外能源小口径炮驱动系统设计与控制策略研究

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外能源小口径火炮是靠电机驱动自动机实现供弹、闭锁、击发、抽壳等循环动作的武器,其结构简单、性能可靠和便于维护,在无人化武器系统中有广泛的应用场景。当前,外能源武器系统多存在系统体积庞大复杂、质量较大的问题,制约了武器的可靠性和小型化。本文以外能源小口径火炮的电机驱动技术开展研究,主要对满足发射过程中短时高过载特性的驱动控制系统开展分析,完成了外能源驱动控制系统的集成化设计,对控制策略进行研究,建立驱动控制系统仿真模型,通过实验验证设计方案。首先,对外能源小口径火炮驱动控制系统的总体方案进行分析,根据测试得出某型自动机在不同射频下电机输出的负载转矩和功耗,确定了驱动电机的基本工作参数,同时对驱动控制系统需求、设计指标和关键设计技术进行了研究。按照驱动控制器的结构和功能细化开展集成设计,完成了驱动控制系统硬件电路的驱动板和控制板设计,驱动板包括了逆变电路、光耦隔离、电压和电流检测以及保护电路,控制板包括主控单元射频控制电路、旋转编码器解调电路以及供电电源电路,导出了PCB布局3D模型。其次,外能源武器的转速控制精度对射击散布的影响较大,转管炮阻力矩主要包括自动机阻力矩和供输弹阻力矩,在高射频发射时负载阻力矩波动较大,为了降低在高射频下的转速波动,提高响应速度,开展了外能源小口径火炮驱动系统弱磁控制策略研究。当电机转速在5000r/min以上运行时,电机进入弱磁恒功率区域运行,建立基于大转矩电压比(MTPV)的弱磁控制调速系统原理框图。电机的转速达到恒功率区域的最大速度值,实现了最大输出效率的弱磁控制,提高电机的转速效率与响应能力。最后,在Simulink中建立了驱动控制系统仿真分析模型,对最大转矩电压比(MTPV)的弱磁控制策略下的动态性能进行仿真分析,结果表明:电机由空载运行时达到转速5000r/min时间仅为100ms,且电机转速由5000r/min扩速到6500r/min,此阶段的响应时间仅为50ms,之后转速到达到稳定值,电机的响应时间更短,速度更快,具备了快速启动和快速响应的能力,提高了外能源小口径火炮在高射频下的响应速度,检验了采用该弱磁控制的合理性。最后开展实验平台测试,验证了设计方案的可行性。
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