线调节， 软件版本还可以升级换代。 5）数字交流伺服系统可以完成许多复杂的功能， 如指令、 给定、 反馈、 校正、 运算、 判断、 监控、 报警、 数据 处理、 故障诊断、 状态分析、 矢量坐标变换、 触发控制、 SPWM 脉冲产生等。 6）由于采用正弦交流永磁同步电动机， 彻底解决 ·76·
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火炮伺服系统发展趋势
王星民， 段
摘
霞
030024）
要： 火炮伺服系统作为火控系统的重要组成部分， 直接影响到整个武器系统的性能。文中介绍了火炮伺服系
（国营第 785 厂一所， 山西 太原
统的分类， 发展过程及发展趋势， 并对火炮数字交流伺服系统的特点及工作原理进行了论述， 提出了数字交流伺服 系统具有明显的优越性， 目前已成为伺服系统的推广技术， 并将逐步取代直流伺服系统。 关键词： 火控系统； 伺服系统； 数字交流伺服系统 中图分类号： TJ30 文献标识码： A 文章编号： 1003-773X （2011） 06-0075-03
[1]
了炭刷磨损和换向器火花干扰问题， 同时， 控制特性也 达到了与直流电动机控制特性相媲美的程度。 4 火炮数字交流伺服系统设计的工作原理 系统中采用了 DSP 处理器为控制系统的核心， DSP 处理器主要用作位置调节器、 速度调节器、 电流调 节器以及逆变器驱动 SVPWM 信号的计算， 控制策略 采用了 dq 电流控制策略。其具体控制方式简述如下： 位置传感器检测系统负载的实际位置信号与给定的位 置信号相比较， 得到位置偏差信号， 经位置调节器 PID 调节后， 输出转子转速给定信号； 实际转子转速信号由 实际转子的位置信号经过微分后得到， 与转子转速给 定信号比较， 形成速度偏差信号， 经转速调节器输出交 轴电流指令， 并根据转子转速确定直轴电流指令； 电气 检测传感器对电机的三相电流和直流母线电压进行检 测， 利用转子位置角信号进行坐标变换， 计算出实际的 直轴电流指令和交轴电流指令。直轴和交轴电流和实 际的交、 直轴电流比较， 分别得到直轴与交电流分量的 偏差信号， 根据电流调节器控制算法分别获得直轴和 交轴电压指令信号， 再经过 Park 逆变换得到定子静止 两相坐标系统中的电压指令信号， 最后利用电压空间 矢量调制技术获得实际三相电压的 SVPWM 信号， 控 制电压源逆变器开关状态， 使得三相永磁同步电机按 照指令信号的要求工作 。 PMSM 矢量控制的结构框图， 见图 1 所示。
[1] [2] 郭庆鼎， 孙宝标， 王丽梅. 现代永磁电动机交流伺服系统 参考文献
图 1 PMSM 矢量控制图
卢志刚， 吴杰， 吴潮.数字伺服控制系统与设计[M].北京： 机 械工业出版社， 2007.
[M].北京： 中国电力出版社， 2006.
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图 1 中我们可以看出， 电流环作为内环， 是最基础 的电磁过程控制， 速度控制是中环， 位置控制是外环。 5 结束语 随着电子电力学、 微电子技术以及现代控制理论 的迅速发展,加之数字交流伺服系统调速性能好、 效率 高、 体积小、 重量轻、 转动惯量小、 维护简单和可靠性高 等优点， 使得在火炮伺服系统领域数字交流伺服系统 已成为发展趋势。目前, 我厂已成功开发出火炮交流 伺服系统。
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故可通过改变电动机的电流频率来改变其同步转 速， 从而改变主动齿轮转速， 也就改变传动齿轮的激振 频率。 2.3 激振频率 推焦杆工作中， 会受到齿轮啮合力、 支撑运动等激 振力及摩擦力会引起推焦杆的自激振动。推焦杆在激 励的频率或某一谐波分量的频率接近或等于系统的固 有频率时， 系统将发生强烈的振动或共振。 2.4 阻力因素 推焦杆前进过程中的推焦阻力主要是： 将焦炭推 出炭化室所需要的推焦力和滑靴产生的摩擦力。推焦 杆的重力主要集中在各个支承辊和滑履装置上。推焦 杆前进过程中， 支撑作用的支撑辊数量逐渐减少， 每个 支撑的分力增加， 摩擦力也会相应增加； 同时由于焦炭 的推出， 推动焦炭所需推力逐渐减小。根据推焦电流 变化， 可以推测阻力变化， 阻力有一个最大值减小过 程， 在推焦杆推出一段距离后， 又有一个阻力增大状 况， 最后达到一个最大值。 3 推焦杆共振现象的消除[2] 1）确保推焦杆上各部分的螺栓没有松动， 焊缝处 没有开焊现象， 以保证推焦杆的刚度。2）改变滑履装 置的结构。