DE4317935C2 - Verfahren zur Stabilisierung einer Waffenanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stabilisierung einer vorzugsweise auf einem Fahrzeug angeordneten Waf­ fenanlage unter Verwendung von Stromregelkreisen zur An­ steuerung der Elektromotoren eines Höhenricht- und/oder eines Seitenrichtantriebes (Elevations- bzw. Azimutan­ trieb), von den Stromregelkreisen überlagerten, insbe­ sondere mit Wendekreiseln als Sensoren zur Ermittlung der inertialen Waffengeschwindigkeit ausgerüsteten Ge­ schwindigkeitsregelkreisen und vorzugsweise von einem den Geschwindigkeitsregelkreisen überlagerten Nachführ- Regelkreis zur Nachführung des Turmes in der Seite und der Waffe in der Höhe auf ein führendes Sichtgerät.

Eine den Stand der Technik darstellende Waffenricht- und Stabilisierungsanlage ist in der AEG-Studie "Entwicklung eines digitalen Reglers für elektrische Waffenricht- und Stabilisierungsanlagen", Auftragsgeber BWB, Vertrags-Nr. E/W31E/6008/65521 vom Juni 1989 beschrieben. Die elektri­ sche Antriebstechnik für derartige Anlagen findet nicht nur bei Kampfpanzern und Schützenpanzern Anwendung, son­ dern z. B. auch für den Richtbetrieb von Turm und Waffe bei Haubitzen. Reine Richtantriebe - also Systeme ohne Sta­ bilisierung - können als Teilsysteme von Stabilisierungs­ anlagen aufgefaßt werden, da diese stets auch den unsta­ bilisierten Richtbetrieb als vorgeschaltete Betriebsart beinhalten. Die Methoden der antriebs- und regelungs­ technischen Auslegung sind somit überall die gleichen.

Die Hauptaufgabe einer Waffenricht- und Stabilisierungs­ anlage besteht darin, die Waffe abhängig von der gewähl­ ten Betriebsart entweder der Visierlinie eines führenden Zielgerätes nachlaufen zu lassen oder sie eigenständig mittels eines Richtgriffes in bestimmte Richtpositionen zu fahren. In beiden Fällen muß jedoch dafür gesorgt wer­ den, daß Störbewegungen, die über das Fahrgestell auf Turm und Waffe einwirken, so ausgeglichen werden, daß die Waffe in Höhe und Seite stabilisiert bleibt. Hierbei dienen zum Antrieb der Richtantriebe geregelte Elektro­ motoren, die über ein Getriebe mit dem Turm bzw. der Waffe gekoppelt sind. Gewöhnlich kommen hierbei entweder konven­ tionelle bürstenbehaftete Gleichstrommotoren oder auch bürstenlose Drehstrommotoren zur Anwendung. Die Speisung der Motoren erfolgt über transistorisierte Leistungsver­ stärker aus dem Fahrzeug-Bordnetz. Die Ansteuerung der Motoren geschieht mit Hilfe einer Steuer- und Regelelek­ tronik.

In Fig. 1 ist für den oben beschriebenen Stand der Tech­ nik ein vereinfachtes Blockschaltbild für eine Antriebs­ achse (Höhe bzw. Seite) dargestellt, das auch die funktio­ nalen Zusammenhänge der drei verschiedenen ineinander ver­ schachtelten Regelkreise erkennen läßt. Motor, Getriebe, Spindel und Turm bzw. Waffe sind in diesem Blockschaltbild mit 11, 12 und 13 bezeichnet, wobei der Turm in der Seite über ein Getriebe und die Waffe in der Höhe mittels eines linear wirkenden Spindelantriebes bewegt werden.

