CN108336931B - 基于永磁发电机的弹道修正弹的修正控制电路及控制方法 - Google Patents

基于永磁发电机的弹道修正弹的修正控制电路及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开的基于永磁发电机的弹道修正弹的修正控制电路，发电绕组与单相不控整流电路相连，单相不控整流电路接入DC‑DC电路、还与稳压电源相连后，与数字控制器相连；控制绕组的输出与三相不控整流电路相连，通过第二功率开关管连接负载电路；检测绕组通过检测电路与数字控制器相连，数字控制器通过通信电路与弹体姿态解算装置相连。本发明还公开了上述电路的修正控制方法，首先数字控制器记录弹体的目标位置，弹体发射后，修正系统上电，数字控制器通过检测绕组测定发电机转速，然后计算实际弹道与预定弹道的偏差，最后数字控制器结合偏差和发电机的转速来修正弹体弹道。本发明的修正控制电路和控制方法提高了修正过程的准确性、快速性。

Description

基于永磁发电机的弹道修正弹的修正控制电路及控制方法
技术领域
本发明属于计算机应用电力电子技术领域，涉及一种基于永磁发电机的弹道修正弹的修正控制电路及控制方法。
背景技术
在现代战争的应用需求背景下，伴随着激烈的竞争，怎样提高炮弹的射击精度以及减少弹药消耗便成为弹药实用性提高的关键问题，因此，弹道修正弹便应运而生，其具有精度高、成本低、射程远、能批量生产的优点，而且弹道修正弹极其适合于现代战争需要。目前，国内的修正弹修正技术发展比较缓慢，在基于GPS/INS(捷联惯导)和自适应鸭舵装置等技术完成二维弹道修正功能等技术方面也取得了一定的进步，但是，对于永磁电机做修正舵机，十字尾翼为修正翼的修正弹修正技术研究目前国内基本对这方面的研究比较空白。
修正弹技术目前主要有两类：一类是利用喷气修正的小型推冲器，可实现对弹道的二维(射程及射向)修正，该修正技术的缺点是修正过程中无法实现连续的调节修正，修正力度往往难以把控；另一类是利用空气动力的修正机构，又分两种：一种是空气阻尼修正机构(一维修正机构)，仅在超越射击情况下对弹道进行一维(射程)修正，该技术只能进行一维修；另一种是基于空气动力鸭舵控制的二维弹道修正弹，这种执行机构驱动灵活，适应能力强，本发明在基于空气动力鸭舵控制修正技术的基础上以十字尾翼为修正翼，永磁发电机为修正舵机，提出了一种可以修正调节连续，可以快速调节偏差角，实时检测弹体姿态并且尽量不占用弹体空间并实现数字化的新方法，在此基础上研制能够达到良好的修正效果的修正执行装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于永磁发电机的弹道修正弹的修正控制电路，解决了传统修正弹修正技术中存在的结构复杂占用弹体空间大、修正调节速度慢、弹体供电不足的问题。
本发明还提供了一种基于永磁发电机的弹道修正弹的修正控制电路的控制方法。
本发明所采用的技术方案是，基于永磁发电机的弹道修正弹的修正控制电路，包括连接在永磁发电机上的发电绕组、三相控制绕组和检测绕组，发电绕组与隔离变压器a相连，隔离变压器a与单相不控整流电路相连，单相不控整流电路的输出正极接入DC-DC电路的正极，单相不控整流电路的输出正极还与稳压电源相连，稳压电源与数字控制器相连，单相不控整流电路的输出负极与GND相连；
三相控制绕组的输出正极与三相不控整流电路相连，三相不控整流电路的输出正极连接电阻b的一端，电阻b的另一端与第二功率开关管的源极相连，第二功率开关管的漏级与三相不控整流电路的输出负极相连，三相控制绕组的输出负极与GND相连；
检测绕组与隔离降压变压器b相连，隔离降压变压器b与检测电路相连，检测电路与数字控制器相连，数字控制器与通信电路相连，通信电路与弹体姿态解算装置相连。
本发明的其他特点还在于，
DC-DC电路包括第一功率开关管，单相不控整流电路的输出正极与第一功率开关管的源极相连，第一功率开关管的漏级与电感相连，第一功率开关管的漏级还与二极管的阴极相连，二极管的阳极与功率输出端相连，电感与功率输出端相连，电感和功率输出端之间还连接有电容，电容上还并联有电阻a，功率输出端与电压检测相连，电压检测与数字控制器相连。
