一种用于固定翼鸭舵的控制系统的制作方法

本发明涉及航天领域，尤其涉及一种用于固定翼鸭舵的控制系统。

背景技术：

迫击炮具有弹道弯曲、射速快、结构简单、便于机动、易于操作等特点，适于城市巷战和山地作战，在世界各国得到了广泛的应用。现有技术中，其主要利用十字鸭舵实现炮弹的精确制导，但此种方式成本较高，控制相对复杂。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的缺陷，本发明提供一种用于固定翼鸭舵的控制系统，提高了迫击炮的落点精度。

本发明提供的一种用于固定翼鸭舵的控制系统，其改进之处在于，所述控制系统包括控制机构系统、姿态测量系统、无线通信系统和处理器；所述控制机构系统包括电子负载、整流桥和永磁电机；所述控制系统替代迫击炮弹的头部引信，安装在所述迫击炮弹的头部；

所述姿态测量系统将采集的滚转角速度通过所述无线通信系统传到所述处理器；所述处理器根据所述固定翼鸭舵与弹体之间的转速差，控制所述电子负载，通过所述整流桥，调节所述永磁电机的电磁力矩，改变所述固定翼鸭舵的滚转角速度。

优选的，所述整流桥为三相整流桥；

所述三相整流桥的三个交流端子和所述永磁电机的三相对称绕组分别连接，所述三相整流桥的两个直流端子与所述电子负载连接。

较优选的，所述电子负载包括运算放大器、场效应管和采样电阻；

所述运算放大器的正向输入端与所述处理器连接，所述运算放大器的反向输入端与所述场效应管的源极连接，所述运算放大器的输出端与所述场效应管的栅极连接；所述场效应管的漏极与所述三相整流桥的其中一个直流端子连接，所述场效应管的源极通过所述采样电阻与所述三相整流桥的另一个直流端子连接。

较优选的，所述固定翼鸭舵的舵片固定在所述永磁电机的外壳上，所述永磁电机的转子固定在弹体纵轴上，所述转子和定子之间设有所述固定翼鸭舵的轴承。

较优选的，所述永磁电机的参数确定方法包括：

根据所述永磁电机内部永磁体的尺寸和极弧系数，确定极对数；

根据极与极之间的距离，确定串联匝数；

根据极对数和串联匝数确定所述永磁电机的转速电压比、磁转矩常数和内阻。

较优选的，所述姿态测量系统为X轴陀螺仪，其固定在所述固定翼鸭舵的前端，与所述固定翼鸭舵同步旋转。

较优选的，所述场效应管的漏极与所述三相整流桥中由二极管阴极构成的直流端子连接，所述场效应管的源极通过所述采样电阻与所述三相整流桥中由二极管阳极构成的直流端子连接。

较优选的，所述场效应管的型号为IRF3710；所述运算放大器的型号为OP27。

本发明的技术方案中：

本发明利用其飞行控制过程中的空气动力作为控制机构的能量来源，通过控制弹体和鸭舵间的差动旋转速率，使制导迫击弹的固定翼舵片产生控制力，通过控制机构的处理器控制电子负载，改变永磁电机的电磁力矩和固定翼鸭舵的滚转角速度，进而改变鸭舵的控制力矢量方向，利用绕质心运动修正质心运动，提高迫击炮弹的落点精度。

本发明仅通过安装在弹头和弹体之间的永磁电机来进行差速旋转控制，取消了传统的伺服机构，可以大幅减小控制系统体积和成本，具有费效比高的特点。

附图说明

图1为本发明实施例的一种用于固定翼鸭舵的控制系统示意图；

图2为本发明实施例的固定翼鸭舵所受滚转力矩示意图；

图3为本发明实施例的控制机构示意图；

图4为本发明实施例的三相全波整流的电压波形；

图5为本发明实施例的IRF3710的端电压VGS和导通电流IDS变化曲线。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举出优选实施例，对本发明进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为了使读者对本发明的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有这些特定的细节也可以实现本发明的这些方面。

本实施例提供的一种用于固定翼鸭舵的控制系统，其示意图如图1所示，包括控制机构系统、姿态测量系统、无线通信系统和处理器；控制系统替代迫击炮弹的头部引信，安装在迫击炮弹的头部。

