基于轴角转换的火炮伺服测试技术

杨传顺，段 超，江 楠

（江苏自动化研究所，江苏 连云港 222006）

0 引 言

典型的火炮应用系统中，由雷达或光电自动跟踪空中目标，同时将目标的距离、方位角、高低角等数据实时地传送给火控计算机，后者算出目标飞行的速度、航向以及火炮瞄准目标进行射击所必须的提前量，然后控制火炮伺服系统进行相应的方位角和高低角转动，带动炮身向预定的方向射击。因此，伺服系统对于火炮实现自动瞄准、精确打击、大面积的瞬时密集火力压制具有重要的现实意义，而对于火炮伺服的测试则是用于验证火炮的瞄准精度、实时响应速度、可靠性等不可或缺的环节[1-2]。

自整角机作为角度测量的传感器，由于其精度高、分辨率好、可靠性高、应用简单等特点被广泛用于火炮伺服控制系统中，作为控制火炮转动的伺服电机。本文提出基于轴角转换的火炮伺服系统测试技术，以达到测试火炮伺服的转动精度、灵敏度和响应速度等目的[3]。

1 系统体系结构

火炮伺服控制炮身的转动主要是通过火炮的架位来实现，架位分为方位和高低，即火炮在两个垂直方向上的角度转动。

基于轴角转换的火炮伺服测试系统体系结构示意图如图1所示，主要由微处理器（或PC机）和数字-自整角机转换器组成。通过微处理器装定数字信息，然后由数字-自整角机转换器把数字量角度信息转换为模拟量角度信息，即输出方位角（粗精双通道）和高低角（粗精双通道），然后传送给火炮的伺服系统，带动火炮炮身做相应的角度转动。该轴角测控系统，可模拟输出多种速比的自整角机信号，具有等速、正弦、阶跃等多种运动形式，采用键盘操控，实时角度显示，具有输出功率大、动态输出频率高、操作灵活、功能完备等特点。

图1 火炮伺服测试系统示意图

2 数字-自整角机信号转换器

自整角机是一种感应式同步微型电机，它广泛用于显示装置和伺服控制系统中，使机械上互不相连的两根或多根转轴能够自动保持相同的转角变化。自整角机一般采用三相绕组方式，基本结构包括一个转子和3个能够旋转的定子线圈绕组；转子上放置单相激磁绕组，转子有凸极结构，也有隐极结构；3个定子绕组成Y型排列，两两之间的夹角为120°。按照用途和工作原理划分，自整角机可以分为力矩式和控制式两种。力矩式自整角机主要用于自动指示系统中，可以远距离传输角度信号；控制式自整角机主要用于随动系统中，作为检测元件将转角信号转换为电信号[4]。

自整角机主要实现两种功能：一是将输入的机械转角信号按照指定函数关系转换为电信号；二是将输入的电信号按照指定函数关系转换为机械转角信号。它们都经常应用在同步伺服系统中，使远距离的多个机械转轴能够精确地保持相同的转角变化或同步变化，实现角度位置的远距离传输和转换。

把数字量转换为自整角机信息以驱动自整角机做相应的角度转动，常见的是采用专用的数字-轴角转换器。

SZZ系列转换器是一种全电子的自整角机模拟输出装置[5]，其功能是将输入的数字全角量转换成自整角机形式的模拟电压输出。转换器的数字输出具有锁存和过势保护功能。同时，转换器设计中增加了电流限制电路，防止由于过载或者输出波形畸变而导致转换器拉偏某一电源，大大提高了可靠性能。

SZZ转换器的原理图见图2所示。主要由参考变压器、正余弦乘法器、象限选择开关、功率放大器、输出变压器等组成。输入的参考信号经参考变压器隔离降压，给正余弦乘法器提供参考信号；数字角度量输入，经数字锁存器把低12位或14位数字量送到正余弦乘法器，把高2位数字量连接到象限选择开关，以形成全角量的正、余弦模拟信号，经过功率放大器进行放大，最后由输出变压器升压隔离形成三线自整角机信号输出。

图2 数字-自整角机转换器工作原理图

假设输入的参考电压为：Vref=E0sin（ωt），E0为参考电压的幅值，则输出的自整角机信号为

式中：K——输出变压器的变化。

除此外还有过热保护电路，主要是对功率驱动部分的电路提供过热保护，在功率驱动器温度达到120℃时，过热保护电路启动，关闭功率驱动器的输出；当温度下降到120℃以下后，过热保护电路关闭，功率驱动器自动恢复放大功能。

