王樸　李煥良　申金星

摘 要：研制了基于伺服控制技術(shù)的某型火箭布雷車(chē)模擬器發(fā)射裝置。該裝置采用“PC機(jī)+運(yùn)動(dòng)控制卡”控制策略，建立了上位機(jī)—運(yùn)動(dòng)控制卡—驅(qū)動(dòng)器—執(zhí)行電機(jī)硬件系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)了基于LabVIEW Softmotion Module的上位機(jī)控制軟件，并利用NI模塊化的軟、硬件系統(tǒng)提高了模擬發(fā)射裝置的靈活性和可靠性。

關(guān)鍵詞：伺服控制；火箭布雷車(chē)；發(fā)射裝置；LabVIEW

中圖分類(lèi)號(hào)：TJ303+.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.16.009

某型火箭布雷車(chē)是我軍新一代布雷裝備，但部隊(duì)在對(duì)其使用的過(guò)程中面臨列裝數(shù)量少、訓(xùn)練損耗大、實(shí)彈射擊危險(xiǎn)性高等問(wèn)題，嚴(yán)重制約了新裝備戰(zhàn)斗力的提高。因此，研制配套的模擬訓(xùn)練器可有效解決該型布雷車(chē)列裝部隊(duì)后訓(xùn)練水平低、訓(xùn)練手段落后等實(shí)際問(wèn)題，從而節(jié)約訓(xùn)練經(jīng)費(fèi)、降低訓(xùn)練損耗和提高訓(xùn)練效率，具有重大的軍事效益。

瞄準(zhǔn)和射擊是火箭布雷車(chē)戰(zhàn)備訓(xùn)練中最重要的2個(gè)方面。在光學(xué)瞄準(zhǔn)過(guò)程中，操作手裝定諸元的準(zhǔn)確度和控制調(diào)炮的熟練度決定了最終的射擊速度和精度。因此，操控系統(tǒng)在駕駛席、炮長(zhǎng)席和操瞄席等操作席位之外增設(shè)了模擬發(fā)射裝置，著重體現(xiàn)了定向器的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，并結(jié)合三維視景的音頻、視頻輸出，達(dá)到了虛實(shí)同步的場(chǎng)景效果，最大程度地提高了操瞄訓(xùn)練的逼真度和操作人員的成就感。

1 模擬發(fā)射裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在調(diào)炮操作訓(xùn)練過(guò)程中，模擬發(fā)射裝置隨著虛擬視景中的布雷車(chē)模型同步動(dòng)作，其機(jī)械結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)軌跡與實(shí)裝大致相同。模擬訓(xùn)練器利用PVC材料加工制成4×10輕質(zhì)火箭發(fā)射定向器，并將其安裝在回轉(zhuǎn)座圈上；選用Sentron公司13XMB150B系列的伺服電機(jī)作為高低/方向調(diào)炮的驅(qū)動(dòng)元件；選用了配套的伺服驅(qū)動(dòng)器、多軸運(yùn)動(dòng)控制卡、行星減速器等硬件設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了高/低方向兩個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)控制。模擬發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 模擬發(fā)射裝置控制方案的比較

模擬發(fā)射裝置伺服控制系統(tǒng)根據(jù)主控單元仿真軟件中設(shè)置的諸元參數(shù)賦予定向器相應(yīng)的射向和射角。在調(diào)炮過(guò)程中，模擬發(fā)射裝置的運(yùn)動(dòng)軌跡與三維視景中虛擬布雷車(chē)同步，因此，伺服控制系統(tǒng)需對(duì)執(zhí)行電機(jī)的位置、速度、加速度等參數(shù)實(shí)時(shí)控制。

常用的伺服控制策略一般有2種，分別以單片機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制卡為核心，并根據(jù)上位機(jī)的輸入信號(hào)產(chǎn)生控制脈沖，經(jīng)過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的隔離和放大處理，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)的精確控制。基于單片機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制器如圖2所示，基于控制卡的運(yùn)動(dòng)控制器如圖3所示。

傳統(tǒng)的電機(jī)控制系統(tǒng)利用單片機(jī)采集模擬輸入信號(hào)，并對(duì)信號(hào)波形進(jìn)行濾波、整流、隔離和放大，經(jīng)過(guò)A/D電路轉(zhuǎn)換為可供計(jì)算機(jī)讀取的數(shù)字信號(hào)，由上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和存儲(chǔ)，最終輸出模擬控制信號(hào)。但基于單片機(jī)技術(shù)的控制方案具有局限性，比如受到單片機(jī)片內(nèi)部資源的限制，系統(tǒng)時(shí)鐘頻率較低、采樣速度慢，難以滿(mǎn)足實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的要求；硬件線(xiàn)路較為復(fù)雜，電路設(shè)計(jì)工作煩瑣，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)后的元器件難以更換和升級(jí)，利用匯編、C51等語(yǔ)言開(kāi)發(fā)控制程序的難度較大、效率較低。傳統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)如圖4所示。