本实施例的姿态测量系统可通过X轴陀螺仪实现，其固定在鸭舵前端，与鸭舵同步旋转，主要功能是采集固定翼鸭舵的滚转角速度信息。当陀螺仪量程设定较大，则鸭舵的转速可调节范围越大，鸭舵的转角调节时间就越短，但是当考虑陀螺仪测量角速度的精度随量程增大而成比例降低的影响，为保证角速度精度满足0.06°/s(50s飞行时间累计误差3°)的精度指标，选用量程范围为±2000deg/s、分辨率为2¹⁶次和抗瞬时大过载的陀螺仪作为鸭舵的滚转角速度采集传感器。

本实施例由于固定翼鸭舵和弹体纵轴之间通过轴承实现差速旋转，因此采用无线通信的方式实现双旋弹体的数据通信，其主要发送固定翼鸭舵的旋转角速度信息。本实施例的无线发送数据的格式为2个字节字头、2个字节陀螺仪测量数据和2个字节CRC校验值，为了保证通信传输速率选取通信工作速率为2Mbps。

本实施例的控制机构系统如图3所示，包括电子负载、整流桥和永磁电机；整流桥为三相整流桥，其三个交流端子A、B、C和三相永磁电机的三相对称绕组端子A、B、C分别对应连接，三相整流桥的两个直流端子与电子负载连接。电子负载包括运算放大器、场效应管和采样电阻；运算放大器由12V电压供电，其正向输入端与处理器连接，反向输入端与场效应管的源极(S极)连接，运算放大器的输出端与场效应管的栅极(G极)连接；场效应管的漏极(D极)与三相整流桥中由二极管阴极构成的直流端子连接，场效应管的源极(S极)通过采样电阻R1与三相整流桥中由二极管阳极构成的直流端子连接。

本实施例的固定翼鸭舵舵片固定在永磁电机的外壳(即与永磁电机定子相对固定)上，所述永磁电机的转子固定在弹体纵轴上，所述转子和定子之间设有所述固定翼鸭舵的轴承。

永磁电机的转子固定在弹体纵轴上，所述转子和定子之间设有固定翼鸭舵的轴承。相对十字鸭舵内部采用的双舵机，固定翼鸭舵中的三相永磁电机的成本更低廉，占用控制舱的体积更小。

本实施例的工作原理为：永磁电机定子与转子之间的电磁力矩提供了固定翼鸭舵绕弹体纵轴正向旋转的阻尼力矩，固定翼鸭舵滚转舵片产生的气动导转力矩提供了固定翼鸭舵绕弹体纵轴反向旋转的外部力矩，如图2所示。根据鸭舵绕弹体纵轴转动的动力学方程可知，通过调节永磁电机内部的电磁力矩大小，就可以控制固定翼鸭舵的滚转角速度，完成控制固定翼鸭舵的滚转姿态，实现了迫击炮弹的落点精度提高的目的。具体的，

在弹体固定坐标系下，鸭舵绕弹体纵轴转动的动力学方程如下：

式中：为固定翼鸭舵绕弹轴的角加速度；L_F为鸭舵外部气动导转力矩，为负值；L_A/F为鸭舵内部的滚转阻尼力矩，为正值；为固定翼鸭舵的极转动惯量。

鸭舵内部的滚转阻尼力矩L_A/F的计算公式为：

L_A/F＝M_friction+M_e

式中：M_friction表示轴承摩擦力矩，为正值；M_e表示电磁力矩，为正值。

当弹体与鸭舵之间差动旋转时，永磁电机的定子与转子相对旋转，从而会产生三相电枢电压，三相对称绕组的相电压方程为：

式中：u_a、u_b、u_c为绕组三相电压；R_a为绕组相电阻；i_a、i_b、i_c为绕组三相电流；L为绕组相自感；M为绕组相互感；e_a、e_b、e_c为绕组产生的感应电动势。

如图3所示，三相整流桥把三相电压u_a、u_b、u_c转换为电子负载中场效应管输入端的直流电枢电压U_armature，整流效果如图4所示，在输出波形图中，平直虚线是整流滤波后平均输出电压值。虚线以下和各正弦波的交点以上(细虚线以上)的小脉动波是整流后未经滤波的输出电压波形。

场效应管IRF3710的GS端电压V_GS和导通电流I_DS的变化规律如图5所示，端电压V_GS越大导通电流I_DS越大，对应电枢电流I_armature越大。运算放大器用于正端电压U_{CMD_DA}和负端电压I_armature*R₁之间压差信号放大。当有运算放大器正端控制命令U_{CMD_DA}信号到来时，如果负端电压小于正端电压值，端电压V_GS增大，使得MOS管加大导通从而为电枢电流I_armature补流，直到正端电压U_{CMD_DA}和负端电压I_armature*R₁近似相等，由于OP27的压差放大倍数为1500倍，因此U_{CMD_DA}与I_armature*R₁之间偏差为0.0023～0.0027V，可以近似忽略，由此可知电枢电流I_armature和控制命令U_{CMD_DA}信号关系为：

