李 劍，武 丹，韓 焱

(中北大學(xué)信息探測與處理技術(shù)山西省重點實驗室，山西 太原 030051)

基于交流勵磁的高旋載體轉(zhuǎn)速測量傳感器

李 劍，武 丹，韓 焱

(中北大學(xué)信息探測與處理技術(shù)山西省重點實驗室，山西太原030051)

針對陀螺儀等慣性器件測量高旋彈轉(zhuǎn)速時，存在累積誤差大、測量范圍受限的問題，提出了基于交流勵磁的高旋載體轉(zhuǎn)速測量傳感器。該傳感器利用法拉第電磁感應(yīng)原理，采用三軸“彎工型”感應(yīng)線圈，獲取彈體大轉(zhuǎn)速條件下切割地磁場的信息，通過自適應(yīng)閉環(huán)頻率跟蹤測量算法實時解算高旋載體的旋轉(zhuǎn)速度。試驗驗證表明,該傳感器不僅能夠測量大動態(tài)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)速信息，而且消除了累積誤差，滿足高旋彈大轉(zhuǎn)速、高精度的測量要求，對常規(guī)彈藥彈體改進(jìn)和彈丸的設(shè)計研究具有一定的工程應(yīng)用價值。

轉(zhuǎn)速；自適應(yīng)閉環(huán)頻率跟蹤測量；FPGA

0 引言

高旋彈是常規(guī)彈中重要的彈種之一，它通過旋轉(zhuǎn)保證其飛行的穩(wěn)定性，同時通過調(diào)整旋轉(zhuǎn)速度改變飛行姿態(tài)、修正飛行彈道，實現(xiàn)對目標(biāo)的精確打擊。在高旋彈結(jié)構(gòu)改進(jìn)、性能測試過程中，準(zhǔn)確地測量其旋轉(zhuǎn)速度(即轉(zhuǎn)速)是改進(jìn)高旋彈結(jié)構(gòu)、提高打擊精度的關(guān)鍵。目前，高旋彈的精確制導(dǎo)化是國際武器彈藥領(lǐng)域的一個研究熱點[1-3]。其中，測量彈體飛行時的角運(yùn)動參數(shù)(如角速率、角位移)是一項直接關(guān)系到高旋彈制導(dǎo)精度的關(guān)鍵參數(shù)之一。

目前主要采用陀螺儀獲取彈體的角速率信息[4-10]，如基于磁懸浮控制力矩陀螺的角速率傳感器[11-12]、電容式角速率傳感器[13]和基于低頻磁動流體力學(xué)的角速度測量傳感器[14]等。這些傳感器雖然具有體積小、重量輕的優(yōu)勢[15]，但仍存在轉(zhuǎn)速測量范圍小、零漂和累積誤差大的問題。雖然通過卡爾曼預(yù)測等算法能夠修正一部分誤差，但仍無法滿足實戰(zhàn)條件下，對高旋彈旋轉(zhuǎn)速度大動態(tài)、高精度的測量需求。針對上述問題，本文利用電磁感應(yīng)原理，提出了交流勵磁式轉(zhuǎn)速測量傳感器，以滿足高旋彈測量大轉(zhuǎn)速的要求。

1 傳感器的設(shè)計原理

本文提出的轉(zhuǎn)速測量方法主要基于周期測頻法，原理如圖1所示。

圖1 基于周期測頻法的轉(zhuǎn)速測量原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of measurement principle of rotational speed based on period method

預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)信號xs(t)的初始頻率為fs0，在被測信號第一個周期的閘門時間內(nèi)，計數(shù)脈沖值為M1，則可得當(dāng)前轉(zhuǎn)速RAD1為：

(1)

(2)

式(2)是自適應(yīng)閉環(huán)頻率更新模型，標(biāo)準(zhǔn)信號會隨著被測信號頻率的變化進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，使其在被測信號對應(yīng)的一個周期內(nèi)輸出固定的脈沖數(shù)N。