本文研究的伺服控制策略以運(yùn)動(dòng)控制卡為核心，基于LabVIEW Softmotion Module編制上位機(jī)控制軟件，計(jì)算機(jī)只負(fù)責(zé)完成人機(jī)數(shù)據(jù)交互和系統(tǒng)監(jiān)控等任務(wù)，CPU的負(fù)擔(dān)大大減輕。運(yùn)動(dòng)控制卡基于實(shí)時(shí)系統(tǒng)（RTOS），可更好地滿(mǎn)足運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡任意點(diǎn)的精確控制。伺服控制系統(tǒng)可驅(qū)動(dòng)單臺(tái)電機(jī)，也可以將多臺(tái)電機(jī)組成空間向量控制，充分利用了LabVIEW的強(qiáng)大功能和計(jì)算機(jī)的資源優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，還降低了開(kāi)發(fā)成本，提高了系統(tǒng)的靈活性。因此，“運(yùn)動(dòng)控制卡+PC機(jī)”的控制方案具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

如圖5所示，上位機(jī)通過(guò)PCI總線(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)控制卡發(fā)送控制指令，包括位置、速度和加速度等參數(shù)信息；運(yùn)動(dòng)控制卡根據(jù)接收到的命令輸出一組脈沖序列，脈沖的數(shù)量、頻率和變化速率分別代表伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度、轉(zhuǎn)動(dòng)速度和加減速等特性；伺服驅(qū)動(dòng)器根據(jù)接收到的脈沖信號(hào)確定運(yùn)動(dòng)終點(diǎn)位置，并將終點(diǎn)位置值與軸端光電編碼器反饋信號(hào)進(jìn)行比較，其差值就是電機(jī)當(dāng)前的位置誤差；驅(qū)動(dòng)器利用PID控制算法產(chǎn)生電機(jī)速度信號(hào)，從而調(diào)節(jié)伺服電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度。

3 伺服控制系統(tǒng)硬件的實(shí)現(xiàn)

模擬發(fā)射裝置基于模塊化的硬件設(shè)備構(gòu)建伺服控制系統(tǒng)，避免了硬件系統(tǒng)底層驅(qū)動(dòng)的開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了高效的系統(tǒng)環(huán)境，完成了對(duì)伺服電機(jī)精確定位、多軸同步和加減速等運(yùn)動(dòng)特性的實(shí)時(shí)控制。

模擬發(fā)射裝置伺服控制系統(tǒng)的硬件設(shè)備包括PC機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制卡、伺服驅(qū)動(dòng)器和執(zhí)行電機(jī)。運(yùn)動(dòng)控制卡采用通用PCI總線(xiàn)接口與上位機(jī)連接。下面以驅(qū)動(dòng)器為中間節(jié)點(diǎn)，詳細(xì)介紹伺服控制系統(tǒng)硬件的工作原理。

3.1 驅(qū)動(dòng)器與運(yùn)動(dòng)控制卡的連接

TS0150C32驅(qū)動(dòng)器控制信號(hào)有2種輸入方式：①CW與CCW端口分別輸入正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)脈沖；②CW端口輸入脈沖信號(hào)，D端口輸入方向信號(hào)。具體如圖6所示。

模擬發(fā)射裝置選用方案二所示的脈沖/方向控制方式，CW/D端口選用共陽(yáng)極接法，如圖7所示。如果CW/D端口為高電平，則發(fā)光二極管兩端電壓相同，脈沖信號(hào)停止發(fā)送。NI PCI7342運(yùn)動(dòng)控制卡+5 V輸出電壓連接驅(qū)動(dòng)器的控制脈沖輸入正極CW和方向輸入正極D+，運(yùn)動(dòng)控制卡控制脈沖接口、方向信號(hào)接口連接驅(qū)動(dòng)器控制脈沖輸入負(fù)極CCW和方向信號(hào)負(fù)極D-。

為了控制驅(qū)動(dòng)器的工作使能狀態(tài)，將控制卡的I/O口IN1連接至驅(qū)動(dòng)器使能輸入端EN-。該I/O口同樣采用共陽(yáng)極接法，EN+連接至+5 V電源。如果IN1為低電平，則使能回路導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)器暫停工作。

3.2 驅(qū)動(dòng)器與伺服電機(jī)的連接

驅(qū)動(dòng)器支持CAN、RS485和RS232等總線(xiàn)通信方式，利用CN1通訊端子與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。輸入輸出端子CN2的U，V，W和FG引腳分別連接伺服電機(jī)的紅、黃、藍(lán)、綠端子，即交流電的3根相線(xiàn)和地線(xiàn)；編碼器接口CN3通過(guò)接插件與電機(jī)軸端編碼器的A+、A-、B+、B-相連，輸出脈沖信號(hào)和方向控制信號(hào)；由于TS0150C32驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部沒(méi)有再生制動(dòng)電阻，所以，要在端子P，B之間外接，否則會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)電阻發(fā)熱，甚至燒毀驅(qū)動(dòng)器。TS0150C32驅(qū)動(dòng)器與伺服電機(jī)的接線(xiàn)方式如圖8所示。

