楊建春，王 炅，黃學(xué)功，孫 棟

(南京理工大學(xué)，南京 210094)

0 引 言

頭部偏轉(zhuǎn)式彈道修正是一種新型二維彈道修正方法，它的彈頭與彈體部分并不固連在一起，兩者可相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)裝置控制，可偏轉(zhuǎn)彈頭偏離彈體軸線，使彈頭的迎風(fēng)面和背風(fēng)面存在壓差，產(chǎn)生相對(duì)于彈體的氣動(dòng)控制力和氣動(dòng)力矩，以達(dá)到修正彈藥落點(diǎn)的目的。與一般的二維彈道修正相比，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，原理清晰易懂[1-2]。

超聲電動(dòng)機(jī)是上個(gè)世紀(jì)80年代開始發(fā)展起來(lái)的一種新型微特電機(jī)，它基于壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，讓定子彈性體在超聲頻段產(chǎn)生微幅振動(dòng)，通過(guò)定子和轉(zhuǎn)子間的摩擦，帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)或移動(dòng)[3-4]。與傳統(tǒng)的電磁電機(jī)相比，超聲電動(dòng)機(jī)具有輸出力矩大、響應(yīng)速度快、體積小質(zhì)量輕、低噪聲、不受電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，在精密機(jī)械、航空航天、機(jī)器人等領(lǐng)域都有較好的應(yīng)用前景[5]。若使用多個(gè)單自由度超聲電動(dòng)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)二維彈道修正，會(huì)使驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)整體尺寸偏大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，球形多自由度超聲電動(dòng)機(jī)能夠提供頭部偏轉(zhuǎn)式彈道修正所需要的偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，是作為彈頭偏轉(zhuǎn)彈道修正的良好的驅(qū)動(dòng)裝置。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)球形多自由度超聲電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路研究較少，沒有現(xiàn)成的驅(qū)動(dòng)方案可供使用。此外，在彈丸內(nèi)部無(wú)法直接提供超聲電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)所需的高壓電源，因此無(wú)法利用高壓功率放大芯片直接將電壓放大，需要利用其他器件來(lái)實(shí)現(xiàn)，且彈丸內(nèi)部空間有限，對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的小型化提出了較高的要求。針對(duì)以上問(wèn)題，提出了一種高效的控制方法，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)方案，最后進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 多自由度超聲電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)原理與控制方法

1.1 多自由度超聲電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)原理

圖1為多自由度超聲電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖，包括球轉(zhuǎn)子、3個(gè)結(jié)構(gòu)相同的定子和底座。3個(gè)定子環(huán)繞球轉(zhuǎn)子兩兩相差120°對(duì)稱分布，定子軸線與水平面之間的夾角為15°。

定子由定子彈性體、壓電陶瓷片、摩擦材料和預(yù)緊導(dǎo)向機(jī)構(gòu)組成，預(yù)緊導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的功能是提供定轉(zhuǎn)子之間的預(yù)緊力，保證定子彈性體軸線位置固定。當(dāng)給粘貼在定子彈性體底面的壓電陶瓷片施加一定頻率的交流信號(hào)時(shí)，就能在定子彈性體表面激發(fā)出如圖2所示的面外彎曲模態(tài)。

圖2 定子彈性體的面外彎曲模態(tài)

其模態(tài)振型可表示[3]：

φA=R(r)sin(nθ)

其正交模態(tài)振型:

φB=R(r)cos(nθ)

式中：R(r)為沿定子彈性體徑向的位移分布函數(shù)；sin(nθ)，cos(nθ)為沿定子彈性體周向的位移分布函數(shù)。當(dāng)給壓電陶瓷片施加兩列同頻等幅相位差為90°的交流信號(hào)時(shí)，激發(fā)出的兩相模態(tài)響應(yīng)：

ωA=R(r)sin(nθ)δcos(ωnt)

ωB=R(r)cos(nθ)δsin(ωnt)

式中：δ為兩相模態(tài)的響應(yīng)幅值；ωn為驅(qū)動(dòng)電壓的工作頻率。兩相模態(tài)響應(yīng)疊加形成行波：

ω=R(r)δsin(nθ-ωnt)

如圖3所示，定轉(zhuǎn)子由于預(yù)緊力的存在而緊密接觸，在行波定子齒端各個(gè)質(zhì)點(diǎn)的作用下，球轉(zhuǎn)子獲得了和定子行波運(yùn)動(dòng)方向相反的運(yùn)動(dòng)。也就是說(shuō)，給壓電陶瓷片施加兩相交流信號(hào)，就能夠驅(qū)動(dòng)球轉(zhuǎn)子繞定子軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖3 定子驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子示意圖

多自由度超聲波電動(dòng)機(jī)包括3個(gè)定子，每個(gè)定子都能單獨(dú)驅(qū)動(dòng)球轉(zhuǎn)子繞其軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)3個(gè)定子一起驅(qū)動(dòng)球轉(zhuǎn)子時(shí)，球轉(zhuǎn)子就獲得了多自由度的運(yùn)動(dòng)。