2 傳感器的設(shè)計方案

轉(zhuǎn)速測量傳感器的總體設(shè)計方案如圖2所示，包括轉(zhuǎn)速信息獲取模塊、標(biāo)準(zhǔn)信號頻率更新模塊、轉(zhuǎn)速信息測量模塊和輸出模塊四部分。

圖2 傳感器設(shè)計方案示意圖Fig.2 Schematic diagram of design scheme of the sensor

2.1 基于三軸感應(yīng)線圈的轉(zhuǎn)速信息獲取模塊

采用電磁感應(yīng)線圈獲取彈體不同轉(zhuǎn)速下切割地磁場的信號。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理，在線圈線徑0.09 mm、匝數(shù)9500匝、切割磁場頻率為4～150 Hz的條件下，磁場交變頻率與線圈感應(yīng)電壓之間的關(guān)系如表1所示。

表1 交變頻率與線圈感應(yīng)電壓關(guān)系表

通過數(shù)據(jù)擬合的方式計算其線性度，如圖3所示。結(jié)合圖3和表1可知，在4～150 Hz的交變磁場條件下，線圈的切割頻率與產(chǎn)生的感應(yīng)電壓呈線性關(guān)系，線性度為0.5%，滿足高旋彈大轉(zhuǎn)速范圍的測量要求。

圖3 線圈輸出特性曲線圖Fig.3 Output characteristic curve of coil

采用“彎工型”骨架繞制單軸線圈，通過三軸正交安裝的方式，實現(xiàn)三軸地磁測量，如圖4所示。

圖4 三軸線圈安裝示意圖Fig.4 Schematic diagram of installation method of triaxial coils

2.2 基于自適應(yīng)閉環(huán)頻率跟蹤算法的轉(zhuǎn)速信息測量模塊和標(biāo)準(zhǔn)信號頻率更新模塊

采用DAC控制VFC輸出標(biāo)準(zhǔn)信號xs(t)。通過標(biāo)準(zhǔn)信號頻率更新公式(2)，在被測信號每周期的初始時刻，控制VFC更新標(biāo)準(zhǔn)信號。

DAC和VFC的關(guān)系如下，設(shè)在第i周期，DAC的輸出電壓為Vi，VFC的輸出頻率為fsi。根據(jù)VFC的傳輸特性，則兩個變量滿足如下關(guān)系：

fsi=a·Vi+b

(3)

結(jié)合式(2)可知，為了更新標(biāo)準(zhǔn)信號的頻率，下一個周期，DAC對應(yīng)的輸出電壓應(yīng)自適應(yīng)調(diào)節(jié)為：

(4)

通過在FPGA內(nèi)部建立模型(4)即可更新DAC的輸出電壓值。同時，將計數(shù)值Mi鎖存，利用式(1)—式(4)即可計算出對應(yīng)的轉(zhuǎn)速RAD。

2.3 傳感器輸出模塊

傳感器輸出轉(zhuǎn)速信息包括兩個參數(shù)：零位脈沖和轉(zhuǎn)速。零位脈沖以脈沖方式輸出，表示彈體旋轉(zhuǎn)一周的初始時刻；轉(zhuǎn)速以DAC電壓方式輸出，利用公式(1)—(4)可以計算出相應(yīng)的轉(zhuǎn)速值。

3 試驗驗證

為了驗證傳感器設(shè)計方案的可行性和在實際工況中的適用性，利用三軸電動高速轉(zhuǎn)臺對傳感器的動態(tài)性能進(jìn)行了標(biāo)定(轉(zhuǎn)臺最高測試頻率150 r/s)。如圖5所示，將轉(zhuǎn)速傳感器固定在轉(zhuǎn)臺的軸心處，控制轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)偏移30°。

圖5 三軸高速轉(zhuǎn)臺實驗測試平臺Fig.5 Experimentaltest platform of three-axis high-speed turntable

圖6為轉(zhuǎn)臺在預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速為150 r/s時的輸出信號波形圖。

