坦克炮塔轉動慣量測量方案設計

徐 靜，門義雙

(中國北方車輛研究所，北京 100072)

炮塔是一種固定在坦克、裝甲車上的射擊武器裝置，炮塔性能的高低對于常規武器及高射炮的射擊效率和精度有重要影響［1］.在炮控系統的總體設計中，炮塔轉動慣量是火炮隨動系統的一個基本參數，其值的變化會改變速度控制的模型，降低炮控系統的速度響應特性從而影響整個系統的機械特性［2-3］.在設計炮塔電動機參數時，需要考慮到電動機的最大輸出功率、輸出扭矩能否滿足高速調炮與低速瞄準的要求.而炮塔轉動慣量及轉動時的角加速度決定了電機輸出扭矩的大小.因此快速精確地測量自行火炮及坦克炮塔繞其回轉中心的轉動慣量是設計高性能炮控系統的重要前提條件.

傳統測量坦克炮塔轉動慣量的方法主要有兩種.一是對炮塔及其各部件進行建模和有限元仿真計算.這需要十分準確、完善的炮塔及其上安裝部件的模型，轉動慣量計算值的準確度受模型準確性的影響.二是建立炮塔轉動慣量試驗測試平臺.根據剛體擺動周期與慣量之間的關系計算，如扭振法、滾擺法和落體法.文獻［4］給出了一種由炮塔、身管、彈簧、加速度傳感器和記錄儀器組成的炮塔轉動慣量試驗測試裝置.通過測量炮口振動周期，來計算炮塔轉動慣量［4］.這種方法需要特殊試驗平臺，測量精度低，不能利用炮控系統自身部件快速反映炮塔轉動慣量的變化.

基于電機驅動炮控系統的坦克炮塔轉動慣量測量方案，從剛體的定軸轉動定律和電機電流扭矩特性出發，推導炮塔轉動慣量的理論計算公式.在測定炮塔電機特性基礎上，利用炮控系統中的陀螺儀傳感器和數據采集系統同步采集炮塔的角速度與電機電流數據，經數據處理得到炮塔轉動的扭矩和角加速度，進而計算出炮塔轉動慣量.

1 坦克炮塔轉動慣量測量原理

炮塔電動機驅動坦克炮塔運動結構框圖如圖1所示，其中工作機構代表炮塔體和火炮，炮塔電動機的減速裝置為方向機.實時測量得到的炮塔轉動慣量為方向機、炮塔體和火炮相對轉軸的轉動慣量.

圖1 電機驅動炮塔結構框圖

考慮電動機的外特性，以直流電機為例，輸出扭矩與電樞電流之間關系為［5］

式中:CM為扭矩系數;Φ為主磁通;Ia為電樞電流;K是電流扭矩系數.

炮塔運動系統示意圖如圖2所示.它包含水平向電機驅動炮塔體在水平向的旋轉運動如圖2(a)所示，和垂直向電機驅動火炮在垂直向的運動如圖 2(b)所示［6］.

圖2中炮塔水平向旋轉運動的中心為O1，火炮垂直向旋轉中心為O2，且O1O2=d;炮塔體質量為m1，火炮質量為m2，長度為L.當炮塔水平旋轉時，火炮垂直向的運動對系統將產生負載慣量擾動.假設炮塔體形狀相當規則，其等效半徑為r，火炮密度均勻，火炮炮管軸線與水平面夾角為β.那么炮塔體和火炮對于旋轉中心O1的轉動慣量為

圖2 炮塔運動系統示意圖

據圖2(b)有

將式(3)代入式(2)得

實際炮塔在運動過程中，炮塔座圈并非絕對水平，存在一定的傾斜角度，設為θ，且規定炮塔順時針旋轉時θ取值為正.因此炮塔在轉動過程中存在偏心矩，偏心矩的數值與炮塔質心位置有關，假設方位向旋轉中心O1與炮塔質心O3之間距離為dθ. 則偏心矩為

炮塔在旋轉過程中同時存在摩擦力矩.設旋轉時的摩擦系數為f，炮塔水平向旋轉角速度為ω.則摩擦力矩Mf為

根據動力學原理得炮塔運動微分方程

式中:MT為炮塔的扭矩;JT為炮塔的轉動慣量.

圖3 電機驅動炮塔系統扭矩關系圖

炮塔電動機驅動炮塔運動時的扭矩關系如圖3所示，Me為電機扭矩，M0為等效電機摩擦力矩，ZT和Z分別表示炮塔和電機的等效齒輪齒數，JL為炮塔等效到電機一側的轉動慣量.

忽略傳動機構的齒側隙因素，根據式(7)和圖3得到系統的扭矩微分方程

將炮塔臺架調至近似水平狀態，操縱炮塔電機驅動炮塔順時針及逆時針方向各旋轉一定的角度.電機扭矩分別為Me1和Me2，炮塔角速度分別為ω1和ω2，則式(9)可寫成

將式(10)與式(11)求和，得到炮塔轉動慣量的理論計算公式

2 炮塔轉動慣量試驗測定方案

炮塔轉動慣量的測量裝置包含兩套檢測臺架與數據采集分析系統.一是電機轉速扭矩檢測系統;二是炮塔轉動角速度和電機電流的動態同步測量系統.

2.1 炮塔電機特性測定方案

炮塔電動機是炮控系統的核心驅動部件.要準確獲取炮塔的相關參數，需要精確測量驅動炮塔的電機自身的特性.電機的輸出扭矩與電流特性通過電機轉速扭矩檢測臺架 (如圖4所示)試驗獲得.