Als innerer Regelkreis ist der Stromregelkreis dargestellt. Die Differenz zwischen dem Stromsoll- und Istwert, der von einem Stromsensor 14 bereitgestellt wird, steuert den Stromregler 1 an, dessen Ausgangssignal eine dynamisch korrigierte Spannung ist, die als Ansteuerspannung für den Leistungsverstärker 2 verwendet wird. Dieser wiederum arbeitet nach dem Prinzip der Puls-Breitenmodulation im Schaltbetrieb. Sein Ausgang stellt eine im Mittelwert ste­ tig veränderbare Gleichspannung mit umkehrbarer Polarität dar, bzw. bei Verwendung von bürstenlosen Motoren eine in Amplitude und Frequenz veränderbare Dreiphasenspannung mit umkehrbarem Drehsinn. Ein dem Stromregelkreis 1 überlager­ ter Geschwindigkeitsregelkreis (ω-Kreis) mit Geschwindig­ keitsregler 3 (ω-Regler) dient der Geschwindigkeitsrege­ lung. Als Geschwindigkeitsgeber werden Wendekreisel 4 ver­ wendet, die mit hoher Genauigkeit Geschwindigkeiten im inertialen Raum messen können und somit den Aufbau von Stabilisierungskreisen ermöglichen. Für die Betriebsart "Richten ohne Stabilisierung" ist anstelle des Wendekrei­ sels 4 eine Einrichtung vorgesehen, die eine der Motor­ drehzahl proportionale Spannung zum Soll-Istwertvergleich für die Drehgeschwindigkeit zurückführt, was beispielsweise mit einem Tacho 5 bewerkstelligt wird. Die Differenz zwi­ schen dem Geschwindigkeitssollwert (ω-Sollwert), der ent­ weder vom Richtgriff 6 oder dem übergeordneten Nachführ­ regler 7 kommt, und dem Istwert steuert den ω-Regler 3 an, dessen Ausgangssignal eine dynamisch korrigierte Spannung ist, die den Strom-Sollwert darstellt. Ein so aufgebauter Regelkreis gestattet damit die Eliminierung von außen ein­ wirkender Bewegungsstörgrößen und stellt somit den eigent­ lichen Stabilisierungskreis dar.

Der dem ω-Kreis überlagerte Nachführ-Regelkreis dient der Nachführung des Turmes bzw. der Waffe auf ein führendes Sichtgerät 8. Als Stellungsgeber STG 9 des in der Regel eigenstabilisierten Sichtgerätes 8 werden normalerweise Resolver, in neueren Anlagen auch digitale Encoder ver­ wendet, die an ihrem Ausgang ein der Lageabweichung ent­ sprechendes Signal liefern, das auf den Eingang des Nach­ führreglers 7 gegeben wird. Nach dynamischer Korrektur durch die Reglerbeschaltung steht am Ausgang des Nachführ­ reglers 7 eine Spannung zur Verfügung, die den Sollwert für den nachfolgenden ω-Kreis bildet. Durch den geschlos­ senen Nachführregelkreis wird die Lageabweichung immer zu annähernd Null geregelt, so daß die Turm- bzw. Waffenachse immer der Visierlinie folgt. Durch Einfügung eines Korrek­ turwinkels in den Nachführregelkreis werden Abweichungen der Waffenachse von der Visierlinie erzwungen und somit die Bildung von Vorhaltewinkeln und Superelevationswinkeln ermöglicht. Die Korrekturwinkel können entweder manuell vorgegeben oder von einer Feuerleitanlage geliefert wer­ den. Durch Umschaltung des Nachführregelkreises vom Sicht­ gerät 8 auf einen am Turm bzw. der Waffe angebrachten Stellungsgeber 10 kann eine definierte Index-Stellung an­ gefahren werden, wie sie zum Laden der Waffe benötigt wird.

