基于固定鸭舵的单通道控制研究

张开创，高欣宝，刘秋生，陈 浩

（军械工程学院，石家庄 050003）

基于固定鸭舵的单通道控制研究

张开创，高欣宝，刘秋生，陈 浩

（军械工程学院，石家庄 050003）

针对固定鸭舵弹道修正组件在旋转稳定榴弹中的应用问题，介绍了固定鸭舵的结构组成及工作原理。在分析双转式永磁无刷直流电机控制系统组成的基础上，建立了双转永磁无刷直流电机的数学模型，提出了一种电流、转速双闭环单通道滚转控制策略。通过双轴仿真测试转台，对电机控制效果及模拟飞行进行了模拟实验与测试，结果表明：该方式控制效果较好，控制精度较高，能够满足弹药简易制导的要求。

双转式，永磁无刷电机，固定鸭舵，滚转控制

0 引言

近年来，以美国ATK公司研究的精确制导组件PGK为典型代表，采用固定鸭舵技术通过对常规弹药进行弹道控制［1］，实现了弹道的二维修正，并成功应用于155 mm炮弹和120 mm迫击炮弹。固定鸭舵技术对弹药的二维修正，仅需通过对固定鸭舵的单通道滚转控制即可实现。这种控制方式的效率高、控制系统设计较为简单、控制部件体积小且置于弹体的前段利于结构设计等优点，因而在制导弹药控制系统中得到广泛重视［2］。

固定鸭舵对旋转稳定榴弹的弹道修正，是通过直流电机和可变负载来控制固定鸭舵相对于弹体的滚转速度，从而控制操纵舵在大地坐标系中处于固定修正位置，使弹体产生相应修正力和力矩，实现弹道修正控制。直流电机的控制精度及响应时间，直接决定固定鸭舵对弹药弹道修正的效果。因此，本文基于滚转控制的固定鸭舵技术和双转式永磁无刷直流电机的无位置传感器控制技术，研究旋转稳定榴弹固定鸭舵滚转控制的工作原理及控制策略，搭建舵机系统平台，并通过仿真和实验验证所提控制策略和硬件系统的可行性。

1 固定鸭舵弹道修正组件组成及工作原理

1.1 固定鸭舵弹道修正组件的结构组成

固定鸭舵弹道修正组件由两部分组成，分别为：与弹体螺纹连接的修正组件主体和可相对修正组件自由旋转的固定鸭舵［4］。其结构原理示意图如图1所示。

1.2 固定鸭舵弹道修正组件的工作原理

弹丸发射后，由于火炮膛线的作用，弹体将高速向右旋转，外转子套筒与弹体螺纹连接，其必将随弹体高速旋转；出炮口后弹丸速度较大，在来流作用下，差动舵产生较大的导转力矩，固定鸭舵在气动力矩的作用下向左旋转。电枢绕组与外转子套筒固连，永磁铁与内转子固连，两者相对转动构成双转式永磁无刷直流电机，电枢绕组中将产生感应电动势，通过外接整流电路可为弹载计算机、卫星接收机等用电器件供电。

卫星接收机开始接收卫星信号，弹载计算机按照预先装定的星历信息解算卫星信号，定位弹丸的位置、速度信息。弹丸定位有效后，弹载计算机根据实时的弹丸位置、速度信息计算弹丸的纵向落点偏差Δx、横向落点偏差Δz；弹载计算机根据地磁传感器测量的信号计算固定鸭舵在大地坐标系中的姿态信息（俯仰角、偏航角、滚转角）［5-6］；根据陀螺测量信息计算固定鸭舵的滚转速度ω；进而按照相应的制导算法计算舵控信号δ，舵控信号δ作为双转式永磁无刷直流电机的控制输入，实现对弹体的单通道控制。固定鸭舵弹道修正组件工作原理框图如图2所示。

采用双转式永磁无刷直流电机作为固定鸭舵滚转控制的执行机构，这就大大降低了对电机系统功率的需求；正常工作时，电动舵机一直处于工作状态，相对于普通的舵机控制系统，避免了电机的频繁启动与换向，系统响应速度快，降低了对弹体的冲击；再次，采用单通道控制方式，可以有效地减小通道间的耦合，利于弹丸实现具有大机动能力的控制方式。

2 双转式永磁无刷直流电机的单通道控制系统

2.1 双转式永磁无刷直流电机控制系统的组成

如图3所示，固定鸭式舵单通道控制系统采用TI公司TMS320C6713系列32位浮点DSP作为主控芯片，假定处理器接收控制角δ信号（由弹载计算机提供），进行切换位置和转速的解算，然后将转速和切换位置的时间输出给双转式永磁无刷直流电机的速度、电流双环PID控制器，转换成与之相应的脉宽调制的PWM信号，通过驱动电路控制逆变电路中对应的三端双向可控硅的开关状态，改变电机转速。地磁传感器组获取固定鸭舵舵片位置信息反馈到PID控制器，以实现对电机运行的闭环控制。

2.2 双转式永磁无刷直流电机PID控制原理

双转式永磁无刷电机有内外两个转子，电枢绕组和磁铁都可以旋转［7-8］。其数学模型可以仿照普通永磁无刷电机的数学模型，只需增加一个运动方程即可，且两个转动运动方程的形式是一样的。其电流、电压平衡方程如式（1）、式（2）所示［9］：

式中ia、ib、ic为绕组相电流；Ua、Ub、Uc为绕组相电压；Ra、Rb、Rc为每相绕组的电阻；L为每相绕组的自感；M为两相绕组间互感，ea、eb、ec为感应电动势。

