基于PWM波的小型永磁发电机调速电路设计与实现

发布时间：2020-07-23 18:47

【摘要】：为了提高常规炮弹的打击精度,选择利用弹道修正执行机构来减小弹药在飞行中的弹道偏差。在弹道修正过程中通常需要弹药转速较低,因此本文以永磁发电机作为弹道修正执行机构,作用于小口径固定翼双旋弹的修正舵机上,实现固定鸭舵的转速调整与滚转角度制动控制。本文首先介绍了修正舵机的工作特性以及永磁发电机的调速原理,并在此基础上,搭建了以永磁发电机为核心的调速系统仿真模型。通过改变系统负载电流大小,对永磁发电机转子转速调整进行仿真测试,测得转子转速与负载电流成正比例关系变化,由此确定了鸭舵滚转控制系统方案。其次,分析了鸭舵在飞行中所受到的气动导转力矩、摩擦力矩、极阻尼力矩和电磁力矩,推导出了各力矩的输出公式,并根据各力矩作用效果给出了鸭舵滚转控制方法。然后,设计了控制鸭舵滚转的永磁发电机调速系统,包括信号采集模块、信号处理模块以及相关软硬件设计等,并对系统中各部分电路功能进行仿真测试,确定了电路元件参数。最后,对系统电路进行制板、测试以及软件程序调试,得到了系统实现调速所需的PWM波控制信号,并搭建了半实物仿真平台来模拟舵机的滚转运动状态,对鸭舵在滚转控制过程中的参数进行测试,在不同的测试条件下完成了对系统功能的验证。半实物仿真测试结果表明:转子转速在2r/s~6r/s范围内,系统完成调速所需时间为0.23s~0.38s,制动滚转角波动幅度为0.72°~1.78°,制动经历角度为13.15°~21.62°;控制转子转速越小,系统执行时间就越少,可有效提高对鸭舵滚转控制的响应速度;转子滚转角度控制测试中,系统完成控制所需时间小于0.38s,稳定后滚转角波动幅度小于1.45°,经历角度小于21.62°,满足对鸭舵滚转角度控制的基本要求。
【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM351;TJ410.3
【图文】：

固定翼鸭舵示意图

2.1 永磁发电机的系统组成2.1.1 旋转鸭舵的工作原理固定翼双旋弹主要有制导系统和修正执行系统两大部分。修正执行系统包括固定鸭舵、电磁执行装置和执行控制电路组成。固定鸭舵由四个具有一定偏角的舵片与鸭舵的圆形外壳体呈“十”字状固定连接所组成。在炮弹飞行过程中，因鸭舵受到气流作用，其中一对舵片产生两个相反方向的作用力，如图 2-1 中舵片 1,3 所示，称为差动舵，用于产生使固定鸭舵绕弹体纵轴旋转的气动导转力；另一对舵片则产生两个相同方向的作用力，如图 2-1 中舵片 2,4 所示，称为同向舵[9]，用于产生对弹道修正的操纵力，图 2-2 所示为固定鸭舵截面示意图。在炮弹打出后，弹体以很高的速度旋转，鸭舵在差动舵的作用下以相反方向旋转。在无控阶段，鸭舵以较稳定的转速旋转，同向舵在旋转一周的过程中，对弹体的平均作用效果为零，不会对飞行弹道造成影响[15]。在修正阶段，当控制鸭舵相对大地静止时，同向舵会对弹体产生修正力，从而改变弹体的飞行弹道。根据制导系统的修正指令以及外壳体上运动传感器的反馈信息来控制鸭舵的滚转状态，通过不断调整和控制同向舵相对大地的角度位置，改变修正力对弹体的作用方向，从而实现对弹丸的弹道修正[32]。

外形图,修正机构,外形图,鸭舵

1.2 永磁发电机结构组成固定翼双旋弹的修正执行机构主要包括固定鸭舵和弹体内轴两大部件，其核心部永磁发电机结构，由其产生的电磁力矩作为控制鸭舵滚转的控制力矩。如图 2-3 所示为修正机构结构外形图，鸭舵的圆形外壳体与四片具有固定偏角的定连接，弹体与其内轴固定连接，鸭舵通过轴承与弹体内轴相连，两者可按相反方。圆形外壳体的内壁上嵌有一圈永磁体，在弹体内轴上与永磁体相对应的位置装有圈绕组，并从该线圈上引出三根线可与整流、控制电路等模块相连。两者在旋转过程舵与永磁发电机的转子作用相同，内轴上线圈绕组与永磁发电机的定子作用相同，正系统的修正执行装置，如图 2-4 所示修正机构结构示意图。在炮弹飞行过程中，差动舵作用与弹体按相反方向转动，此时线圈绕组上就会产生感应电动势，当闭合，可在线圈中产生感应电流，鸭舵与弹体内轴间则会产生电磁力矩。通过控制线圈小，可以调整电磁力矩大小，进而控制鸭舵的滚转状态。由于该修正执行装置“转外，“定子”在内，当控制“转子”相对大地静止时，但“定子”继续保持旋转，线圈绕组中一直有电压存在，其结构及工作原理与永磁发电机结构和工作特点极为该装置构成外转子永磁发电机。

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