CN107726927B - 一种基于固定翼鸭舵双旋弹的修正力矩控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于固定翼鸭舵双旋弹的修正力矩控制系统，弹仓与整流罩通过三相永磁电机相连接，磁力计的输出端及GPS模块的输出端均通过第一信号调理电路与电机控制器相连接，三相永磁电机包括旋变线圈、三相电机定子绕组及供电线圈，其中，旋变线圈经第二信号调理电路与电机控制器相连接，电源系统与MOS管驱动电路的电源接口、供电线圈及电机控制器的电源接口相连接，电机控制器的输出端与MOS管驱动电路的控制端相连接，MOS管驱动电路与MOS管的栅极相连接，MOS管的漏极及源极经三相桥式整流电路与三相电机定子绕组相连接，该系统能够实现基于固定翼鸭舵双旋弹的修正力矩控制。
Description
技术领域
本发明涉及一种修正力矩控制系统，具体涉及一种基于固定翼鸭舵双旋弹的修正力矩控制系统。
背景技术
为了提高火炮的打击精度，使炮弹具有一定的制导能力，近年来不少国家和地区对旋转稳定弹开展了结构设计方面的研究。发展出基于增阻结构的一维修正弹、基于增阻和减旋结构的二维修正弹、脉冲修正弹和滑块修正弹。这些炮弹通过增加一些能够给炮弹弹体提供修正力矩的执行机构，使得炮弹具有一定的落点修正能力。
然而，一维修正弹、二维修正弹和脉冲修正弹因为力矩执行机构的动作是离散的，甚至是一次性控制的，并不能输出连续平稳的控制量，使得该结构的修正弹控制精度较低，而滑块修正弹由于其内部的力矩输出结构极其复杂，造成其工艺制造困难，并不具有实际的应用价值。
目前最具发展潜力的有控旋转弹是固定翼鸭舵双旋弹，其由整流罩(包含固定式鸭舵和传感器)和弹仓(包含力矩修正控制系统和火药)两部分组成，二者间采用轴承连接，飞行过程中可分别以低速(十几转每秒)和高速(几千至上万转每秒)绕弹体纵轴旋转。当炮弹发射时，双旋弹弹体在膛线的作用下对大地(静止坐标系)高速旋转，使得炮弹整体表现为一个“陀螺”，具有一定的静稳定性，而整流罩在一对减旋舵的作用下减速，相对大地低速旋转，使得该执行机构易于控制。但从目前国内外对固定翼双旋弹结构的研究看来，以机械结构设计和流体动力学分析为主，并且在相关的研究内容中，偏重于理论分析和工程设想，而具体的实现过程不详，甚至部分理论分析也过于理想化，并不具有实际应用的价值。在目前还没有一种实际可行的基于固定翼鸭舵双旋弹的修正力矩控制系统。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于固定翼鸭舵双旋弹的修正力矩控制系统，该系统能够实现基于固定翼鸭舵双旋弹的修正力矩控制。
为达到上述目的，本发明所述的基于固定翼鸭舵双旋弹的修正力矩控制系统包括三相永磁电机、设置于整流罩内的磁力计及GPS模块、以及设置于弹仓内的第一信号调理电路、第二信号调理电路、电机控制器、MOS管驱动电路、MOS管、电源系统及三相桥式整流电路，其中，弹仓与整流罩通过三相永磁电机相连接，磁力计的输出端及GPS模块的输出端均通过第一信号调理电路与电机控制器相连接，三相永磁电机包括旋变线圈、三相电机定子绕组及供电线圈，其中，旋变线圈经第二信号调理电路与电机控制器相连接，电源系统与MOS管驱动电路的电源接口、供电线圈及电机控制器的电源接口相连接，电机控制器的输出端与MOS管驱动电路的控制端相连接，MOS管驱动电路与MOS管的栅极相连接，MOS管的漏极及源极经三相桥式整流电路与三相电机定子绕组相连接。