In neuerer Zeit hat bei gepanzerten Fahrzeugen die Forde­ rung nach einem verbesserten Panzerschutz des Turmes eine hohe Priorität, insbesondere hinsichtlich der Frontpanze­ rung. Darüberhinaus geht die Waffenentwicklung zu längeren Rohrlängen über. Beide Entwicklungen bedingen ein Anwach­ sen des Unbalancemomentes des Turmes und der Waffenanlage um ein mehrfaches. Mit den bisher bekannten Regelverfahren sind die daraus erwachsenden Forderungen an das Anforde­ rungsprofil hinsichtlich Stabilisierungs- und Nachlauf­ qualität nur noch schwer bzw. überhaupt nicht mehr zu er­ füllen, da die oben angedeuteten Unbalancen beträchtliche Auswirkungen auf das Störverhalten um die jeweilige An­ triebsachse haben, weil die Waffenanlage in solchen Fäl­ len sehr empfindlich auf translatorische Störbewegungen reagiert. Hier zeigt sich ein wesentlicher Unterschied zur Stabilisierung von relativ gut ausgewuchteten Waffen­ anlagen, wo sich vorzugsweise nur die von der Fahrbewe­ gung ausgeübten rotatorischen Störbewegungen auf die Sta­ bilisierung auswirken. Je größer nun aber die Unbalance der Waffenanlage wird, umso mehr wird das Stabilisierungs­ verhalten auch von denjenigen Fahrzeugbewegungen beein­ flußt, die als translatorische Störungen in vertikaler Richtung zur Schildzapfenachse (Elevation) bzw. in Quer­ richtung zur Turmhochachse (Azimut) angreifen. In erster Näherung läßt sich sagen, daß ein Anwachsen der Unbalance um den Faktor 2 auch die Störungsanregung in der Eleva­ tionsachse auf den doppelten Betrag anhebt, was eine un­ mittelbare negative Auswirkung auf die Stabilisierungs­ qualität hat.

Hinzu kommt, daß mit einer Verlängerung des Rohres eine deutlich niedrigere Eigenresonanzfrequenz der Waffenan­ lage verbunden ist. Dieser Umstand erschwert die rege­ lungstechnische Behandlung der Stabilisierungsaufgabe in ganz erheblichem Maß, denn: je niedriger die Resonanzfre­ quenz der Regelstrecke, um so schwieriger gestaltet sich die Kompensation der Resonanz- und Dämpfungsamplituden im Frequenzgang mit Hilfe geeigneter Korrekturfilter, wenn gleichzeitig gewisse Mindestanforderungen an die frequenz­ abhängige Verstärkung und Bandbreite zu beachten sind.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Ver­ fahren zur Stabilisierung einer Waffenanlage mit hoher Unbalance der eingangs genannten Art vorzuschlagen, durch welches das an eine Stabilisierungsanlage gestellte An­ forderungsprofil hinsichtlich Stabilisierungs- und Nach­ laufqualität erfüllt wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der jeweilige Geschwindigkeitsregelkreis um einen unterlager­ ten Drehmonentregelkreis und um einen weiteren, dem Dreh­ momentregelkreis unterlagerten Drehzahlregelkreis erwei­ tert wird, und daß der dem Drehmomentregelkreis zugehö­ rige Sensor als Kraftmeßeinrichtung ausgebildet ist, wel­ che die durch Stör- und/oder Richtbewegungen ausgelösten elastischen Verformungen in der jeweiligen Antriebsmecha­ nik und/oder deren Aufnahmevorrichtungen erfaßt.

Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist im Unteranspruch 2 beschrieben.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sowie Weiterbildungen dieser Vorrichtung sind in den Unter­ ansprüchen 3 bzw. 4 und 5 beansprucht.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß Störmomente, die an der Waffe wirksam werden, schon im Augenblick ihres Entstehens erfaßt und in einem eigens dafür geschaffenen Regelkreis zielgerecht sofort unter­ drückt werden und nicht erst, nachdem eine durch sie aus­ gelöste Drehbewegung der Waffe schon zu einer Ablage von ihrem inertialen Sollwert geführt hat. Ein weiterer Vor­ teil der Erfindung ergibt sich mit Hilfe des an der Waffe angebrachten Beschleunigungssensors, der die vertikal zur Waffe auftretenden Störungen mißt. Seine als Störgrößen­ aufschaltung in den Momentenkreis eingespeisten Signale bewirken eine zusätzliche Verbesserung des Stabilisie­ rungsverhaltens.