第一功率开关管的栅极和第二功率开关管的栅极与驱动电路相连，驱动电路与数字控制器相连。
三相不控整流电路由三组两两串联的二极管并联组成。
本发明的另一技术方案是，一种利用上述的基于永磁发电机的弹道修正弹的修正控制电路的修正控制方法，包括以下几个步骤：
步骤1.炮弹发射前，地面通信装置首先通过通信电路传输预定的弹体弹道信息以及目标点信息给修正控制系统的数字控制器，作为弹体弹道修正的基准；
步骤2.弹体发射后处于弹道初段时，弹体上的十字固定尾翼在气动力的作用下做弹丸高速旋转，控制永磁发电机开始工作，整个修正系统上电启动；
步骤3.修正系统上电启动后，数字控制器控制第一功率开关管接通，形成电压的闭环控制，同时数字控制器通过检测电路检测此刻永磁发电机相对于大地的转速，并对永磁发电机的转速进行实时检测；
步骤4.弹体姿态解算装置通过通信电路将目前弹体所处实际弹道传送给数字控制器；
步骤5.数字控制器根据步骤4得到的弹体的实际弹道位置，计算出目前弹体弹道和预期弹体弹道的偏差值，进行修正弹体弹道。
步骤2中修正系统上电启动的具体操作如下：
永磁发电机开始工作后，发电绕组通电经过隔离变压器a降压后输送给单相不控整流，单相不控整流将交流电整流成直流电传输给稳压电源，稳压电源提供稳定电压给数字控制器，用以提供修正系统上电。
步骤5中数字控制器修正弹道的具体操作如下：
步骤5.1如果数字控制器计算出弹体姿态解算装置测得的实际弹体弹道与预定弹体弹道偏差超过5°时，数字控制器通过驱动电路控制第二功率开关管接通，控制绕组传输电压给三相不控整流，三相不控整流输送电压给电阻b，负载电路接通；
步骤5.2根据以下数学模型中转速与占空比的关系对弹道进行调整：
Figure GDA0002627671700000041
其中，p为极对数，n为转速，J为转动惯量，ψf为磁链幅值，Tm为输入机械转矩，IL为负载处电流，D为占空比，θ为电角；
从公式中得出由于占空比和转速之间的关系是非线性化的关系，故数字控制器根据步骤4测得的永磁发电机转速采用分段线性化的方式，在开环状态下设置脉冲占空比和频率，然后，数字控制器根据计算得到的偏差采用PID算法进行闭环控制，占空比增大，第二功率开关管接通，控制绕组中电流增大，电磁转矩增大，则降低永磁发电机转速，即通过改变控制绕组的力矩改变十字尾翼的方向，使弹丸受到的气动力发生该变，从而使弹体回到预定弹道；占空比减小，第二功率开关管断开时，控制绕组负载电路断开，电磁转矩减小，则升高永磁发电机转速，即通过改变控制绕组的力矩改变十字尾翼的方向，使弹丸受到的气动力发生该变，从而使弹体回到预定弹道；
如果数字控制器计算出弹体姿态解算装置测得的实际弹体弹道与预定弹体弹道偏差小于5°时，无需修正，弹体自由运行攻击目标点。
本发明的有益效果是，一种基于永磁发电机的弹道修正弹的修正控制电路及控制方法，实现了尾翼修正弹修正控制电路的全数字化控制，提高了修正弹在修正过程中的准确性、快速性，有效的节省了弹体空间并且为弹体提供了一定的电能需要；通过姿态解算装置和数字控制器的通信，提高了修正系统效率和基于永磁发电机修正弹修正电路的通用性，提高了修正系统的有效性、连续性和可靠性。
附图说明
图1是本发明的基于永磁发电机的弹道修正弹的修正控制电路及控制方法中修正控制电路框图；
图2是本发明的基于永磁发电机的弹道修正弹的修正控制电路及控制方法中全弹道飞行控制原理整体框图。
图中，1.数字控制器，2.通信电路，3.电压检测，4.驱动电路，5.GND，6.电阻a，7.电容，8.电感，9.续流二极管，10.第一功率开关管的源极，11.第一功率开关管的漏极，12.功率输出端，13.第一功率开关管的栅极，14.第二功率开关管的漏极，15.第二功率开关管的源极，16.第二功率开关管的栅极，17.电阻b，18.三相不控整流电路，19.控制绕组，20.发电绕组，21.隔离变压器a，22.单相不控整流，23.稳压电源，24.检测绕组，25.降压隔离变压器，26.检测电路，27.DC-DC电路，28.弹体姿态解算装置，29.发射前，30.弹道初段，31.弹道修正段，32.弹丸发射，33.获取实际弹道信息，34.