DE4317935C2 - Verfahren zur Stabilisierung einer Waffenanlage - Google Patents
Verfahren zur Stabilisierung einer WaffenanlageInfo
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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.
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.
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1993
- 1993-06-01 DE DE19934317935 patent/DE4317935C2/de not_active Expired - Fee Related
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Legal Events
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