某型燃?xì)舛鏅C(jī)模擬器設(shè)計(jì)

范海霞 夏為浩 溫向華/國(guó)營(yíng)長(zhǎng)虹機(jī)械廠

舵機(jī)是制導(dǎo)裝備中控制系統(tǒng)的執(zhí)行部件，主要用于制導(dǎo)裝備的控制。在控制系統(tǒng)的診斷和半仿真系統(tǒng)中，為了獲取自動(dòng)駕駛儀和半仿真系統(tǒng)真實(shí)的測(cè)試參數(shù)，應(yīng)對(duì)其燃?xì)舛鏅C(jī)進(jìn)行測(cè)試和數(shù)據(jù)采集。為使系統(tǒng)測(cè)試簡(jiǎn)單化，本文根據(jù)某型燃?xì)舛鏅C(jī)的基本原理，進(jìn)行該型燃?xì)舛鏅C(jī)模擬器的設(shè)計(jì)。

1 燃?xì)舛鏅C(jī)基本原理

1.1 基本原理

舵機(jī)受裝備中的燃?xì)饣驓庠聪到y(tǒng)驅(qū)動(dòng)和電磁力控制，將控制部件的誤差控制電信號(hào)轉(zhuǎn)換為作動(dòng)筒活塞桿的機(jī)械線性比例位移輸出，經(jīng)球鉸連接，使舵面轉(zhuǎn)動(dòng)，從而線性控制裝備的飛行姿態(tài)，如圖1 所示。

1.2 氣動(dòng)布局

圖1 射流管式氣壓舵機(jī)原理圖

圖2 舵面偏擺視圖

圖3 舵機(jī)模擬器設(shè)計(jì)方案

根據(jù)某型制導(dǎo)裝備舵面布局，要實(shí)現(xiàn)俯向運(yùn)動(dòng)，舵面偏擺應(yīng)符合圖2a），產(chǎn)生Z 軸向下的力矩L1、L2；要實(shí)現(xiàn)仰向運(yùn)動(dòng)，舵面偏擺應(yīng)符合圖2b），產(chǎn)生Z 軸向上的力矩L1、L2；要實(shí)現(xiàn)右航向的運(yùn)動(dòng)，舵面偏擺應(yīng)符合圖2c），產(chǎn)生Y 軸向右的力矩L1、L2；要實(shí)現(xiàn)左航向的運(yùn)動(dòng)，舵面偏擺應(yīng)符合圖2d），產(chǎn)生Y 軸向左的力矩L1、L2；要實(shí)現(xiàn)右滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，舵面偏擺應(yīng)符合圖2e），產(chǎn)生Y 軸向右的力矩L2、Y 軸向左的力矩L4、Z 軸向上的力矩L1、Z軸向下的力矩L3；要實(shí)現(xiàn)左滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，舵面偏擺應(yīng)符合圖2f），產(chǎn)生Y 軸向左的力矩L2、Y 軸向右的力矩L4、Z 軸向下的力矩L1、Z 軸向上的力矩L3。

2 某型燃?xì)舛鏅C(jī)模擬器的設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)要求

為了能真實(shí)反映某型燃?xì)舛鏅C(jī)的性能參數(shù)，設(shè)計(jì)應(yīng)符合以下要求：

1）可以正確處理來(lái)自控制組合對(duì)舵δ1、舵δ2、舵δ3、舵δ4的控制信號(hào)。

2）可以正確形成并模擬彈上滾轉(zhuǎn)舵偏角δX、偏航舵偏角δY、俯仰舵偏角δZ信號(hào)。

3）處理過(guò)的舵δ1、舵δ2、舵δ3、舵δ4的控制信號(hào)可以與控制組合形成大反饋回路。

2.2 原理設(shè)計(jì)

根據(jù)圖2a）、b）可以得到，δ1δ4方向相同，δ2δ3方向相同，但δ1δ4、δ2δ3相反。由此得到俯仰方向的算法：

根據(jù)圖2c）、d）可以得到，δ1δ2方向相同，δ3δ4方向相同，但δ1δ2、δ3δ4相反。

由此得到偏航方向的算法：

根據(jù)圖2e）、f）可以得到，δ1δ2δ3δ4方向相同，但有正負(fù)之分。由此得到滾轉(zhuǎn)方向算法：

根據(jù)圖1 舵機(jī)基本原理，得到燃?xì)舛鏅C(jī)的積分倍數(shù)及算法：

圖4 舵機(jī)模擬器工作電路圖

圖5 PCB板設(shè)計(jì)圖

2.3 電路設(shè)計(jì)