1.2 彈道修正用多自由度超聲電動(dòng)機(jī)控制方法及控制信號(hào)

多自由度超聲電動(dòng)機(jī)輸出性能好，且能夠提供修正彈道所需的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，是彈道修正機(jī)構(gòu)良好的驅(qū)動(dòng)裝置?；诙嘧杂啥瘸曤妱?dòng)機(jī)的彈頭偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)如圖4所示。

圖4 基于多自由度超聲電動(dòng)機(jī)的彈頭偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

基于多自由度超聲電動(dòng)機(jī)的彈頭偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程可分為兩步。第一步，多自由度超聲電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)可偏轉(zhuǎn)彈頭偏離彈體軸線，直至彈頭軸線與彈體軸線之間的夾角達(dá)到指定值；第二步，多自由度超聲電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)已經(jīng)完成偏轉(zhuǎn)動(dòng)作的可偏轉(zhuǎn)彈頭繞彈體軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，直至到達(dá)能夠修正彈道的指定位置。第一步為偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，為了高效的完成偏轉(zhuǎn)動(dòng)作，由其中一個(gè)定子來(lái)驅(qū)動(dòng)球轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，另外兩個(gè)定子做駐波運(yùn)動(dòng)，使球轉(zhuǎn)子繞其中一個(gè)定子的軸線轉(zhuǎn)動(dòng)；第二步為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這個(gè)運(yùn)動(dòng)需要3個(gè)定子以同樣的轉(zhuǎn)速來(lái)驅(qū)動(dòng)球轉(zhuǎn)子，3個(gè)轉(zhuǎn)速在球轉(zhuǎn)子上的矢量疊加，使球轉(zhuǎn)子沿彈軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

綜上所述，為簡(jiǎn)化多自由度超聲電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路，多自由度超聲電動(dòng)機(jī)的一個(gè)定子單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，另外兩個(gè)定子可以由同一個(gè)交流信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)，即基于多自由度超聲電動(dòng)機(jī)的彈頭偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)需要的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為ηAsin(ω1t)，ηAcos(ω1t)，ηBsin(ω2t)，ηBcos(ω2t)，為4路幅值、頻率和相位分別可調(diào)的交流信號(hào)。驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率取決于多自由度超聲電動(dòng)機(jī)定子彈性體的共振頻率，一般在20～100 kHz之間，驅(qū)動(dòng)信號(hào)幅值一般在幾十伏至幾百伏之間,本文中設(shè)計(jì)為峰峰值300 V，此外，要求每?jī)上嘟涣餍盘?hào)之間的相位差連續(xù)可調(diào)。

2 驅(qū)動(dòng)電路方案

目前較為成熟的超聲電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路是由高頻信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生基準(zhǔn)的方波信號(hào)，再由分頻分相器將單相信號(hào)轉(zhuǎn)換成兩相信號(hào)，再經(jīng)過(guò)逆變升壓，得到超聲電動(dòng)機(jī)所需的高壓交流信號(hào)[6]。對(duì)于多自由度超聲電動(dòng)機(jī)而言，需要至少4路信號(hào)，使用傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電路會(huì)使得電路尺寸大、多路信號(hào)之間調(diào)節(jié)不一致。針對(duì)這一問(wèn)題，提出使用DDS芯片AD9959作為驅(qū)動(dòng)電路的信號(hào)發(fā)生器。多自由度超聲電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路示意圖如圖5所示。

圖5 多自由度超聲電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路示意圖

2.1 基于DDS的正弦信號(hào)發(fā)生電路

基于DDS的正弦信號(hào)發(fā)生電路由微控制器MCU和直接數(shù)字頻率合成器DDS組成。DDS是產(chǎn)生正弦信號(hào)的核心芯片，輸出波形的幅值、相位和頻率的大小需要通過(guò)MCU來(lái)配置DDS的內(nèi)部寄存器決定。故MCU的作用是向DDS發(fā)送幅值、相位和頻率控制字，接收反饋信號(hào)和進(jìn)行信號(hào)處理，單片機(jī)就能夠滿足以上要求，無(wú)需使用成本更高的ARM和DSP。MCU和DDS之間的連接情況如圖6所示。

圖6 MCU和DDS的連線示意圖

圖6中，PWR_DWN為外部斷電允許位；RESET為復(fù)位引腳；CS為片選信號(hào)引腳；I/O UPDATE在其上升沿將I/O口數(shù)據(jù)傳遞給AD9959內(nèi)部寄存器；SCLK為串行操作時(shí)的時(shí)鐘輸入端，在其上升沿寫入數(shù)據(jù)，下降沿讀出數(shù)據(jù)；P0～P3用于調(diào)制方式的選擇；SDIO0～SDIO3為串行數(shù)據(jù)輸入輸出口。單片機(jī)通過(guò)這些I/O與DDS相連，使DDS輸出4相幅值、頻率和相位分別可調(diào)的交變信號(hào)，但這些信號(hào)還不能直接用來(lái)驅(qū)動(dòng)超聲電動(dòng)機(jī)，還需對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步處理。