電機檢測臺架是一種機電混合臺架即混合慣量模擬臺架［7］.通過電機碼盤與轉速扭矩傳感器及外圍數據采集電路，測定電機的輸出扭矩與電流之間的特性關系.圖4中機電混合檢測臺架的動力學模型為

圖4 電機檢測臺架結構框圖

式中:J0為檢測臺架的轉動慣量和;ε為電流源提供制動力矩時臺架角加速度;Mb為制動力矩.

為使傳感器正常工作且能實時采集出電機電流及碼盤和傳感器的輸出信號，設計了與之配套的供電電源與數據采集電路板，以便精確擬合電機的輸出扭矩和電流特性曲線.數據采集電路以TMS320F2808芯片為主控CPU，硬件系統由DSP及其外圍電路、電源轉換電路、電流采集及A/D轉換電路、輸入信號電平轉換電路、串口和CAN口電路組成.其組成原理框圖如圖5所示.

圖5 硬件實現原理框圖

2.2 炮塔角速度和電機電流的動態同步測量方案

對于中空大回轉體轉動角速度的測量，工業上主要的方法有:機械測角方法、電磁測角方法、光學測角方法以及光電測角方法，等等.通過采集數據再經后處理得到系統的角速度［8］.

炮塔轉動角速度和電機電流的動態同步測量系統是利用炮控系統中的陀螺儀、電機驅動器等部件和與之配套的數據采集系統采集炮塔的角速度和電機電流數據，從而獲得炮塔電機的輸出扭矩和炮塔轉動角加速度的同步信息.炮塔轉動角速度和電機電流的動態同步測量方案為:在坦克炮塔上安裝一個慣性角速度敏感器件——高精度光纖陀螺儀傳感器，利用炮塔電機驅動器中的LEM塊，以DSP為核心處理器件，同時采集炮塔角速度和電機電流的離散數據并儲存.通過適當的數據處理，選擇合適的濾波算法、差分計算求出對應的角加速度及電機輸出扭矩.光纖陀螺儀傳感器與LEM塊采集到的數據通過數字通訊接口與上位機連接并顯示，系統設計中采用CAN總線方式傳輸數據，通過軟件設定數據采集周期.

炮塔轉動角速度及電樞電流同步采集系統原理框圖如圖6所示.該系統設計采用的測角速度方案，能夠克服炮塔齒圈加工等因素導致的誤差，實現炮塔轉動角速度的高精度測量.

圖6 炮塔角速度及電機電流采集系統原理框圖

3 炮塔轉動慣量試驗測量結果

利用電機轉速扭矩檢測系統試驗測得某一炮塔電機的輸出扭矩與電流特性.其關系如式(14)所示.

式中:M=Me－M0.

利用炮塔角速度和電機電流動態同步測量系統，采集ω與I數據.其采樣間隔ΔT=2.1 ms，角速度的單位為0.002(o)/s，電樞電流的單位為0.01 A.炮塔與電機齒輪傳動比i=550.取θ=0，忽略炮塔摩擦力矩.以輸入正弦激勵信號為例，其響應水平角速度和水平電流曲線如圖7所示.

圖7 正弦激勵下炮塔水平角速度和電流曲線

由于光纖陀螺自身特性，采集到的炮塔角速度與電流數據量龐大且存在噪聲，因此需要進行一定的數據分析與剔除野值、濾波等處理.濾波后得到曲線如圖8所示，差分后得到炮塔角加速度與電機輸出扭矩曲線如圖9所示.

圖8 濾波后炮塔水平角速度和電流曲線

圖9 炮塔水平角加速度和電機扭矩曲線

從圖9中，取對應時刻下炮塔角加速度和電機輸出扭矩值，根據式(15)計算炮塔轉動慣量.

每間隔10 ms取值計算，得到轉動慣量取值范圍為16216～20473 kg·m2.設

式中:N=1，2，…，n.XN為JTN的取值個數，全部取值點數為X，令xN=，則xN～N的關系作為炮塔轉動慣量的概率密度函數，其曲線為近似正態分布曲線，如圖10所示.

圖10 炮塔轉動慣量計算值概率密度分布曲線

根據圖10，得xN～N(23，5.2132).故炮塔轉動慣量為JT23.根據式(17)，取N=23時計算的平均值為試驗得到的炮塔轉動慣量.

炮塔轉動慣量的最大相對誤差為

試驗測量計算得到炮塔的轉動慣量為18428 kg·m2，相對誤差為12.01%，精度較高.可以作為炮控系統總體設計時的炮塔轉動慣量參考值.

4 結論

針對炮控系統總體設計時對炮塔轉動慣量的定量需求，設計出一套測定坦克炮塔轉動慣量的方案.該方案較傳統方法提高了測量精度，并且能快速地反映炮塔轉動慣量的變化，有利于對火炮隨動系統的速度響應環進行精確的控制.

由于試驗中采集的數據量龐大，因此為了更加準確地計算出炮塔轉動慣量，不僅需要對傳感器采集的數據做進一步的分析與處理，還要考慮炮塔旋轉過程中的摩擦力矩.由于實際炮塔轉動慣量的真實值無法確知，所以在之后的試驗中，通過對炮塔在不同旋轉工況下的轉動慣量的測量值進行比較，進一步證明利用此方案測得的炮塔轉動慣量數值是準確的.

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