由以上各式得出圖3 所示模擬器設(shè)計(jì)方案，對(duì)舵機(jī)1、2、3、4 控制電壓按積分倍數(shù)和算法進(jìn)行積分，相當(dāng)于給定舵機(jī)角速度，積分得出舵機(jī)角度，一路反饋回自動(dòng)駕駛儀進(jìn)行信號(hào)處理，一路通過(guò)和差計(jì)算器形成δX、δY、δZ信號(hào)，提供給系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)處理。根據(jù)圖3 設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)的舵機(jī)電路圖，如圖4 所示。

該電路采用的主芯片Op07 是一款低噪聲、非斬波穩(wěn)零的雙極性運(yùn)算放大器集成電路，由于Op07 具有非常低的輸入失調(diào)電壓（如Op07A 的最大輸入電壓為25μV），所以O(shè)p07 在應(yīng)用中避免了額外的調(diào)零措施。同時(shí)，Op07 具有輸入偏置電流低和開環(huán)增益高的特點(diǎn)，這種低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性，使其特別適用于高增益的測(cè)量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號(hào)等方面。該運(yùn)算放大器的工作電源范圍為±3 ～±18V，一般電源應(yīng)大于8V，否則線形區(qū)過(guò)小會(huì)導(dǎo)致放大倍數(shù)無(wú)法放大，容易形成沖頂飽和。為了使用更方便，通過(guò)自動(dòng)駕駛儀（±15V）給模擬器供電。

圖4 中的S1、S2、S3、S4 分別為舵機(jī)1、舵機(jī)2、舵機(jī)3、舵機(jī)4 的控制電壓，各自經(jīng)過(guò)1 ∶1 的反相電路后進(jìn)入積分器。因器件存在誤差，所以在積分器中加入50K 的可調(diào)電阻，通過(guò)調(diào)節(jié)可調(diào)電阻準(zhǔn)確得到50 倍積分的電路。積分器輸出舵機(jī)返回角度電壓，與控制組合形成大反饋，同時(shí)輸入和差計(jì)算器中形成三個(gè)通道的電壓輸出。

2.4 PCB 板設(shè)計(jì)

根據(jù)圖4 得到PCB 板的設(shè)計(jì)圖，如圖5 所示。PCB 板為雙面板設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)軟件為PROTEL DXP。舵機(jī)模擬器直接影響三個(gè)通道參數(shù)的采集，所以設(shè)計(jì)時(shí)做了抗干擾措施，根據(jù)電路板電流的大小，加粗電源線的寬度。由于這里電流一般不超過(guò)1.5A，所以寬度選擇2.5mm。舵機(jī)模擬器為±15V 電壓供電，供電線路設(shè)計(jì)放置于反面，盡量避免與信號(hào)線相干擾。

為了加強(qiáng)抗噪性能，需要對(duì)舵機(jī)模擬器的接地線進(jìn)行加粗處理，使其能通過(guò)三倍于印刷的允許電流，取地線為3mm。此外，接地線構(gòu)成了閉環(huán)。焊盤中心孔應(yīng)比器件引線直徑稍大，以避免焊盤太大造成虛焊，焊盤外徑D 應(yīng)不小于d+1.2mm（d 為引線孔徑）。

按照電路圖4 的流程安排各個(gè)功能電路單元的位置，并使信號(hào)流向保持一致。以每個(gè)功能電路的核心元件（Op07）為中心進(jìn)行布局，以便于信號(hào)的流通。元器件應(yīng)均勻、整齊、緊湊地排列在PCB 板上，并減少和縮短各元器件之間的引線和連線。

位于電路板邊緣的元器件可調(diào)電阻離電路板邊緣距離應(yīng)不小于2mm。設(shè)計(jì)的電路板形狀為矩形，長(zhǎng)寬比為3 ∶2。印刷導(dǎo)線拐彎處取圓弧形，避免使用大面積銅箔，否則長(zhǎng)時(shí)間受熱易發(fā)生銅箔膨脹和脫落現(xiàn)象。

3 驗(yàn)證

將設(shè)計(jì)好的該型燃?xì)舛鏅C(jī)模擬器與自動(dòng)駕駛儀進(jìn)行聯(lián)調(diào)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果與裝備測(cè)試的該型燃?xì)舛鏅C(jī)性能參數(shù)一致。