姿态解算，35.开始修正，36.对准目标，37.攻击目标。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明的基于永磁发电机的弹道修正弹的修正控制电路，电路图如图1所示，包括连接在永磁发电机上的发电绕组20、三相控制绕组19和检测绕组24，发电绕组20与隔离变压器a21相连，隔离变压器a21与单相不控整流电路22相连，单相不控整流电路22的输出正极接入DC-DC电路27的正极，单相不控整流电路22的输出正极还与稳压电源23相连，稳压电源23与数字控制器1相连，单相不控整流电路22的输出负极与GND5相连；
三相控制绕组19的输出正极与三相不控整流电路18相连，三相不控整流电路18的输出正极连接电阻b17的一端，电阻b17的另一端与第二功率开关管的源极15相连，第二功率开关管的漏级14与三相不控整流电路18的输出负极相连，三相控制绕组19的输出负极与GND5相连；
检测绕组24与隔离降压变压器b25相连，隔离降压变压器b25与检测电路26相连，检测电路26与数字控制器1相连，数字控制器1与通信电路2相连，通信电路2与弹体姿态解算装置28相连。
DC-DC电路27包括第一功率开关管，单相不控整流电路22的输出正极与第一功率开关管的源极10相连，第一功率开关管的漏级11与电感8相连，第一功率开关管的漏级11还与二极管9阴极相连，二极管9的阳极与功率输出端12相连，电感8与功率输出端12相连，电感8和功率输出端12之间还连接有电容7，电容7上还并联有电阻a6，功率输出端12与电压检测3相连，电压检测3与数字控制器1相连。
第一功率开关管的栅极13和第二功率开关管的栅极16与驱动电路4相连，驱动电路4与数字控制器1相连。
三相不控整流电路18由三组两两串联的二极管并联组成。
稳压电源23采用R78-HB5.0-0.5电源模块实现5V电压输出；驱动电路4采用MOS管SQ2308实现；检测电路26采用MAX941芯片实现；通信电路2选择422通信协议，采用MAX488芯片实现；数字控制器1采用PIC单片机PIC18F2431-I/SO构成的控制系统。
本发明的基于永磁发电机的弹道修正弹的修正控制电路的工作原理是：弹体高速旋转后，永磁发电机进行工作，永磁发电机分别连接三相控制绕组19、单相发电绕组20和单相检测绕组24，发电绕组20提供修正系统电源电压，经过隔离变压器a21降压后输送电压给单相不控整流电路22，单相不控整流电路22将交流电整流变成直流电，一路输入到稳压电源23，稳压电源23输出5V供给数字控制器1，另一路输入到DC-DC电路27，DC-DC电路27输出功率为15W的电能供给弹体上的其他用电设备，同时通过DC-DC电路27输出的电压经过电压检测3传送给数字控制器1实现其闭环控制使输出电压保持稳定；弹上姿态解算装置28将弹体实时姿态信息经过通信电路2传送给数字控制器1，数字控制器1根据预设的弹体弹道信息进行对比计算出弹道偏差，同时检测绕组24经过隔离变压器b25将单相交流电通过检测电路26整形之后传送给数字控制器1，数字控制器1得到的永磁发电机的转速，数字控制器1结合计算得到的弹体弹道偏差和永磁发电机的转速通过相关算法设置脉冲占空比和频率进行控制第二功率开关管接通或断开，控制绕组19输出三相交流电经过三项不控整流电路18后连接其负载电路，当第二功率开关管接通时，控制绕组19中电流增大，电磁转矩增大，通过降低永磁发电机转速调节十字尾翼的方向，达到修正弹道的目的；当第二功率开关管断开时，控制绕组19中负载电路断开，电磁转矩减小，通过提高永磁发电机转速调节十字尾翼的方向，达到二维修正弹道的目的。
弹体全弹道飞行控制原理如图2所示，弹体飞行共有3个阶段，分别是发射前阶段29、弹道初始阶段30和弹道修正段31，具体又可分为弹丸发射32、获取实际弹道信息33、姿态解算34、开始修正35、连续修正，对准目标36和攻击目标37。
一种利用如上述的基于永磁发电机的弹道修正弹的修正控制电路的修正控制方法，包括以下几个步骤：
步骤1.炮弹发射前，地面通信装置首先通过通信电路2传输预定的弹体弹道信息以及目标点信息给修正控制系统的数字控制器1，作为弹体弹道修正的基准；