3 火炮伺服测试技术

对火炮伺服的测试主要通过伺服带动炮身做一系列的轨迹运动，验证自整角机转动的精度、灵敏度和响应速度。这些典型的运动轨迹参数可以手工随时装定，也可以以模拟训练题的方式由软件程序预先存储在微处理器中，当对火炮伺服做测试时，只需装入相应题号即可。然后对照伺服系统的实际转动输出角度值和理论输出角度值，进行误差的统计和分析，从而达到测试目的。

3.1 数值解码

粗精通道相应位数所对应的分辨率如表1所示。

粗精通道分别按照图2中所示的数字-自整角机信号转换原理进行转换，然后驱动伺服做相应的角度旋转。

3.2 运动测试

常见的对火炮伺服的运动测试主要有阶跃运动测试、方波运动测试、步进运动测试、等速运动测试、正弦运动测试等[5]。

3.2.1 阶跃运动测试

阶跃运动测试指输出某一固定的静态角度，粗、精通道同时输出。对应于在微处理器中装定一个静态数字量角度，或者求解一个静态题目。

3.2.2 方波运动测试

方波运动测试指从某一指定初始角位置开始，火炮以一定的振幅和周期做阶跃运动。运动轨迹为方波曲线，示意图如图3所示，其中θ为初始角度，A为振幅，T为周期。

表1 数字量角度分辨率对应表

图3 方波运动曲线示意图

3.2.3 步进运动测试

步进运动测试指从某一指定初始角位置开始，以一定步幅，通过键盘操控或者以预先设定的固定频率，做递增或递减的运动，此时粗、精通道可单独步进。运动轨迹呈阶梯曲线，示意图如图4所示，其中θ为初始角度，A为步幅）。

图4 步进运动曲线示意图

3.2.4 等速运动测试

等速运动测试指从某一指定初始角位置开始，测试系统的输出角度按预先设定的固定转速增加或减少。等速运动可分为限位等速和不限位等速，不限位等速运动曲线示意图如图5所示，其中V为速度，T为加、减速时间，伺服启动和暂停时均有加减速过程。退出等速时无减速过程，速度立刻降为零。

图5 不限位等速运动曲线示意图

限位等速运动又分为周期性限位等速和非周期限位等速，此时需要设定上限角和下限角参数。周期性限位等速运动启动后，输出角等速运动到上限角，停几秒（由软件设定），再调转运行到下限角，再停几秒，再调转运行到上限角，如此周期性运动。

3.2.5 正弦运动测试

正弦运动测试指从某一指定初始角位置开始，测试系统的输出角度以一定振幅和周期做正弦变速运动。启动和暂停时均有加、减速过程，退出正弦（即刹车）时无减速过程，速度立刻降为零，运动曲线示意图如图6所示，其中θ为初始角度，A为振幅，T为周期。

图6 正弦运动曲线示意图

在正弦运动开始和结束时分别有加速和减速运动过程，这个过程通常都采用正弦加速和正弦减速，这段时间的大小取决于火炮运动的速度、加速度、有效行程等多种因素，综合考虑，一般情况下为保证火炮的等速有效行程，该时间尽可能小[9]。

3.2.6 动态输出速率变化

为保证在等速、正弦运动中信号输出的连续性，本测试系统采用硬件加密（此处加密指转角变化率变小，相邻两个转角的差距减小，密度增加）技术，使信号的动态输出频率始终以最低分辨率随角速度变化，粗、精通道的输出频率可按式（2）计算[10]。

式中：N——速比；

Φ——角速度。

3.3 火炮的机械限位

当对伺服做测试运动时，装定的数字量信息需要考虑火炮的机械限位，火炮的机械限位包括方位上的和高低上的机械限位，它们决定了火炮的有效运动范围，测试系统输出的角度信号不能超过该范围。

特别是在等速、正弦运动开始前，需要将火炮调整到合适的初始角位置，以正弦运动为例，运动范围不能超过机械限位，中心角和初始角之差为正弦运动振幅，示意图如图7所示。同样在等速运动中，上下限角也要在有限运动范围内，同时还要注意运动方向。例如，在非周期限位等速运动中，当火炮转到上限角停止后，这时只能反转，继续正转将超限。

图7 火炮的正弦运动限位示意图

4 结束语

该伺服测试系统因其结构简单、性能稳定可靠、操作方便等优点，已在多个舰炮火控系统中得到了应用和推广，测试效果良好，使火炮伺服的可维修性和可测试性得到了很大的提高。同时对于采用自整角机作为伺服电机的角度控制系统的稳定性和可靠性检测，具有很好的示范作用。

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