还包括第一红外光通信模块及第二红外光通信模块，第一信号调理电路包括第一信号调理模块及第二信号调理模块，其中，第一信号调理模块及第二信号调理模块均包括依次相连接的第一信号放大电路、第一信号整形电路及UART接收模块，其中，磁力计的输出端经第一红外光通信模块与第一信号调理模块中第一信号放大电路的输入端相连接，第一信号调理电路中的UART接收模块与电机控制器的输入端相连接，GPS模块的输出端与第二信号调理模块中第一信号放大电路的输入端相连接，第二信号调理模块中的UART接收模块与电机控制器相连接。
所述第二信号调理电路包括第一电阻、第一电容、信号源、第二信号放大电路、第二信号整形电路及PCA测频模块，其中，旋变线圈的一端与信号源及第一电阻的一端相连接，第一电阻的另一端与第一电容的一端及第二信号放大电路的输入端相连接，第一电容的另一端及旋变线圈的另一端均接地，第二信号放大电路的输出端依次经第二信号整形电路及PCA测频模块与电机控制器的输入端相连接。
电源系统包括第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、同步Buck电路、非同步Buck电路及LDO线性稳压电路，其中，供电线圈的一端与第一二极管的正极及第三二极管的负极相连接，供电线圈的另一端与第二二极管的正极及第四二极管的负极相连接，第三二极管的正极、第四二极管的正极及电源电容的一端均接地，第一二极管的负极、第二二极管的负极及电源电容的另一端均与同步Buck电路的输入端相连接，同步Buck电路的输出端与MOS管驱动电路的电源端及非同步Buck电路的输入端相连接，非同步Buck电路的输出端经LDO线性稳压电路与电机控制器的电源端相连接。
还包括保护电路、采样电阻及放大器，保护电路包括保护二极管、保护电阻及保护电容，MOS管的漏极与保护二极管的正极及保护电阻的一端相连接，保护二极管的负极及保护电阻的另一端均与保护电容的一端相连接，MOS管的源极与采样电阻的一端、放大器的输入端及保护电容的另一端相连接，放大器的输出端与电机控制器的输入端相连接。
还包括弹载计算机以及与弹载计算机相连接的存储器，电机控制器包括数据处理器及自适应滑模控制器，其中，数据处理器的输入端与第一信号调理电路的输出端及第二信号调理电路的输出端相连接，数据处理器的输出端与弹载计算机的输入端相连接，自适应滑模控制器包括减法器、微分器、第一乘法器、n次幂计算器、第一限幅电路、第二乘法器、第三乘法器、第一加法器、第二加法器及第二限幅电路，其中，弹载计算机的输出端及放大器的输出端与减法器的输入端相连接，减法器的输出端与微分器的输入端及第一乘法器的输入端相连接，微分器的输出端及第一乘法器的输出端与第一加法器的输入端相连接，第一加法器的输出端与n次幂计算器的输入端及第一限幅电路的输入端相连接，第一限幅电路的输出端与第二乘法器的输入端相连接，第二乘法器的输出端与积分器的输入端相连接，n次幂计算器的输出端与第三乘法器的输入端相连接，积分器的输出端及第三乘法器的输出端均与第二加法器的输入端相连接，第二加法器的输出端与第二限幅电路的输入端相连接，第二限幅电路的输出端经MOS管驱动电路与MOS管的栅极相连接。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的基于固定翼鸭舵双旋弹的修正力矩控制系统在具体操作时，通过磁力计及GPS模块测量整流罩的磁力信息及位置信息，然后将磁力计及GPS模块测量得到的数据经第一信号调理电路输入至电机控制器中，电机控制器根据磁力计及GPS模块测量得到的数据计算鸭舵对地角度，并根据鸭舵的对地角度确定预设平均法向力；通过第二信号调理电路采集与弹体旋转频率相等的正弦信号并将该正弦信号进行处理后得同频率的TTL信号，电机控制器根据该同频率的TTL信号的频率获取弹体的转动速度ω(t)，同时根据弹体的转动速度ω(t)及预设平均法向力计算鸭舵的实际平均法向力，再将根据该实际平均法向力控制三相永磁电机，以实现基于固定翼鸭舵双旋弹的修正力矩控制。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的电路原理图；