步骤2.弹体发射后处于弹道初段时，弹体上的十字固定尾翼在气动力的作用下做弹丸高速旋转，控制永磁发电机开始工作，整个修正系统上电启动；
步骤3.修正系统上电启动后，发电绕组20通过隔离变压器a21降压后，将电压同时输送给单相不控整流22，单相不控整流22将交流电整流转换成直流电并输送给DC-DC电路27，数字控制系统1通过驱动电路4控制第一功率开关管接通，形成电压闭环控制，通过电压检测3测量输出端12的电压，DC-DC电路27输出端输出电压稳定为5V，供给弹体上其他用电设备；同时，检测绕组24经过隔离变压器b25降压后输出电压给检测电路26，检测电路26经过相关算法将交流电进行整形形成转速脉冲输入到数字控制器1，数字控制器1检测此时刻永磁发电机相对于大地的转速，并对永磁发电机的转速进行实时检测；
步骤4.弹体姿态解算装置28通过通信电路2将目前弹体所处实际弹道传送给数字控制器1；
步骤5.数字控制器1根据步骤4得到的弹体的实际弹道位置，计算出目前弹体弹道和预期弹体弹道的偏差值，进行修正弹体弹道。
步骤2中修正系统上电启动的具体操作如下：
永磁发电机开始工作后，发电绕组20通电经过隔离变压器a21降压后输送给单相不控整流22，单相不控整流22将交流电整流成直流电传输给稳压电源23，稳压电源提供稳定电压给数字控制器1，用以提供修正系统上电。
步骤5中数字控制器1修正弹道的具体操作如下：
步骤5.1如果数字控制器1计算出弹体姿态解算装置28测得的实际弹体弹道与预定弹体弹道偏差超过5°时，数字控制器1通过驱动电路4控制第二功率开关管接通，控制绕组19传输电压给三相不控整流18，三相不控整流18输送电压给电阻b17，负载电路接通；
步骤5.2根据以下数学模型中转速与占空比的关系对弹道进行调整：
Figure GDA0002627671700000091
其中，p为极对数，n为转速，J为转动惯量，ψf为磁链幅值，Tm为输入机械转矩，IL为负载处电流，D为占空比，θ为电角；
从公式中得出由于占空比和转速之间的关系是非线性化的关系，故数字控制器1根据步骤4测得的永磁发电机转速采用分段线性化的方式，在开环状态下设置脉冲占空比和频率，然后，数字控制器1根据计算得到的偏差采用PID算法进行闭环控制，占空比增大，第二功率开关管接通，控制绕组19中电流增大，电磁转矩增大，则降低永磁发电机转速，即通过改变控制绕组19的力矩改变十字尾翼的方向，使弹丸受到的气动力发生该变，从而使弹体回到预定弹道；占空比减小，第二功率开关管断开时，控制绕组19负载电路断开，电磁转矩减小，则升高永磁发电机转速，即通过改变控制绕组19的力矩改变十字尾翼的方向，使弹丸受到的气动力发生该变，从而使弹体回到预定弹道；
如果数字控制器1计算出弹体姿态解算装置28测得的实际弹体弹道与预定弹体弹道偏差小于5°时，无需修正，弹体自由运行攻击目标点。
自此即完成了一个修正弹体的修正过程。

Claims (3)

1.一种基于永磁发电机的弹道修正弹的修正控制电路的修正控制方法，所述基于永磁发电机的弹道修正弹的修正控制电路，包括连接在永磁发电机上的发电绕组(20)、三相控制绕组(19)和检测绕组(24)，所述发电绕组(20)与隔离变压器a(21)相连，所述隔离变压器a(21)与单相不控整流电路(22)相连，所述单相不控整流电路(22)的输出正极接入DC-DC电路(27)的正极，所述单相不控整流电路(22)的输出正极还与稳压电源(23)相连，所述稳压电源(23)与数字控制器(1)相连，所述单相不控整流电路(22)的输出负极与GND(5)相连；