圖6 傳感器輸出信號波形圖Fig.6 The oscillogram of output signals of the sensor

按照表2所示的預(yù)設(shè)參數(shù)對傳感器進(jìn)行動態(tài)標(biāo)定，得到了不同轉(zhuǎn)速下的測試結(jié)果。

由表2可知，當(dāng)轉(zhuǎn)臺按照預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速進(jìn)行試驗時，傳感器的測量誤差均小于0.3%，尤其在100 r/s以上的高旋環(huán)境下，測量誤差小于0.1%，說明本文研制的傳感器能夠準(zhǔn)確地測量轉(zhuǎn)速信息，并兼容50 r/s以下的低轉(zhuǎn)速，在工程上具有一定的適用性和應(yīng)用價值。同時，傳感器的輸出存在一定的誤差，誤差主要來源于VFC的非線性誤差。由VFC的輸出特性可知，在1/3～2/3F.S.(滿量程)的頻率范圍內(nèi)，VFC的線性度最高。本文采用的VFC是AD654，預(yù)設(shè)N值為1 024時，F(xiàn).S.對應(yīng)的最大轉(zhuǎn)速為200 r/s，因此，66～133 r/s區(qū)間的測量誤差最小，小于66 r/s的低轉(zhuǎn)或大于133 r/s的高轉(zhuǎn)，誤差較大。

表2 三軸高速轉(zhuǎn)臺實驗測試結(jié)果

4 結(jié)論

本文提出了基于交流勵磁的轉(zhuǎn)速測量傳感器。該傳感器利用三軸線圈獲取彈體大轉(zhuǎn)速條件下的電磁感應(yīng)信號，采用自適應(yīng)閉環(huán)頻率跟蹤測量算法，通過周期刷新和脈沖計數(shù)實時解算旋轉(zhuǎn)速度。高速離心機(jī)動態(tài)標(biāo)定試驗的結(jié)果表明，傳感器能夠在3～150 r/s的范圍內(nèi)有效測量轉(zhuǎn)速信息，測量誤差小于0.3%，在大動態(tài)轉(zhuǎn)速環(huán)境下具有良好的適用性和有效性，可以實現(xiàn)對高旋彈轉(zhuǎn)速參數(shù)的實時、高精度測量，具有一定的工程應(yīng)用價值。為了進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)速參數(shù)的測量精度，如何修正VFC在非最佳頻率區(qū)域的動態(tài)特性，如何在旋變條件下進(jìn)行實時解算是下一步的研究方向。

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MeasuringSensorforHigh-speedRotatingProjectilesBasedonACExcitation

LI Jian，WU Dan，HAN Yan

(Institute of Signal Capturing & Processing Technology, Key Laboratory of Shanxi Province, North University of China, Taiyuan 030051, China)

According to the fact that rotational speed measurement by using inertial components, such as gyroscope, has the problems of big accumulative error and narrow measuring-band, a rotational speed measuring sensor is brought up in this paper for measuring rotational speed of high-speed rotating projectiles based on AC excitation. On the one hand, according to the electromagnetic induction principle, triaxial induction coils with type bent I-shape are adopted to acquire the information of projectile moving across geomagnetic field within a large dynamic range of rotational speed. On the other hand, rotational speed is calculated in real time through self-adaptive closed-loop frequency tracking measurement algorithm. Experemental results demonstrated that the developed sensor not only could measure the information of rotational speed with an extremely high dynamic range of rotational speed, but also could eliminate accumulative error. The proposed sensor satisfied measurement requirements for high-speed rotating projectiles with wide range of rotational speed and high precision, and had definite value to engineering application in improvement of conventional ammunition and design research of projectiles.

rotational speed; self-adaptive closed-loop frequency tracking measurement; FPGA

2017-01-17

:李劍(1985—)，男，山西太原人，博士，講師，研究方向：傳感器技術(shù)及多維信息處理。E-mail:lijian851208@126.com。

TP212.6

：A

：1008-1194(2017)04-0039-04