图 4 结构是： 滑履上部与推焦杆下表面进 行焊接， 滑靴体与滑履上部的连接是用螺栓连接； 滑靴 体与滑板座通过销轴连接； 滑板座与导板通过螺栓连 接。由于推焦杆在工作行进中会产生一定的振动， 加 之炭化室内部的环境较恶劣， 这会导致滑履装置处的 螺栓连接在振动及腐蚀的影响下， 逐渐松动， 从而加大 了推焦过程中振动所带来的影响。图 5 结构是： 滑履 上部直接与推焦杆下表面焊接， 滑履上部与下部之间 是通过销轴连接， 滑履下部与滑履连接板通过销轴连 接； 改进后的结构既降低了滑履上部的高度， 又消除了 其他振动导致螺栓连接松动对滑履装置的影响。 3） 保证推焦杆运动过程中齿轮与齿条的啮合精度， 减少
0 引 言 火炮火控系统是控制射击武器与发射设备的总 称, 是火炮武器系统的一个重要组成部分。它主要由 目标观测系统、 火控计算机(前身为火炮指挥仪)、 火炮 伺服系统等几部分组成。火炮伺服系统通过传输设备 接收炮位计算机传送的方位及俯仰信息, 完成对目标 的准确跟踪,并控制火炮射击目标。由此可见,伺服系 统直接关系到火控系统的射击精度和毁伤概率。 1 伺服系统分类 1.1 按配属炮种分类 1）高炮伺服系统； 2）舰炮伺服系统； 3）航炮伺服 系统； 4）其他火炮伺服系统。 1.2 按工作介质分类 1）电气伺服系统； 2）电液伺服系统。 1.3 按信号特点分类 1）模拟伺服系统。 （1） 模拟直流伺服系统； （2） 模 拟交流伺服系统。 2）数字伺服系统。 （1） 数字直流伺服系统； （2） 数 字交流伺服系统。 2 火炮伺服系统的发展过程 火炮伺服系统是角度位置伺服系统， 角度位置伺 服系统和调速系统一样也是一种反馈控制系统， 确切 地说是角度位置反馈控制系统。 2.1 模拟直流伺服系统 传统的角度位置反馈系统是模拟直流伺服系统。 在火炮武器系统中， 57 mm 高射炮、 59-3 型指挥仪、 瞄-5 雷达的伺服系统就是典型的模拟直流伺服系统， 即使是 1999 年设计定型的双 35 mm 牵引高炮系统， 尽 管有一些数字解算电路， 但基本框架仍属于模拟直流 伺服系统。 模拟直流伺服系统的电机是直流电动机， 控制和 驱动部分均为模拟电路， 速度传感器为测速发电机， 角 度位置传感器为旋转变压器或自整角机。 模拟直流伺服系统经过半个多世纪的发展和应 用， 为火炮武器系统作出了巨大贡献， 时至今日， 无论 是理论上还是实践上， 它的发展空间已经十分有限
齿轮与齿条的冲击力， 减小支撑运动的振幅， 进而减轻 [3] 推焦杆的振动 。
1-滑履上部;2-滑靴体;3-滑板座;4-导板;5-滑板
了。虽然控制器已由电子管、 晶体管、 磁放大器、 运算 放大器发展到模拟集成电路， 驱动器已由电机扩大机、 晶闸管发展到各种电力电子器件， 但是， 模拟直流伺服 系统的体积笨重， 功耗大， 小信号时的漂移严重， 整定 难等缺点， 再加上直流电动机的碳刷磨损和换向器的 火花干扰等严重制约了它的发展。 2.2 模拟交流伺服系统 在 59 式指挥仪中， 共有 5 组用双相异步电动机作 为执行电机的伺服系统。它们的用途主要是自动解方 程， 求取目标未来点的参数。这种电机显然不存在炭 刷磨损和换相器的火花干扰问题， 双相异步电动机有 两个绕组， 它们的轴线在空间上正交， 同时两个绕组中 的电压也要构成正交， 这样才能形成旋转磁场。如果 一个绕组用交流电压固定激磁， 另一绕组只需改变控 制电压的幅度， 便可实现转速调节。 双相异步电动机的机械特性和调整特性并不十分 理想， 由于它存在着很大的非线性， 不但调速范围有 限， 在指挥仪中的输出功率也只有十几瓦。 2.3 数字直流伺服系统 伴随着微处理器的迅速发展， 数字直流伺服系统 也得到了相应的发展， 用微型计算机及其接口电路取 代传统的模拟电路， 解决控制和解算问题； 用 PWM 技 术和电力电子器件去驱动直流电动机的电枢绕组， 以 获得电磁转矩和输出功率； 除直流电动机外， 控制和驱 动大部分均为数字电路。 从 20 世纪 90 年代中期开始， 国营 785 厂为空军某 产品研制了导弹发射车方位和高低伺服系统。在该系 统中， 微处理器加上大规模数字集成电路使控制和解 算灵活、 简单； 驱动部分则采用了 PWM 技术和 IGBT 等 电力电子器件， 使系统体积减少， 功耗降低。这一套伺 服系统在经过各种环境适应性试验和多次靶场实弹射 击试验后， 已经完成了设计定型并开始批量生产。该 产品的研制成功为国营 785 厂在数字直流伺服系统这 个领域打下了坚实的基础。 2.4 数字交流伺服系统 交流伺服电动机与电子器件相结合， 构成数字交