所述三相控制绕组(19)的输出正极与三相不控整流电路(18)相连，所述三相不控整流电路(18)的输出正极连接电阻b(17)的一端，电阻b(17)的另一端与第二功率开关管的源极(15)相连，第二功率开关管的漏极(14)与所述三相不控整流电路(18)的输出负极相连，所述三相控制绕组(19)的输出负极与GND(5)相连；所述检测绕组(24)与隔离降压变压器b(25)相连，所述隔离降压变压器b(25)与检测电路(26)相连，检测电路(26)与所述数字控制器(1)相连，所述数字控制器(1)与通信电路(2)相连，所述通信电路(2)与弹体姿态解算装置(28)相连；所述DC-DC电路(27)包括第一功率开关管，所述单相不控整流电路(22)的输出正极与第一功率开关管的源极(10)相连，第一功率开关管的漏极(11)与电感(8)相连，所述第一功率开关管的漏极(11)还与二极管(9)的阴极相连，所述二极管(9)的阳极与功率输出端(12)相连，所述电感(8)与所述功率输出端(12)相连，所述电感(8)和所述功率输出端(12)之间还连接有电容(7)，所述电容(7)上还并联有电阻a(6)，所述功率输出端(12)与电压检测(3)相连，所述电压检测(3)与所述数字控制器(1)相连；所述第一功率开关管的栅极(13)和所述第二功率开关管的栅极(16)与驱动电路(4)相连，所述驱动电路(4)与所述数字控制器(1)相连；所述三相不控整流电路(18)由三组两两串联的二极管并联组成；
其特征在于，所述修正控制方法包括以下几个步骤：
步骤1.炮弹发射前，地面通信装置首先通过通信电路(2)传输预定的弹体弹道信息以及目标点信息给修正控制系统的所述数字控制器(1)，作为弹体弹道修正的基准；
步骤2.弹体发射后处于弹道初段时，弹体上的十字固定尾翼在气动力的作用下做弹丸高速旋转，控制永磁发电机开始工作，整个修正系统上电启动；
步骤3.修正系统上电启动后，所述数字控制器(1)控制第一功率开关管接通，形成电压的闭环控制，同时所述数字控制器(1)通过检测电路(26)检测此刻永磁发电机相对于大地的转速，并对永磁发电机的转速进行实时检测；
步骤4.所述弹体姿态解算装置(28)通过所述通信电路(2)将目前弹体所处实际弹道传送给数字控制器(1)；
步骤5.所述数字控制器(1)根据步骤4得到的弹体的实际弹道位置，计算出目前弹体弹道和预期弹体弹道的偏差值，进行修正弹体弹道。
2.一种如权利要求1中所述的基于永磁发电机的弹道修正弹的修正控制电路的修正控制方法，其特征在于，所述步骤2中修正系统上电启动的具体操作如下：
永磁发电机开始工作后，所述发电绕组(20)通电经过隔离变压器a(21)降压后输送给所述单相不控整流电路(22)，单相不控整流电路(22)将交流电整流成直流电传输给稳压电源(23)，稳压电源提供稳定电压给所述数字控制器(1)，用以提供修正系统上电。
3.一种如权利要求1中所述的基于永磁发电机的弹道修正弹的修正控制电路的修正控制方法，其特征在于，所述步骤5中数字控制器(1)修正弹道的具体操作如下：
步骤5.1如果数字控制器(1)计算出所述弹体姿态解算装置(28)测得的实际弹体弹道与预定弹体弹道偏差超过5°时，数字控制器(1)通过驱动电路(4)控制第二功率开关管接通，三相控制绕组(19)传输电压给三相不控整流电路(18)，三相不控整流电路(18)输送电压给电阻b(17)，负载电路接通；
步骤5.2根据以下数学模型中转速与占空比的关系对弹道进行调整：
Figure FDA0002627671690000031
其中，p为极对数，n为转速，J为转动惯量，ψf为磁链幅值，Tm为输入机械转矩，IL为负载处电流，D为占空比，θ为电角；
从公式中得出由于占空比和转速之间的关系是非线性化的关系，故所述数字控制器(1)根据步骤3测得的永磁发电机转速采用分段线性化的方式，在开环状态下设置脉冲占空比和频率，然后，数字控制器(1)根据计算得到的偏差采用PID算法进行闭环控制，占空比增大，第二功率开关管接通，所述三相控制绕组(19)中电流增大，电磁转矩增大，则降低永磁发电机转速，即通过改变所述三相控制绕组(19)的力矩改变十字尾翼的方向，使弹丸受到的气动力发生改变，从而使弹体回到预定弹道；占空比减小，第二功率开关管断开时，所述三相控制绕组(19)负载电路断开，电磁转矩减小，则升高永磁发电机转速，即通过改变所述三相控制绕组(19)的力矩改变十字尾翼的方向，使弹丸受到的气动力发生改变，从而使弹体回到预定弹道；
如果数字控制器(1)计算出所述弹体姿态解算装置(28)测得的实际弹体弹道与预定弹体弹道偏差小于5°时，无需修正，弹体自由运行攻击目标点。
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