图3为电源系统14的电路图；
图4为第一信号调理电路6的结构示意图；
图5为第二信号调理电路7的结构示意图；
图6为固定翼鸭舵平均周期法向力示意图；
图7为三相桥式整流电路11的原理图；
图8为本发明中自适应滑模控制器的电路图；
图9为本发明中自适应滑模控制器的原理图。
其中，1为整流罩、2为三相永磁电机、3为弹仓、4为磁力计、5为GPS模块、6为第二信号调理电路、7为第一信号调理电路、8为电机控制器、9为MOS管驱动电路、10为MOS管、11为三相桥式整流电路、12为存储器、13为弹载计算机、14为电源系统、15为同步Buck电路、16为非同步Buck电路、17为LDO线性稳压电路、18为第一信号放大电路、19为第一信号整形电路、20为UART接收模块、21为第二信号放大电路、22为第二信号整形电路、23为PCA测频模块、24为放大器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1及图2，本发明所述的基于固定翼鸭舵双旋弹的修正力矩控制系统包括三相永磁电机2、设置于整流罩1内的磁力计4及GPS模块5、以及设置于弹仓3内的第一信号调理电路6、第二信号调理电路7、电机控制器8、MOS管驱动电路9、MOS管10、电源系统14及三相桥式整流电路11，其中，弹仓3与整流罩1通过三相永磁电机2相连接，磁力计4的输出端及GPS模块5的输出端均通过第一信号调理电路6与电机控制器8相连接，三相永磁电机2包括旋变线圈、三相电机定子绕组及供电线圈，其中，旋变线圈经第二信号调理电路7与电机控制器8相连接，电源系统14与MOS管驱动电路9的电源接口、供电线圈及电机控制器8的电源接口相连接，电机控制器8的输出端与MOS管驱动电路9的控制端相连接，MOS管驱动电路9与MOS管10的栅极相连接，MOS管10的漏极及源极经三相桥式整流电路11与三相电机定子绕组相连接。
参考图4，本发明还包括第一红外光通信模块及第二红外光通信模块，第一信号调理电路6包括第一信号调理模块及第二信号调理模块，其中，第一信号调理模块及第二信号调理模块均包括依次相连接的第一信号放大电路18、第一信号整形电路19及UART接收模块20，其中，磁力计4的输出端经第一红外光通信模块与第一信号调理模块中第一信号放大电路18的输入端相连接，第一信号调理电路6中的UART接收模块20与电机控制器8的输入端相连接，GPS模块5的输出端与第二信号调理模块中第一信号放大电路18的输入端相连接，第二信号调理模块中的UART接收模块20与电机控制器8相连接。
参考图5，所述第二信号调理电路7包括第一电阻、第一电容、信号源、第二信号放大电路21、第二信号整形电路22及PCA测频模块23，其中，旋变线圈的一端与信号源及第一电阻的一端相连接，第一电阻的另一端与第一电容的一端及第二信号放大电路21的输入端相连接，第一电容的另一端及旋变线圈的另一端均接地，第二信号放大电路21的输出端依次经第二信号整形电路22及PCA测频模块23与电机控制器8的输入端相连接。
参考图3，电源系统14包括第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、同步Buck电路15、非同步Buck电路16及LDO线性稳压电路17，其中，供电线圈的一端与第一二极管的正极及第三二极管的负极相连接，供电线圈的另一端与第二二极管的正极及第四二极管的负极相连接，第三二极管的正极、第四二极管的正极及电源电容的一端均接地，第一二极管的负极、第二二极管的负极及电源电容的另一端均与同步Buck电路15的输入端相连接，同步Buck电路15的输出端与MOS管驱动电路9的电源端及非同步Buck电路16的输入端相连接，非同步Buck电路16的输出端经LDO线性稳压电路17与电机控制器8的电源端相连接。