In den Fig. 2 und 3 der Zeichnung ist ein Ausführungs­ beispiel nach der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt:

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer um einen unterlager­ ten Drehzahlregelkreis und einen Drehmomentre­ gelkreis erweiterten Regelung für eine Antriebs­ achse, und

Fig. 3 eine Brückenschaltung von Dehnungsmeßstreifen, die zur Ermittlung von elastischen Verformungen an einem Spindelkopf einer Spindel des Höhenricht­ antriebes angeordnet sind.

In Fig. 2 sind für die Bauelemente des Stromregelkreises, des Geschwindigkeitsregelkreises, des Nachführregelkrei­ ses und des Richtantriebes dieselben Bezugszeichen ver­ wendet worden wie in dem in Fig. 1 dargestellten Block­ schaltbild für die Regelung einer Antriebsachse. Der einen Stromregler 1, einen Leistungsverstärker 2 und einen Stromsensor 14 aufweisende Stromregelkreis - für den Höhenrichtantrieb und gegebenenfalls auch für den Seitenrichtantrieb - ist um einen unterlagerten Drehzahl­ regelkreis und einen Drehmomentregelkreis erweitert. Der Drehzahlregelkreis weist einen Drehzahlsensor 15 zur Er­ mittlung der Istdrehzahl des Elektromotors 11 und einen Drehzahlregler 16 auf, dem das Ausgangssignal des Dreh­ zahlsensors 15 zugeführt wird und dessen Ausgangssignal am Eingang des Stromreglers 1 ansteht. Zwischen dem Dreh­ zahlregler 16 und dem Geschwindigkeitsregler 3 ist ein Drehmomentregler 17 angeordnet, an dessen Eingang das Ausgangssignal eines Sensors 18 zur Ermittlung von an der Spindel 12 bzw. dem Getriebe der Richtantriebe anstehen­ den elastischen Verformungen geführt ist, die aufgrund von Bewegungen der Waffe bzw. des Turmes hervorgerufen werden. Bei diesem Sensor kann es sich - wie aus Fig. 3 ersichtlich ist - um einen an dem Spindelkopf einer Spindel 12 eines Höhenrichtantriebes befestigten Satz von Dehnungsmeßstreifen 21 bis 24 handeln, die in Brücken­ schaltung miteinander elektrisch leitend verbunden sind. Mittels dieser Dehnungsmeßstreifen werden die durch in Längsrichtung der Spindel angreifende Kräfte hervorgeru­ fenen Dehnungen gemessen, durch die das auf die Waffe 13 ausgeübte Drehmoment ermittelt und dem Drehmomentenregler 17 eingespeist wird. Eine andere Möglichkeit ist die Be­ festigung der Dehnungsmeßstreifen in der Halterung oder in/an der Aufnahmevorrichtung der Antriebsmechanik.

Der Ausgang des dem Geschwindigkeitsregler 3 nachgeordne­ ten Drehmomentreglers 17, dem die resultierende Ausgangs­ spannung des Satzes Dehnungsmeßstreifen 21 bis 24 zuge­ führt wird, steuert den Drehzahlregelkreis 16 an, der die vom Drehmomentregler 17 verlangte Relativgeschwindigkeit zwischen Elektromotor 11 und Waffenanlage 13 aufbringt und kontrolliert. Eine zusätzliche Verbesserung des Stabili­ sierungsverhaltens wird mit Hilfe eines an der Waffe 13 oder am Turm angebrachten Beschleunigungssensors 19 er­ reicht, der die vertikal zur Waffe 13 auftretenden Stö­ rungen mißt und dem Drehmomentenregler 17 zuführt, d. h. seine Signale werden als Störgrößenaufschaltung in den Drehmomentenkreis eingespeist.