2.2 有源濾波電路

AD9959的輸出信號(hào)為脈動(dòng)直流信號(hào)，首先要濾去其中的直流分量才能得到純凈的交流信號(hào)。DDS的輸出信號(hào)直接由其內(nèi)部的DAC輸出，具有一定的諧波分量和時(shí)鐘干擾，需要對(duì)DDS的輸出信號(hào)進(jìn)行濾波處理。濾波電路按其有無(wú)放大器件可分為無(wú)源濾波器和有源濾波器，目前一些文獻(xiàn)中用電阻、電容和電感搭建了高階橢圓形無(wú)源濾波器，取得了較好的濾波效果[7]。但每一路濾波電路均使用了較多的無(wú)源器件(電容和電感)，不利于電路的小型化。有源濾波電路體積小、質(zhì)量輕，且可以自動(dòng)補(bǔ)償各次諧波，除了濾波之外，還可以放大輸入信號(hào)，作為后級(jí)放大電路的前置放大器，采用了四通道運(yùn)算放大芯片OPA1654來(lái)搭建有源濾波電路，使電路高度集成，設(shè)計(jì)的一路有源濾波電路原理圖如圖7所示。

圖7 一路有源濾波電路原理圖2.3 放大電路

AD9959的輸出信號(hào)電壓峰峰值只有幾百毫伏，輸出電流只有10 mA左右，不能直接用來(lái)驅(qū)動(dòng)多自由度超聲電動(dòng)機(jī)，要對(duì)其進(jìn)行多次放大。前端有源濾波電路已使用OPA1654將交流信號(hào)的電壓峰峰值從幾百毫伏放大至±6 V，然后使用2片雙通道功率放大芯片TDA7265將輸出信號(hào)的電壓峰峰值放大至±12 V，最后通過(guò)高頻變壓器EE16將輸出電壓從±12 V放大至±150 V，且輸出信號(hào)滿足一定的功率要求，放大電路示意圖如圖8所示。

圖8 放大電路示意圖

3 輸出波形實(shí)驗(yàn)

根據(jù)以上方案設(shè)計(jì)的彈道修正用多自由度超聲電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖9所示。由于尺寸限制以及防止信號(hào)互相干擾，將驅(qū)動(dòng)電路中的各個(gè)模塊分別制板，同時(shí)也為下一步優(yōu)化電路提供了便利。利用keil軟件編寫了控制程序，輸出了4路幅值、頻率、相位分別可調(diào)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)如圖10所示，輸出電壓峰峰值達(dá)到280 V，略小于設(shè)計(jì)值，基本滿足設(shè)計(jì)的需要。設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路輸出電壓峰峰值可在0～280 V之間連續(xù)可調(diào)，工作頻率在20～100kHz之間連續(xù)可調(diào)，兩相信號(hào)之間的相位差可為任意值。如圖11所示，通過(guò)改變上位機(jī)中的幅值控制字，輸出的兩相信號(hào)幅值不等；如圖12所示，通過(guò)改變上位機(jī)中的頻率控制器，輸出的兩相信號(hào)頻率不同；如圖13(a)、圖13(b)所示，通過(guò)改變上位機(jī)中的相位控制字，兩相輸出信號(hào)之間的相位差發(fā)生了改變，因此驅(qū)動(dòng)信號(hào)的幅值、頻率和相位都是可調(diào)的。

圖9 驅(qū)動(dòng)電路實(shí)物圖

圖10 驅(qū)動(dòng)電路四路輸出信

圖11 輸出信號(hào)幅值調(diào)節(jié)

圖12 輸出信號(hào)頻率調(diào)節(jié)

(a) 相位控制字較小時(shí)

(b) 相位控制字較大時(shí)

4 結(jié) 語(yǔ)

本文以彈道修正用多自由度超聲電動(dòng)機(jī)為驅(qū)動(dòng)目標(biāo)，設(shè)計(jì)了一種由DDS信號(hào)發(fā)生電路、有源濾波電路和功率放大電路/變壓器組成的多自由度超聲電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，現(xiàn)總結(jié)如下：1)根據(jù)多自由度超聲電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)原理及彈頭偏轉(zhuǎn)過(guò)程，為了簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)電路，提出了一種簡(jiǎn)便控制方法；2)實(shí)驗(yàn)證明，設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電壓高，驅(qū)動(dòng)信號(hào)穩(wěn)定且方便調(diào)節(jié)，滿足設(shè)計(jì)要求；3)設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路盡量使用了多通道集成芯片，加工的實(shí)物滿足小型化的要求。

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