参考图7，本发明还包括保护电路、采样电阻及放大器24，保护电路包括保护二极管、保护电阻及保护电容，MOS管10的漏极与保护二极管的正极及保护电阻的一端相连接，保护二极管的负极及保护电阻的另一端均与保护电容的一端相连接，MOS管10的源极与采样电阻的一端、放大器24的输入端及保护电容的另一端相连接，放大器24的输出端与电机控制器8的输入端相连接。
参考图8，本发明还包括弹载计算机13以及与弹载计算机13相连接的存储器12，电机控制器8包括数据处理器及自适应滑模控制器，其中，数据处理器的输入端与第一信号调理电路6的输出端及第二信号调理电路7的输出端相连接，数据处理器的输出端与弹载计算机13的输入端相连接，自适应滑模控制器包括减法器、微分器、第一乘法器、n次幂计算器、第一限幅电路、第二乘法器、第三乘法器、第一加法器、第二加法器及第二限幅电路，其中，弹载计算机13的输出端及放大器24的输出端与减法器的输入端相连接，减法器的输出端与微分器的输入端及第一乘法器的输入端相连接，微分器的输出端及第一乘法器的输出端与第一加法器的输入端相连接，第一加法器的输出端与n次幂计算器的输入端及第一限幅电路的输入端相连接，第一限幅电路的输出端与第二乘法器的输入端相连接，第二乘法器的输出端与积分器的输入端相连接，n次幂计算器的输出端与第三乘法器的输入端相连接，积分器的输出端及第三乘法器的输出端均与第二加法器的输入端相连接，第二加法器的输出端与第二限幅电路的输入端相连接，第二限幅电路的输出端经MOS管驱动电路9与MOS管10的栅极相连接。
参考图1，以本发明作为弹道修正组件，在弹体上，整流罩1的外部间隔90°安装一对同向舵翼及一对反向舵翼，炮弹出膛时，反向舵翼会在炮弹发射后使整个弹道修正组件反旋，使得整流罩1能够在较短时间内减速，而弹仓3部分仍然保持高速旋转，设整流罩1部分的转速为ω1，弹舱速度为ω2，则整流罩1相对于弹仓3的转速为ω1+ω2，弹仓3及整流罩1通过三相永磁电机2相连接。
同步Buck电路15基于LM5018芯片设计而成，能够将高压直流电转换为15V的低压直流电，并为MOS管驱动电路9供电，非同步Buck电路16基于MP2451芯片设计而成，可以将15V的低压直流电转换为5V的低压直流电为电机控制器8供电，具体电路如图3所示。
参考图5，旋变线圈能够感生出频率与弹体旋转频率相等的正弦信号，将正弦信号经过滤波、放大及整形后，得同频率的TTL信号，同频率的TTL信号经PCA测频模块23测频后输入至第一数据处理器中，第一数据处理器根据所述同频的TTL信号的频率计算弹体的转动速度ω(t)，再将体的转动速度ω(t)经自适应律后输入至第一乘法器中。
参考图6，固定翼双旋弹修正落点通过固定翼鸭舵减速的方式控制鸭舵在每个角度上停留的时间，通过周期平均法向力使弹道弯曲，完成对炮弹轨迹的修正；当弹道修正组件从A到B以角速度ω旋转半个周期时，动力学法向力模值为|FR|，则平均法向力为：
平均法向力的方向与弹道修正组件旋转1/4周期时舵面升力方向相同；弹道修正组件经T1时间以前半周期角速度ω1、经T2时间以后半周期角速度ω2旋转一周时，平均法向力为：
其中，随着增大，平均法向力模值也越大，固定翼双旋弹的修正能力就越强，反向翼开始减速的位置通过所需修正力矩的方向确定，而反向翼减速的快慢决定了平均法向力的大小，通过控制所述平均法向力实现弹体轨迹的修正，在实际操作时，存储器12中存储有反向翼开始减速的位置与预设平均法向力方向的映射关系，即反向翼开始减速的位置超前平均法向力的方向90度。
