基于角位移的火控系统旋转变压器改进性设计

　　0　引言

　　在航空航天和武器系统控制等自动化领域中,角位移作为一个重要的反馈量,经常需要被准确地提取,并参与控制环节进行计算,其结果直接影响系统的准确度。随着微电子技术和传感器应用的发展,以往通过模拟信号控制角位移已逐渐转变为利用数字信号进行控制。这种控制方法的转变虽在民用技术应用上比较普遍,但对于准确度要求较高的火控系统,其应用范围仍存在很大的拓展空间。

　　以某型火控系统为例,该系统大量使用旋转变压器进行角位移测量、导弹武器发射装置及火炮的同步控制、反馈控制以及数据传输等。因此,提高角位移测量精度直接关系到武器系统的作战效能。针对该型火控系统,本文在已有的旋转变压器基础上,提出了新的改进设计思路,并构建了多模块硬件实现平台和软件开发程序。试验结果充分验证了该方案可以在武器系统角位移精度检测和机械零位校准等联调实践中得到广泛的应用。

　　1　系统设计方案

　　1·1　设计思路

　　对于无刷正余弦旋转变压器,当定子侧加正弦电压励磁时,输出绕组电压分别为

　　式中:K为放大倍数; V(1-2)m为V(1-2)的峰值;θ为定子轴与转子轴之间的角度。这样即可通过对这两相信号的采集和处理得到转角信息。

　　在火控系统的伺服随动控制中,一般是利用转角的差动信号进行反馈。我们设计采用了数字转换器(RDC),既解决了模拟信号向数字信号转换的问题,又提供了转换后反映角位值的差动电压输出的反馈量。设RDC输入信号为

　　该信号经过数字正余弦乘法器,并经误差放大器相减后得:

　　式中:φ是引进数字正余弦乘法器后,由V1和V2大小决定的一固定角度值。误差信号经相敏检测、积分叠加控制电压频率,并经过计数器等控制环节,最终使转角θ达到设定值。

　　1·2　系统硬件设计

　　改进后的系统主要由电源模块、测控模块、转换模块、接口模块和显示模块等五个部分组成,如图1所示。

　　电源模块:根据系统工作要求,设计中选用输出纹波小,质量稳定可靠的12V, 2A直流变压器作为整个系统的电源。根据各功能模块电路需要,系统还需提供5V的电源。由于从12V变压到5V,压差较大,为减少功耗,提高电源转换效率,选用开关型稳压芯片,实现5V电源的稳压输出。

　　测控模块:测控模块是整个电路的核心。设计中采用可独立工作的全双工串口单片机芯片,外接16M晶振,在此基础上,匹配复位电路、滤波电路等外围电路。转换模块:转换模块功能主要是实现角度模拟信号向数字信号的转换。为此可选用RDC转换器,通过外围元器件组合设计,以保证带宽和较高的跟踪速度;采用比率跟踪转换方式,使之连续输出而没有转换延迟。接口模块:接口模块的主要功能是保证单片机与上位机通信接口及与RDC数据总线接口的畅通。系统采用带有两个串口的单片机,因此存在TTL电平向上位机串口电平转换的过程。此外,为解决单片机与RDC数据总线直接相连造成RDC锁存器数据读取时间较长的问题,在实际设计中,在二者总线之间增设了两片8位数据发送接收器SN74LS245。