I_armature＝U_{CMD_DA}/R₁

永磁电机A相通过三相整流桥输出电枢电流到场效应管的D端，通过控制电子负载的控制命令信号U_{CMD_DA}，调整永磁电机内部的电枢电流I_armature，随后通过S端输出电枢电流I_armature，利用三相整流桥输入到永磁电机的B相。通过增大电枢电流I_armature，进而增大永磁电机内部A相和B相之间的电磁转矩。而电磁力矩M_e和电枢电流I_armature的关系表达式为：

M_e＝K_M*I_armature

式中：K_M为转矩常数(单位：Nm/A)。通过增大固定翼鸭舵内部的滚转阻尼力矩以达到降低永磁电机转子转速的目的，实现永磁电机转子外部固定翼鸭舵的转速和角速度的控制。

本实施例对永磁电机参数的选择如下：

设永磁电机内部电枢绕组每相串联匝数为N_φ，则每相绕组的感应电动势幅值E_φ(V)为：

式中：p—电动机的极对数；α_i—计算极弧系数；N_φ每相串联匝数；Φ_δ—每极磁通量(Wb)；C_e—电动势常数，n—永磁电机的转速(r/min)；

由感应电动势幅值E_φ公式可以得到永磁电机转速电压比K_n(rpm/V)公式：

对于两相导通星型六状态永磁电机来说，在任一时刻电机的电磁力矩由两相绕组的合成磁场和转子磁场相互作用产生，则永磁电机的电磁力矩M_e为：

式中：M_e—永磁电机的电磁力矩；E_φ—感应电动势幅值；ω—永磁电机的机械角速度，ω＝2πn/60；n—永磁电机的转速(RPM)；Φ_δ—每极磁通量(Wb)；I_a—每相绕组电流；C_T—永磁电机的转矩常数。

由公式K_n与M_e可得公式K_M：

式中：K_M—为电磁力矩常数，单位Nm/A；K_n—磁电机转速电压比，单位RPM/V。

由M_e公式可知，电磁力矩常数K_M越大，额定电枢电流下，电磁力矩M_e越大，永磁电机的控制能力越强。

由公式K_M可知磁转矩常数K_M与转速电压比K_n成反比，因此本实施例在永磁电机的选型过程中转速电压比K_n越小越好。由公式K_n可知，转速电压比K_n与永磁电机的极对数p和每相串联匝数N_φ成反比。电机的极对数和匝数选值范围由永磁电机的尺寸决定。由于二维修正控制舱通过弹顶螺纹安装在常规迫击炮弹的头部，螺纹宽度为常值，设定的控制舱宽度与螺纹宽度相关，从而也确定了本实施例中永磁电机的宽度。根据永磁电机内部永磁体的实际尺寸和极弧系数α_i，本实施例确定极对数p的选取范围，由于转速电压比K_n与永磁电机的极对数p成反比，因此选取极对数p为最大值。考虑极与极之间的距离，确定每相串联匝数N_φ的选取范围，由于转速电压比K_n与每相串联匝数N_φ成反比，因此选取每相串联匝数N_φ为最大值。通过极对数p和每相串联匝数N_φ确定永磁电机的转速电压比K_n的选值范围，从而确定了对应的磁转矩常数K_M选值范围和内阻范围。本实施例对永磁电机的电气参数选择如下：

极对数p的选取范围为6～12对；每相串联匝数N_φ的选取范围为160～400；永磁电机的转速电压比Kn的选值范围为56～60rpm/V；磁转矩常数K_M选值范围为0.159～0.1705Nm/A，内阻范围为16～20Ω。

本实施例由攻角变化方程可知，当弹体转速越快，弹体转动产生的动力平衡攻角越大，对应双旋弹的距离散布越大，固定翼鸭舵能够修正的距离散布为100m～300m左右，对应弹体转速范围为400～1200RPM，为了降低电子负载内部MOS管的功耗，进而降低MOS管的工作温度，本实施例设定永磁电机电枢电流的适用性范围为0～1A。

本实施例中的场效应管的型号为IRF3710，运算放大器的型号为OP27。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。