为了能正确合理地控制弹道修正组件的减速过程，基于传统的转速电流双闭环控制系统，本发明设计了对应的自适应滑模控制器，具体结构如图8所示，在实际操作时，本发明中的数据处理器根据GPS模块5及磁力计4检测得到的数据计算当前鸭舵对地角度，然后根据当前鸭舵对地角度确定反向翼开始减速的位置信息，再将反向翼开始减速的位置信息发送至弹载计算机13中，弹载计算机13根据反向翼开始减速的位置信息查找预设平均法向力大小μ，再将查找到的查找预设平均法向力大小μ发送至减法器中，然后再经自适应滑模控制器计算实际平均法向力y，然后根据所述实际平均法向力y通过MOS管驱动电路9驱动MOS管10，使鸭舵受到的平均法向力等于所述实际平均法向力y。
由于弹体在飞行过程中的不同阶段转速差异较大，使得弹体的等效发电机产生的电压也不尽相同，从而电流的输出响应表征为一个二阶线性时变模型，传统的PI线性控制器很难在全范围保障电流输出系统的闭环增益稳定性，故在本发明中引入自适应滑模控制器对电流进行控制，保障控制系统的鲁棒性，其控制框图如图9所示，滑模变结构控制中，滑模面状态变量一般取为误差及误差的各阶导数，滑模面设计成线性滑模面，用根号关系取代传统控制器对误差的线性关系，使得误差较小时输出量会增大一些，而误差较大时输出量会减少一些；以饱和函数取代传统的积分，解决了传统控制器中积分饱和的问题，让自适应滑模控制器的鲁棒性较好，为了解决弹体电机在不同转速下输出电流的问题，对滑模面参数p引入自适应律，将当前弹体的转速ω(t)引入自适应律，自适应律采用线性变化关系，当电机转速较高时，通过自适应律降低滑模面参数p，使得滑模面缩小；而电机转速较低时，将滑模面进行放大，使得滑模面在不同尺度下具有合适的尺度，从而完成自适应控制过程。
综上所示，当需要输出特定方向上的力矩时，选择转速环开始工作的时刻，通过转速电流双闭环控制，完成对固定鸭舵的制动，从而输出特定大小及方向的周期平均法向力，完成弹道修正过程。
Claims (6)
1.一种基于固定翼鸭舵双旋弹的修正力矩控制系统，其特征在于，包括三相永磁电机(2)、设置于整流罩(1)内的磁力计(4)及GPS模块(5)、以及设置于弹仓(3)内的第一信号调理电路(6)、第二信号调理电路(7)、电机控制器(8)、MOS管驱动电路(9)、MOS管(10)、电源系统(14)及三相桥式整流电路(11)，其中，弹仓(3)与整流罩(1)通过三相永磁电机(2)相连接，磁力计(4)的输出端及GPS模块(5)的输出端均通过第一信号调理电路(6)与电机控制器(8)相连接，三相永磁电机(2)包括旋变线圈、三相电机定子绕组及供电线圈，其中，旋变线圈经第二信号调理电路(7)与电机控制器(8)相连接，电源系统(14)与MOS管驱动电路(9)的电源接口、供电线圈及电机控制器(8)的电源接口相连接，电机控制器(8)的输出端与MOS管驱动电路(9)的控制端相连接，MOS管驱动电路(9)与MOS管(10)的栅极相连接，MOS管(10)的漏极及源极经三相桥式整流电路(11)与三相电机定子绕组相连接。
2.根据权利要求1所述的基于固定翼鸭舵双旋弹的修正力矩控制系统，其特征在于，还包括第一红外光通信模块及第二红外光通信模块，第一信号调理电路(6)包括第一信号调理模块及第二信号调理模块，其中，第一信号调理模块及第二信号调理模块均包括依次相连接的第一信号放大电路(18)、第一信号整形电路(19)及UART接收模块(20)，其中，磁力计(4)的输出端经第一红外光通信模块与第一信号调理模块中第一信号放大电路(18)的输入端相连接，第一信号调理电路(6)中的UART接收模块(20)与电机控制器(8)的输入端相连接，GPS模块(5)的输出端与第二信号调理模块中第一信号放大电路(18)的输入端相连接，第二信号调理模块中的UART接收模块(20)与电机控制器(8)相连接。
