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激光驾束制导光束编码设计及电气实现

归档日期:07-10       文本归类:激光驾束制导      文章编辑:爱尚语录

  一 !f 、 . 1 , 第 3期 弹箭与捌导学报 激光驾束制导光束编 屈 卫东 f西 北 工 业 天 学西 安 市 7 1 0 0 7 2 ) 弋 7 \ [摘 要】 提 出一种时空数 字编 码方法 , 将导弹 在激 光柬 内的位置 与焦 面阵 区域代 码 对应起 来, 利用步进 电机定位准确, 工 作可 靠等优 点. 采用正 弦细 分驱动 方式 控 一一制 电机各相 绕组 电流, 经理论 计算和实际 电路设计 , 在 电机 内建立均 匀的圆形旋转 磁 场, 使 步进 电机产生交流伺服 电机 的运 行机理 , 实现 快速 平稳 的摆 动工 作, 实 际运 行 表 明, 该系统工作频率高 , 可 靠性好 . 能满足激光扫描 系统的工作要...

  一 !f 、 . 1 , 第 3期 弹箭与捌导学报 激光驾束制导光束编 屈 卫东 f西 北 工 业 天 学西 安 市 7 1 0 0 7 2 ) 弋 7 \ [摘 要】 提 出一种时空数 字编 码方法 , 将导弹 在激 光柬 内的位置 与焦 面阵 区域代 码 对应起 来, 利用步进 电机定位准确, 工 作可 靠等优 点. 采用正 弦细 分驱动 方式 控 一一制 电机各相 绕组 电流, 经理论 计算和实际 电路设计 , 在 电机 内建立均 匀的圆形旋转 磁 场, 使 步进 电机产生交流伺服 电机 的运 行机理 , 实现 快速 平稳 的摆 动工 作, 实 际运 行 表 明, 该系统工作频率高 , 可 靠性好 . 能满足激光扫描 系统的工作要求。 [关键 词) 驾 柬制导 激光编码 步进 电机正弦细分 ~ 一一 1 引 言 随着现代高科技在军事领域中的广泛应 用, 曾被誉为“陆战之神”的坦 克等装 甲兵器在 火力、 机动性和防护性等方面都有重大的改善和提高, 近年来发 生的几场较大规模 局部战争 良 坦屯 % 弹 刮 导 和区域冲突的结果表 明,在现代常规战中, 装甲兵器仍不失为陆军最重要 的突击力量。在 这种情况下, 作为装 甲兵器 “克星 ”的反坦克导弹, 就 自然成为各国陆军竞 相发 展的重点之 一。 目前 , 第三代反坦克导弹的制导体系主要有 : 去掉传输指令导线, 只要 射手始终瞄准 目 标的激光驾柬制导; 用激光 目标指示器照射 目标, 弹上带有导引头的激光半主动制导; 发射 前锁定的红外成像制导 ; 采用光纤传输 指令和图像, 遥控与锁 定后 自动寻的的光纤制 导等, 在诸多制导方案中, 激光驾束制导有以下主要优点 : ( 1) 弹 上制 导系统相对简单, 没有复杂的导引头, 成本低、 质量少 ; ( 2) 导弹尾部的接 收器, 只接收来 自后方的激 光信号, 不会受到 目标方向发 出的干扰, 抗干扰能力强 ; ( 3) 无须有线制导那样的导线, 可 以提高导弹 飞行速度, 在直瞄视距 范围内, 导弹可以 飞越水面、 峡答、 高压线等障碍。 因此 , 世界上许多国家都积极开展激光驾束技术的研究, 并在反坦克 导弹上加以应用。 像法、 德、 英第三代 TR IGAT MR , 瑞士、 美国的 ADATS, 俄罗斯的巴斯基昂9M117, 以色 列的 MAPA T S, 意大利的 MA F , 西班牙的 T OLE DO。我国开展此项研究已十多年, 尚有大 量的理论和技术 问题有待解决。本文主要提 出一种激光编码方案及该方案的实现, 实际结 果表明, 该方法工作频率高, 可靠性好, 满足激光扫描系统的工作要求。 激光驾柬制导的原理是 : 射手用瞄准具瞄准、 跟踪 目标, 并用与瞄准具 同轴 的激光发射 器 向目标发射激光制导光束, 然后将导弹射入激光束, 使导弹沿激光束 中心线( 即瞄准线) 飞 维普资讯 聚焦健 反射慵 亨爹 避电 机 0 向搬麓 。 ,向步进电机 向拒赞 塞 童 健 粗 9 E调 翻擞光嚣 的擞光窠 喜 2编码方案及实现 蘸饕 空数 时 龠阵面 06 07 图 2澈光康删制骗码原理圈 维普资讯 第 3 期 激光 驾束制 导光束编码设计及 电气套现 囿卫 东 3 空间的小区域 A ( i = 1, ⋯, 16; J :1, ⋯ l6) 对应一个代码 C , 调制光束从焦面阵的 S 点 开始. 沿箭头方 向扫描到 F 点完毕, 然后必最快速度 眺回 S 点, 进行零位校 准, 开始下次扫 描, 在光束中飞行的导弹, 通过接收光 束信 息可获得 导弹方位 C⋯ 从而算 出导弹偏离瞄准 中心线的误差, 采用相应的控制律, 把导弹拉到中心线 。 实现上述编码方 案有多种方法 : 机械联动式, 缺点是噪声大 、 精度低和扫描速度慢 ; 伺服 电机主要缺 点是定位误差大 , 有零点漂移, 产生的扫描图像畸变, 在空间是随机跳动的, 考虑 到步进 电机无定位误差、 可靠性高 、 控制简捷等优点, 利用步进电机作为动力机构 , 将与 振镜 直联, 通过微处理器控制撮镜运动, 可实现多种复杂的编码方案, 该机构具有无间隙、 结拘简 单、 噪声 小和效率高等优点, 实验表明该方案是行之有效的。 图 2 所示的激光束扫描图像范围折算到 电机 个步距 角, 即 电机作摆幅为 1 8 的往复运动, 来实现扫描图像 , 经 实验和理论分析发现, 由于步进电机固有的机械和电气参数 所决 定的 自由振荡频率 m。 存 在, 用一般 常规 驱动方 式, 步进 电机不能满足这种特殊的高频的扫描运动 理. 经分析和计算, 提出基于正弦细分驱动方法, 使步进电机产生交流伺服电机的运行特性, 满足上述扫描运动额率的要求。 3驱动电路分析与设计 步进 电机运动方程式 和Y 转轴上, 仅 为 1 8。 × 1. 8。 , 等于电机 一作者应用交流永磁伺服 电机 的驱动原 2目 M 一 M L = j 1) d M= M E ( , ) + M ( i , ) (2 ) 式中^ 电磁转矩, Mr 负载转矩, 』 转动部分转动惯量 ^t ( i , ) 同步转矩 , M ( i , 自 ) 阻尼转矩, 绕组电流, 偏离稳定平衡点的角度 在分析静特性时, 假设 ^ ( i , ) :0, 把矩角特性看成为正弦波形。 M = ^t = 一 JⅥ sin( 一 ) (3) 式中^“ 最大静力矩 ( 一y)失调 角. 它等于定子磁轴与转子齿中心线) 。实际上, 振镜的惯量很小, 换算到电机轴的负载转矩可忽略不计, 因此假设 由控制绕组产生的合成磁场决定的位置角 ML = 0, sin( 一 ) = 一y, 得 .尝+以 一 y: 0 M K d f 。 (4 ) ⋯ 一 由于 = z ,Z, 转子齿数, (4) 式可写成 杀 . 粤+ 一 y: 0 z k d t: ~ ㈤ ⋯ 维普资讯 弹箭 与利 导学报 1997 正 在初始条件 I 0= 0, = 0 下 , 当 y = 0 时. 解方程( 5) , 得 = COSW0t 0 一正弦细分 驱动 恒泷斩波 驱动 图 3电机在摆 动情况下 . 两种区动方式的 静特性和动 特性 / MxZ 丁n 。一 在负载转矩为零, 带电不动的情况下, 改变 攻通 电方式. 所产生 的矩 角特性 如图 3 细线 一所示. 可以看到 , 由 0 到 0 平衡点时正是 由于 的存在, 转子在 0 , 处不 能立刻 稳定下 来. 而是以 间, 转子 才能稳定在 0 l 平 衡点, 从 0 l 返 回 0 同样有相 同的过程, 因此 . 步进 电机的传统驱动 方式, 不能使 电机在 O0 之 间作高频摆动。