3.3 速度控制模擬量輸入端口接線(xiàn)

手動(dòng)調(diào)炮時(shí)，模擬發(fā)射裝置通過(guò)電動(dòng)手輪輸出模擬控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)定向器的2臺(tái)伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)。這是伺服驅(qū)動(dòng)器采用速度控制模式的重要原因之一，TS0150C32驅(qū)動(dòng)器可通過(guò)外部輸入模擬量控制速度和轉(zhuǎn)矩。電動(dòng)手輪內(nèi)部等效為一個(gè)可調(diào)電阻，根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的大小，輸出0～10 V連續(xù)變化的控制電壓，接入驅(qū)動(dòng)器的16引腳，經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部電路放大處理后，可作為伺服電機(jī)的速度控制信號(hào)。

3.4 伺服系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)

TS0150C32驅(qū)動(dòng)器端口利用光電耦合器6N173進(jìn)行隔離保護(hù)，抑制尖峰脈沖與高頻噪聲的干擾，防止運(yùn)動(dòng)控制卡和驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部電路被燒毀?？刂泼}沖將單端信號(hào)轉(zhuǎn)化為差分信號(hào)，提高了信噪比。模擬發(fā)射裝置硬件系統(tǒng)選用帶有屏蔽功能的雙絞線(xiàn)作為傳輸介質(zhì)，主要控制元件共地連接，降低了電磁干擾和靜電感應(yīng)，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的可靠性和抗干擾性。為了保證伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定工作，高品質(zhì)的伺服電源至關(guān)重要。模擬發(fā)射裝置對(duì)驅(qū)動(dòng)器和控制系統(tǒng)分別供電，在布線(xiàn)工作前進(jìn)行系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計(jì)，前端電磁接觸器、進(jìn)線(xiàn)斷路器、噪聲濾波器和進(jìn)線(xiàn)電抗器的特性參數(shù)與系統(tǒng)負(fù)載匹配。伺服系統(tǒng)的硬件連接如圖10所示。

4 伺服控制系統(tǒng)上位機(jī)軟件的開(kāi)發(fā)

LabVIEW Softmotion Module是NI公司推出的單軸和多軸運(yùn)動(dòng)控制程序開(kāi)發(fā)平臺(tái)，以圖形化的方式編寫(xiě)的應(yīng)用軟件，可靈活使用豐富的API程序接口，按照協(xié)議與其他應(yīng)用程序通信，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)速度、位置和轉(zhuǎn)矩的控制。

模擬發(fā)射裝置的軌跡參數(shù)通過(guò)主控單元仿真軟件設(shè)置，運(yùn)動(dòng)控制程序作為獨(dú)立的子VI讀取高低角/方向角等運(yùn)動(dòng)參數(shù)。在LabVIEW Soft Motion環(huán)境中配置了2軸的速度、加速度等運(yùn)動(dòng)特性，可通過(guò)PCI總線(xiàn)輸出控制信號(hào)。如圖11所示，前面板主要包括參數(shù)配置模塊、錯(cuò)誤輸出模塊、運(yùn)動(dòng)軌跡顯示模塊三部分。

5 結(jié)束語(yǔ)

瞄準(zhǔn)和發(fā)射是該類(lèi)型火箭布雷車(chē)完成作業(yè)的關(guān)鍵，模擬發(fā)射裝置的設(shè)計(jì)直接影響著訓(xùn)練效果。本文采用“PC機(jī)+運(yùn)動(dòng)控制卡”的控制策略，建立了上位機(jī)—運(yùn)動(dòng)控制卡—驅(qū)動(dòng)器—執(zhí)行電機(jī)硬件系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)了基于LabVIEW Softmotion Module的上位機(jī)控制軟件，并利用NI模塊化的軟、硬件系統(tǒng)提高了模擬發(fā)射裝置的靈活性和可靠性，逼真地模擬了該類(lèi)型火箭布雷車(chē)的發(fā)射過(guò)程，這對(duì)我軍戰(zhàn)斗力的早日成形具有重大意義。

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作者簡(jiǎn)介：王樸，碩士研究生，現(xiàn)工作于解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院軍事裝備學(xué)教研中心。李煥良，副教授，現(xiàn)工作于解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院軍事裝備學(xué)教研中心。

〔編輯：張思楠〕

Abstract： We developed a rocket minelaying vehicle simulator launcher servo control technology based on the. The device using the software and hardware system of “PC + motion control card” control strategy， established the PC - motion control card， drive executive motor， hardware system， the development of the control software of PC based on LabVIEW robot was done by making module， and using Ni modular improves the model intends to launch the flexibility and reliability of the device.

Key words： servo control； rocket launcher； minelayer； LabVIEW