坦克炮塔轉動慣量測量范文

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《車輛與動力技術雜志》2014年第二期

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.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。

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.

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。

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.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=2.1ms，角速度的單位為0.002(o)/s，電樞電流的單位為0.01A.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.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.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．

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.

作者：徐靜 門義雙單位：中國北方車輛研究所