3.根据权利要求1所述的基于固定翼鸭舵双旋弹的修正力矩控制系统，其特征在于，所述第二信号调理电路(7)包括第一电阻、第一电容、信号源、第二信号放大电路(21)、第二信号整形电路(22)及PCA测频模块(23)，其中，旋变线圈的一端与信号源及第一电阻的一端相连接，第一电阻的另一端与第一电容的一端及第二信号放大电路(21)的输入端相连接，第一电容的另一端及旋变线圈的另一端均接地，第二信号放大电路(21)的输出端依次经第二信号整形电路(22)及PCA测频模块(23)与电机控制器(8)的输入端相连接。
4.根据权利要求1所述的基于固定翼鸭舵双旋弹的修正力矩控制系统，其特征在于，电源系统(14)包括第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、同步Buck电路(15)、非同步Buck电路(16)及LDO线性稳压电路(17)，其中，供电线圈的一端与第一二极管的正极及第三二极管的负极相连接，供电线圈的另一端与第二二极管的正极及第四二极管的负极相连接，第三二极管的正极、第四二极管的正极及电源电容的一端均接地，第一二极管的负极、第二二极管的负极及电源电容的另一端均与同步Buck电路(15)的输入端相连接，同步Buck电路(15)的输出端与MOS管驱动电路(9)的电源端及非同步Buck电路(16)的输入端相连接，非同步Buck电路(16)的输出端经LDO线性稳压电路(17)与电机控制器(8)的电源端相连接。
5.根据权利要求1所述的基于固定翼鸭舵双旋弹的修正力矩控制系统，其特征在于，还包括保护电路、采样电阻及放大器(24)，保护电路包括保护二极管、保护电阻及保护电容，MOS管(10)的漏极与保护二极管的正极及保护电阻的一端相连接，保护二极管的负极及保护电阻的另一端均与保护电容的一端相连接，MOS管(10)的源极与采样电阻的一端、放大器(24)的输入端及保护电容的另一端相连接，放大器(24)的输出端与电机控制器(8)的输入端相连接。
6.根据权利要求1所述的基于固定翼鸭舵双旋弹的修正力矩控制系统，其特征在于，还包括弹载计算机(13)以及与弹载计算机(13)相连接的存储器(12)，电机控制器(8)包括数据处理器及自适应滑模控制器，其中，数据处理器的输入端与第一信号调理电路(6)的输出端及第二信号调理电路(7)的输出端相连接，数据处理器的输出端与弹载计算机(13)的输入端相连接，自适应滑模控制器包括减法器、微分器、第一乘法器、n次幂计算器、第一限幅电路、第二乘法器、第三乘法器、第一加法器、第二加法器及第二限幅电路，其中，弹载计算机(13)的输出端及放大器(24)的输出端与减法器的输入端相连接，减法器的输出端与微分器的输入端及第一乘法器的输入端相连接，微分器的输出端及第一乘法器的输出端与第一加法器的输入端相连接，第一加法器的输出端与n次幂计算器的输入端及第一限幅电路的输入端相连接，第一限幅电路的输出端与第二乘法器的输入端相连接，第二乘法器的输出端与积分器的输入端相连接，n次幂计算器的输出端与第三乘法器的输入端相连接，积分器的输出端及第三乘法器的输出端均与第二加法器的输入端相连接，第二加法器的输出端与第二限幅电路的输入端相连接，第二限幅电路的输出端经MOS管驱动电路(9)与MOS管(10)的栅极相连接。
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2017
- 2017-10-19 CN CN201710996893.3A patent/CN107726927B/zh active Active
Patent Citations (4)
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