弹道修正弹修正舵机控制策略研究

（沈阳理工大学兵器科学研究中心，辽宁 沈阳 110159）

二维弹道修正是指对弹丸横向和纵向两个方向均进行修正，主要以修正横向为主，通过改变俯仰力矩和偏航力矩来控制弹丸飞向目标[1]。修正舵机减旋是高旋稳定弹丸修正的关键，减旋的目的是提高修正的准确度和降低修正的难度。通过调整修正弹舵机在空中飞行时的不同空中姿态（相对于大地）和垂直舵机表面的气动力来改变修正弹的飞行轨迹，使其按照标准弹道飞行。弹丸在飞行的过程中，舵机一直处于高速旋转，只有弹丸飞行到可修段（速度小于2马赫）时，控制电机实现弹丸在飞行过程中修正舵机的减旋，使舵机保持在相对较低的转速(60 r/min～120 r/min)下转动。弹载计算机根据实测弹丸坐标及弹道偏差，解算出修正量，控制系统再控制弹上修正舵机根据修正量的大小和方向进行有限次的不连续的动作，从而实现对弹丸在纵向和横向上的修正。通过对修正鸭舵的工作原理及其受力分析提出了弹道修正弹的控制策略，所设计的弹道修正机构的电机控制控制系统能够达到修正弹的基本要求，为高速旋转弹丸的二维修正提供了参考依据。

1 修正弹的总体结构

1.1 修正舵机的结构布局

修正舵机结构布局如图1所示，弹道修正弹的设计是在原有的“笨蛋”头部安装个具有修正能力的修正装置，把它改装成智能控制弹药。修正舵机采用空气动力鸭式舵机执行机构，修正系统由修正部、姿态测量与导航装置和控制部三部分组成。

图1修正舵机结构布局图

修正部分通过深沟球轴承与控制部分相连，轴承起到隔离转速作用，因此两者能够相互自由旋转。控制部的主体结构安装在弹体内部，控制部分内装有防过载的缓冲装置，能够有效地减少修正部件、控制部中的电子元器件和电机在弹丸发射时所受到的冲击力。考虑到弹载全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)组合制导需要在低转速状态下，测量信号状态稳定性，姿态探测与GPS导航系统装在修正机构的内部。根据控制方案要求，修正舵机需在弹丸的飞行过程中处于低速旋转状态，所以把姿态测量与导航装置放置在修正部内腔里更能有效地检测修正舵机的空间信息。

1.2 鸭舵执行机构

固定式鸭舵执行机构的工作原理是通过弹体姿态控制指令使舵机带动舵面偏转，从而改变弹体的飞行姿态，并利用空气阻力改变弹丸的飞行速度[6]。

修正弹控制部分的舵机结构设计如图2所示，十字型鸭舵包含一对操纵舵和一对偏航舵，其中1号舵片和3号舵片以某一固定的舵偏角同向平行安装，称为操纵舵。当需要修正时，舵机会根据弹载计算机的控制指令控制1号舵片和3号舵片的位置，使其为弹丸提供相应的飞行控制力。2号舵片和4号舵片为一对以某一舵偏角反向差动安装的舵片，称为偏航舵。偏航舵的偏角为6°，其作用是在弹丸处于无控飞行阶段，为弹体头部提供与弹丸旋转方向相反的力矩。

图2十字鸭舵结构

2 修正舵机修正力矩分析

当弹丸出膛后，修正舵机不仅受升力和阻力作用，而且受到舵翼旋转形成的导转力矩与轴承摩擦力矩共同作用，在修正时会受到电磁转矩的作用。这些力和力矩所形成的合力矩使得修正舵机旋转到最佳修正位置，鸭舵所受力矩如图3所示。

图3 鸭舵力矩分析图

修正舵机系统为一惯性系统，其输出与输入无直接关系[7]，故在进行修正舵机停止某角度控制时，系统的转动惯量是必须要考虑的因素。根据旋转系统的动能定理：

整理式（2）可得目标角度的表达式：

式中：θ为目标停止角度，单位为(°)；J为舵机系统转动惯量，单位为 kg·m2；ω1，ω2为舵片停止前后的角速度，角速度单位为rad/s；Me为电磁转矩，单位为N·m；M1为轴承摩擦力矩和惯性力矩之和，单位为N·m；M2为风阻力矩，单位为 N·m.其中，J，M2经过对样机多次试验测量计算出的合理数据。

