坦克炮塔转动惯量测量范文

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《车辆与动力技术杂志》2014年第二期

1坦克炮塔转动惯量测量原理

炮塔电动机驱动坦克炮塔运动结构框图如图1所示，其中工作机构代表炮塔体和火炮，炮塔电动机的减速装置为方向机．实时测量得到的炮塔转动惯量为方向机、炮塔体和火炮相对转轴的转动惯量.炮塔运动系统示意图如图2所示．它包含水平向电机驱动炮塔体在水平向的旋转运动如图2(a)所示，和垂直向电机驱动火炮在垂直向的运动如图2(b)所示［6］.图2中炮塔水平向旋转运动的中心为O1，火炮垂直向旋转中心为O2，且O1O2=d;炮塔体质量为m1，火炮质量为m2，长度为L．当炮塔水平旋转时，火炮垂直向的运动对系统将产生负载惯量扰动．假设炮塔体形状相当规则，其等效半径为r，火炮密度均匀，火炮炮管轴线与水平面夹角忽略传动机构的齿侧隙因素，根据式(7)和图3得到系统的扭矩微分方程。

2炮塔转动惯量试验测定方案

炮塔转动惯量的测量装置包含两套检测台架与数据采集分析系统.一是电机转速扭矩检测系统;二是炮塔转动角速度和电机电流的动态同步测量系统.

2.1炮塔电机特性测定方案炮塔电动机是炮控系统的核心驱动部件．要准确获取炮塔的相关参数，需要精确测量驱动炮塔的电机自身的特性.电机的输出扭矩与电流特性通过电机转速扭矩检测台架(如图4所示)试验获得.电机检测台架是一种机电混合台架即混合惯量模拟台架［7］.通过电机码盘与转速扭矩传感器及外围数据采集电路，测定电机的输出扭矩与电流之间为使传感器正常工作且能实时采集出电机电流及码盘和传感器的输出信号，设计了与之配套的供电电源与数据采集电路板，以便精确拟合电机的输出扭矩和电流特性曲线.数据采集电路以TMS320F2808芯片为主控CPU，硬件系统由DSP及其外围电路、电源转换电路、电流采集及A/D转换电路、输入信号电平转换电路、串口和CAN口电路组成.其组成原理框图如图5所示.

2.2炮塔角速度和电机电流的动态同步测量方案对于中空大回转体转动角速度的测量，工业上主要的方法有:机械测角方法、电磁测角方法、光学测角方法以及光电测角方法，等等.通过采集数据再经后处理得到系统的角速度［8］.炮塔转动角速度和电机电流的动态同步测量系统是利用炮控系统中的陀螺仪、电机驱动器等部件和与之配套的数据采集系统采集炮塔的角速度和电机电流数据，从而获得炮塔电机的输出扭矩和炮塔转动角加速度的同步信息.炮塔转动角速度和电机电流的动态同步测量方案为:在坦克炮塔上安装一个惯性角速度敏感器件———高精度光纤陀螺仪传感器，利用炮塔电机驱动器中的LEM块，以DSP为核心处理器件，同时采集炮塔角速度和电机电流的离散数据并储存.通过适当的数据处理，选择合适的滤波算法、差分计算求出对应的角加速度及电机输出扭矩.光纤陀螺仪传感器与LEM块采集到的数据通过数字通讯接口与上位机连接并显示，系统设计中采用CAN总线方式传输数据，通过软件设定数据采集周期.炮塔转动角速度及电枢电流同步采集系统原理框图如图6所示.该系统设计采用的测角速度方案，能够克服炮塔齿圈加工等因素导致的误差，实现炮塔转动角速度的高精度测量。

3炮塔转动惯量试验测量结果

利用电机转速扭矩检测系统试验测得某一炮塔电机的输出扭矩与电流特性.其关系如式(14)所示.利用炮塔角速度和电机电流动态同步测量系统，采集ω与I数据.其采样间隔ΔT=2.1ms，角速度的单位为0.002(o)/s，电枢电流的单位为0.01A.炮塔与电机齿轮传动比i=550.取θ=0，忽略炮塔摩擦力矩.以输入正弦激励信号为例，其响应水平角速度和水平电流曲线如图7所示.由于光纤陀螺自身特性，采集到的炮塔角速度与电流数据量庞大且存在噪声，因此需要进行一定的数据分析与剔除野值、滤波等处理.滤波后得到曲线如图8所示，差分后得到炮塔角加速度与电机输出扭矩曲线如图9所示.从图9中，取对应时刻下炮塔角加速度和电机输出扭矩值，根据式(15)计算炮塔转动惯量．

4结论

针对炮控系统总体设计时对炮塔转动惯量的定量需求，设计出一套测定坦克炮塔转动惯量的方案．该方案较传统方法提高了测量精度，并且能快速地反映炮塔转动惯量的变化，有利于对火炮随动系统的速度响应环进行精确的控制.由于试验中采集的数据量庞大，因此为了更加准确地计算出炮塔转动惯量，不仅需要对传感器采集的数据做进一步的分析与处理，还要考虑炮塔旋转过程中的摩擦力矩.由于实际炮塔转动惯量的真实值无法确知，所以在之后的试验中，通过对炮塔在不同旋转工况下的转动惯量的测量值进行比较，进一步证明利用此方案测得的炮塔转动惯量数值是准确的.

作者：徐静 门义双单位：中国北方车辆研究所