步 频率 作衰减振 荡, 需要经过 一段时 进 电机转动是步进式的, 转 角 口 ( t )与时 间 t 的 函数关系不是 线性的, 各点角速度 自 ( £ )变化甚 大, 具有过冲和振荡, 用传统驱 动方式不 能得到 高频扫描图像, 消除过冲和振荡的方法是 : 将一 个步距 角分 成 n 微 步, 每 一脉 冲 电机 转 一微 步, ( t) 与驱动脉 冲频 率 r 的关 系是 ( t ) = K f , K :步距 角/ n, 随 n 增 加, 过 冲和振荡 现 象逐渐消失, 电机转动完垒均 匀. 口 ( t) 与脉冲数 P 成正 比, 即 口 ( £ ) = K P 。 当 y 0 时, 根据实际工作要求, 设 定 一 y 的大小及方向, 用高斯迭代法求解微分方程(5) 的特解, 结果如图 3 中的粗线所示 】 . 要 实 现正弦细分驱 动, 关键是在电机内建立均匀的 圆形旋转磁场 , 就是各相绕组 电流 的合成矢量 在空间作等幅旋转运动 , 转子跟随电流矢量旋转可以停 留于电流矢量指定的任意位置, 通过 控制 电流合成矢量得到转子运动速度和位置 。 4电路实现 用四相双 四拍混合式步进 电机作为执行元件, 各相绕组电流 m = k s inf。 一 詈 ) t : k sin (。 一 ) , , i . = 和 inf。 一 警) 、 为 = , 式中 峰值 电流 电流合成矢量J = 。 + e一 , 手+ e h + e一 芋= 2 J e一 通过 控视各相绕组 电流. 获得 I , 图 4 为 电路 电气原理图, 因电机与传动机构机械参数 是固定的, 当 n 越大, 电机转动越平滑, 稳定性越好, 但 以降低 电机最高转速为代价, 的选 择要兼顾电机转动的快速性 和运动 的平稳性, 在这里取 :2 . 每一脉冲 电机转过 K :18。 / 维普资讯 第 3 期 激光驾柬制导光 束编码 设计 及电气实现屈卫 东 2 通过控制 P 的大小和速度得到扫描 图像。为了使扫描图像更加完善, 采取如下措施 图 4驱 动电路原理 图 ( 1) 回程频率高于扫描脉冲频率 , 使光束从 F 点以最快速跳回s 点。 (2) 因 向电机的累积行程是 向电机的 l 6 倍, x- 向电机的环分电路进行 l6 分频。 ( 3) 两台 电机必须严格协调同步, 以 向电机计数脉 冲信号为基准 , 选用可预置减法计 数器为回程脉冲发生器。确保 . 1 7向电机的扫描 步数和 回程步数相等, 进而保证了 的速度和步数。 ( 4) 由于电机各相绕组各路驱动放大 电路参数不尽相同, 需要进行逐路检 测和调整, 使 电机转动更加光滑平稳 。 向电机 表 1两种驱动方式 的结 果对 比 驱动方式 往复额率(Hz) 扫描 帧数 (L/ 3) 电源功耗 结构 形式 系统 噪声 恒流斩波 60 32 . 4 W 复 杂 大 正弦细分 625 30 ~40 15 . O W 简单 小 表 1 是正弦 细分与恒浇斩渡驱动方式的结果比较, 从中可 以看到, 最高扫描帧数提高了 个数量级; 另一个改进是机械结构简单, 电源功耗小, 噪声小能满足实战要求。 参考文献 1.邛仁亮编著 光学制 导技 术 国 防工业 出版 社, 1992 2顾绳 爷主编 电机及拖动基础 . 旨肥工业大 学, 1980 3 A Buxhaum K . S chi erau. D esig n of Contr o l S ystems for A C D ri ves,Spr i nger V erlag B er【 In H eideherg 1 990 . 4 张山 激 光驾柬制导技 术应 用研 究 硕士 学位论 文. 1985. 5 .I P K opy [ov . M athem atical M odel s of E l ectlq . c M acl1 i nes, M ir Publisher s M c~cow 198 4 维普资讯

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