In Verbindung mit dem unterlagerten Drehzahlregelkreis läßt sich ein äußerst schnell reagierender Drehmomentre­ gelkreis hoher Bandbreite aufbauen.

Bezugszeichenliste

1

Stromregler

2

Leistungsverstärker

3

Geschwindigkeitsregler

4

Wendekreisel

5

Tacho

6

Richtgriff

7

Nachführregler

8

Sichtgerät

9

Stellungsgeber des Sichtgerätes

8

10

Stellungsgeber am Turm oder an der Waffe

11

Elektromotor

12

Getriebe/Spindel

13

Turm/Waffenanlage

14

Stromsensor

15

Drehzahlsensor

16

Drehzahlregler

17

Drehmomentregler

18

Sensor

19

Beschleunigungssensor

21

Dehnungsmeßstreifen, vorzugsweise in Brückenschaltung

22

Dehnungsmeßstreifen, vorzugsweise in Brückenschaltung

23

Dehnungsmeßstreifen, vorzugsweise in Brückenschaltung

24

Dehnungsmeßstreifen, vorzugsweise in Brückenschaltung

Claims (5)

1. Verfahren zur Stabilisierung einer vorzugsweise auf einem Fahrzeug angeordneten Waffenanlage unter Verwendung von Stromregelkreisen zur Ansteuerung der Elektromotoren eines Höhenricht- und/oder eines Seitenrichtantriebes (Elevations- bzw. Azimutantrieb), von den Stromregelkrei­ sen überlagerten, insbesondere mit Wendekreiseln als Sen­ soren zur Ermittlung der inertialen Waffengeschwindigkeit ausgerüsteten Geschwindigkeitsregelkreisen und vorzugswei­ se von einem den Geschwindigkeitsregelkreisen überlager­ ten Nachführ-Regelkreis zur Nachführung des Turmes in der Seite und der Waffe in der Höhe auf ein führendes Sicht­ gerät, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweilige Geschwin­ digkeitsregelkreis um einen unterlagerten Drehmomentregel­ kreis und um einen weiteren, dem Drehmomentregelkreis unter­ lagerten Drehzahlregelkreis erweitert wird, und daß der dem Drehmomentregelkreis zugehörige Sensor (18) als Kraft­ meßeinrichtung ausgebildet ist, welche die durch Stör- und/ oder Richtbewegungen ausgelösten elastischen Verformungen der jeweiligen Antriebsmechanik (12) und/oder deren Auf­ nahmevorrichtungen erfaßt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung von auf die Waffe wirkenden transla­ torischen Beschleunigungen Beschleunigungssensoren ver­ wendet werden, deren Ausgangssignale in die jeweiligen Drehmomentregelkreise eingespeist werden.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die unterlagerten Drehzahlregelkreise jeweils einen mit den Elektromotoren (11) der Richtantriebe zusammenwirkenden Drehzahlsensor (15) und einen dem zugehörigen Stromregler vorgeschalteten Drehzahlregler (16) aufweisen, und daß die Drehmomentre­ gelkreise Sensoren (18) zur Ermittlung von aufgrund von Bewegungen der Waffe bzw. des Turmes hervorgerufenen elastischen Verformungen an der Spindel bzw. dem Getriebe (12) der Richtantriebe und/oder an deren Aufnahmevorrich­ tungen sowie dem zugeordneten Drehzahlregler (16) vorge­ schaltete Drehmomentregler (17) enthalten.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung der elastischen Verformungen an der Spindel (12) des Höhenrichtantriebes Dehnungsmeßstreifen (21 bis 24) angebracht sind, die durch in Längsrichtung der Spindel (12) angreifende Kräfte hervorgerufene Deh­ nungen messen, durch die das auf die Waffe (13) ausgeübte Drehmoment ermittelbar und dem Drehmomentregler (17) ein­ speisbar ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch die Verwendung von Dehnungsaufnehmern auf der Basis piezoelek­ trischer Wandler zur Ermittlung der elastischen Verformun­ gen.