电磁转矩的表达式为：

式中w1为电枢绕组角速度，w2为永磁铁角速度。

双转式永磁无刷直流电机的电流。速度双环PID控制器是一种非线性控制器，它根据给定控制角δ与实际固定鸭舵滚转角γ构成的偏差为控制量：

将偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID控制器。其控制规律为：

式中Kp为比例系数；T为积分时间常数；TD为微分时间常数。

3 仿真实验与结果分析

仿真实验中采用高速电机带动外转子套筒，模拟弹体转动；扭矩耦合器带动固定鸭舵，模拟飞行中固定鸭舵的滚转。为便于开展研究工作，搭建了固定鸭舵弹道修正组件的双轴仿真测试高速转台，如图4所示。

仿真和实验中所采用的固定鸭舵弹道修正组件样机基本参数如下：相间电感L=66.4×10-3H，相间电阻R=0.466 Ω，磁极对数P=6，转矩系数Kt= 0.019 2 N·m/A，固定鸭舵转动惯量Jn=1.03×10-3kg· m2。高速电机最高转速18 000 r/min，扭矩耦合器量程5 N·m。

3.1 电机控制效果仿真实验

将双转式永磁无刷直流电机的PID控制算法烧写入弹载计算机，分别给定固定鸭舵控制角90°、-90°，通过双轴仿真测试实验平台可对控制算法进行验证，高速电机10 000 r/min，扭矩耦合器使固定鸭舵反向转速为120 r/min。控制角δ=90°时固定鸭舵滚转角变化如图5所示，控制角δ=-90°时固定鸭舵滚转角变化如图6所示。

由图5可见在控制段固定鸭舵滚转角基本在90°附近波动，并基本保持稳定，波动范围约在5° ～10°以内；由图6可见为在控制段固定鸭舵滚转角基本在-90°附近波动，控制段末期波动较大，波动在可接受的范围内。综合图5、图6可见，对双转式永磁无刷直流电机的速度、电流双环PID控制效果较好。

3.2 飞行模拟实验

用双轴仿真测试高速转台模拟弹丸飞行过程中弹体和固定鸭舵的滚转运动，高速电机转速16 000 r/min，扭矩耦合器带动固定鸭舵转动，转速30 r/min。由卫星模拟器模拟弹丸飞行过程中的卫星信号，用于计算实时控制角δ。整个过程由弹载计算机进行控制，并通过外联装置记录数据。试验结果如图7所示，其中，图7为解算的控制角δ，图8为固定鸭舵的滚转角γ。

对比图7、图8可见，固定鸭舵基本在解算的控制角附近波动，波动范围5°～10°以内，控制效果较好，能够对弹丸起到修正作用。

4 结束语

固定鸭舵技术是通过控制固定鸭舵相对地面坐标系的静止位置来实现弹道修正。而固定鸭舵的转动和静止是由双转式永磁无刷直流电机控制的，固定鸭舵的弹道修正效果主要取决于双转式永磁无刷直流电机的PID控制。本文研究了双转式永磁无刷直流电机的数学模型，在此基础上通过双轴仿真测试高速转台对电机的控制效果及飞行模拟进行了半实物仿真实验，实验结果表明：电机控制和模拟飞行效果较好，能够满足固定鸭舵单通道控制的要求，为整弹的飞行实验打下了良好的基础。

［1］张开创，刘秋生，熊然，等.固定鸭舵弹道修正组件发展［J］.飞航导弹，2014，32（3），64-67.

［2］Charrier J J，Kulshreshtha A.Electric Actuation for Flight& Engine Control System:Evolution，Current Trends&Future Challenges［C］//45th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit，2007，Reno，Nevada.

［3］Guo H，Wang W，Xing W.Design of Electrical Mechanical Hybrid 4-Redundancy Brushless DC Torque Motor［J］.Chinese Journal of Aeronautics，2010，23（1），211-215.

［4］马宝成.基于旋转舵的弹道控制技术研究［D］.太原:中北大学，2012.

［5］高峰.弹道修正弹飞行姿态角磁探测技术及其弹道修正方法研究［D］.南京:南京理工大学，2008.

［6］曹红松，冯顺山，赵捍东，等.地磁陀螺组合弹药姿态探测技术研究［J］.弹箭与制导学报，2006，26（3）:142-145.

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［10］Qu R，Alipo T.Dual-rotor，Radial-flux，Torodially-wound，Permanent-magnet Machines［C］//IEEE-IAS Conf.Rec. Pittsburgh，PA，2002，12:1281-1288.

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［12］刘金琨.先进PID控制MATLAB仿真［M］.北京：电子工业出版社，2006.

Research on Single Channel Control of Fixed Canard

ZHANG Kai-chuang，GAO Xin-bao，LIU Qiu-sheng，CHEN Hao
（Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China）

According to the application problem of the fixed canard trajectory correction kit technology in dual-spin stabilized projectiles，this article introduces the structure and working principle of the fixed canard kit.Base on the analysis of the control system of dual-rotor permanent magnet brushless motor，the mathematical model is established.And then the single channel control strategy which includes inner current-loop and the outer speed-loop is presented.The motor control effects，and the simulated flight simulation experiment is carried out using biaxial simulation test turntable at a high speed.The final testing data indicates that the control system can achieve preferable performance and high control precision，and suit the requirements of simple guidance.

dual-rotor，permanent magnet brushless motor，fixed canard，rolling control

TJ43

A

1002-0640（2015）10-0125-04

2014-08-05

2014-09-07

张开创（1988- ），男，河南开封人，硕士研究生。研究方向：弹药系统化设计。