弹载GPS和INS组合制导检测弹丸的飞行姿态，达到修正条件，弹载计算机发出修正控制命令控制系统以当前的各参数解算出停止转动所需的时间与该时间内标定舵片所需转过的角度θ.如图4所示，然后标定舵机在下一次旋转到预调整位置时提前θ角度，修正力矩作用执行停止旋转动作。

图4舵机角度控制示意图

3 控制策略及实验分析

修正舵机采用永磁同步直流电机作为控制电机，控制方式为斩波调压，改变输出PWM波占空比调整电枢回路电流，从而改变驱动电机的输出力矩，直到达到预设转速并保持稳定旋转完成减旋过程，进而通过控制电机的电磁转矩使模拟舵机停止到某一预设角度。

永磁直流无刷电机伺服控制系统的控制策略理论上已经比较完善，比如传统的PID控制、滑模变结构控制、采用微分几何理论的解耦控制、模型参考自适应控制等，这些控制策略都可以使系统性能得到改善和提高。但这些理论仍然建立在对象精确的数学模型基础上，有的需要大量的传感器、观测器，因而结构复杂，体积较大。由于修正弹弹丸内部结构空间的局限性，致使电机的控制系统不能太过复杂，但是修正舵机又需要较高精度的控制，故本文采用电流、转速双闭环控制系统(见图5)，一方面减少了系统复杂度，同时也满足舵机修正精度的要求。

图5直流无刷电机双闭环控制系统

采用双闭环控制方式，外环速度环和内环电流环两者之间实行串行联接，即把转速调节的输出当作电流调节的输入，电流采样为电流负反馈提供信息，这样的控制方式可以使电机控制系统能够满足稳、准、快的基本要求[6]。在用电流调节的输出去改变输入电压，最终都是通过改变PWM的占空比来调节电压实现控制。通过光电编码器提供电机的位置、转速等信息反馈到控制系统，进而实现修正电机的位置姿态调整。

舵机系统的控制方法在考虑轴承摩擦力矩和惯性力矩对系统的影响情况下，实验数据如表1所示。

表1舵片修正角度偏差

由表1可知，角度偏差在7.5°范围内，很大程度地提高了舵机修正精度。角度偏差数据分析表明，电机的转速越大舵片停止角度偏差呈增大趋势，当电机转速达到7200时角度偏差为7.5°。舵机修正原理是通过有限次不连续的动作来完成对舵片的控制，从而达到二维修正的目标。该系统在一定精度上实现了高速旋转弹的二维修正，为后续高精度的舵机修正系统的研究提供了实验依据。

4 结束语

本文提出了一种弹道修正弹电动舵机减旋和停止角度的控制方法，通过理论分析和平台实验的验证。所设计的弹道修正机构的电机控制控制系统能够达到修正弹的基本要求，结果表明该控制方法人为机械特性好，并能够达到相应的控制准确性，良好的快速性和稳定性，基本能够达到二维弹道修正系统对气动舵机的控制要求，为后续的弹道修正的进一步研究提供了很好的参考依据。

[1]周中华.二维弹道修正装置设计[D].南京：南京理工大学，2006.

[2]李新福，陈柏宁，郝永平，等.弹道修正执行机构中电机的控制方法研究[J].成组技术与生产现代化，2014，31(3)：36-40.

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[4]张相军，陈伯时.无刷直流电机控制系统中PWM调制方式对换相转矩脉动的影响[J].电机与控制学报，2003，7(2)：87-91.

[5]王秀和，李光友，杨玉波.永磁电机[M].北京：中国电力出版社，2010.

[6]汤宁平，崔 彬.高分辨的永磁无刷直流电机转子零初始位置检测方法[J].电工技术学报，2013，28(10)：45-49.

[7]郝永平，孟庆宇，张嘉易.固定翼二维弹道修正气动特性分析[J].弹箭与制导学报，2012，32(3)：171-173.