侯生超， 孟立凡， 劉春美

(1.中北大學(xué) 電子測試技術(shù)重點實驗室， 山西 太原 030051； 2.公安部第一研究所， 北京 100048)

0 引言

“低慢小”航空器(LSS-UAV)是指飛行高度低、飛行速度慢、雷達反射面積小的航空器具，主要包括輕型和超輕型飛機、滑翔機、無人機、飛艇、滑翔傘等12類。近年來，以小型無人機為代表的LSS-UAV黑飛擾航現(xiàn)象呈井噴上升趨勢，給國家空防安全和社會治安管理帶來了極大隱患[1]。攔截打擊LSS-UAV的難點在于打擊反應(yīng)時間短，常規(guī)武器裝備通常無法對其實施有效的處置攔截[2]，因此, 國內(nèi)外大力開展了LSS-UAV處置攔截技術(shù)的研究，現(xiàn)有技術(shù)主要包括微波、激光攔截和傳統(tǒng)火力攔截等“硬殺傷”攔截方式以及無線電干擾誘騙和網(wǎng)式攔截等軟殺傷攔截方式[3]。

城市中為減小損失和恐慌，一般以軟殺傷方式為主，網(wǎng)式攔截是比較典型的一種，具體過程是鎖定目標(biāo)后發(fā)射攔截彈，并使攔截彈藥在空中高速撒出纖維絲攔截網(wǎng)將無人機攔截，使其喪失機動能力[3-4]。而攔截網(wǎng)是否能有效攔截，在很大程度上取決于所用材料的參數(shù)。因此，本文設(shè)計一種電動機動力測試系統(tǒng)，并提出基于此系統(tǒng)測試?yán)w維絲束對電動機阻滯作用的方法，用多種材料對一款典型電動機進行多組試驗，并對所獲試驗數(shù)據(jù)進行分析。

1 電動機動力測試系統(tǒng)

本文設(shè)計的動力測試系統(tǒng)可測量電動機轉(zhuǎn)速、拉力(或推力)和扭矩等多個參數(shù)。測試系統(tǒng)具有如下特點：1)采用工業(yè)級傳感器、處理顯示設(shè)備，確保測量精確；2)固定被測電動機位置可調(diào)整，適應(yīng)多種規(guī)格的動力系統(tǒng)安裝；3)采用立式測量，減小地面效應(yīng)對測量值的干擾。

1.1 動力測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

本系統(tǒng)硬件主要結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，真實系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在此只作簡要說明。

圖1 電動機動力測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of dynamic measurement system of electromotor

測試系統(tǒng)上位機界面如圖2所示，該界面可顯示測得的溫度、轉(zhuǎn)速、扭矩以及電壓、電流等參數(shù)。

圖2 電動機動力測試系統(tǒng)上位機界面Fig.2 Interface of upper computer of dynamic measurement system of electromotor

1.2 系統(tǒng)測量原理

如圖3所示，通過傳感器測得電動機多個參數(shù)，首先是非電量經(jīng)過傳感器轉(zhuǎn)換為模擬電信號，然后經(jīng)過信號處理轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號，最后通過數(shù)據(jù)采集模塊處理為順序排列的數(shù)據(jù)幀并高速傳輸給上位機顯示。

圖3 系統(tǒng)測量原理圖Fig.3 Measurement principle of system

1.2.1 拉力及扭矩參數(shù)測量原理

本系統(tǒng)測試?yán)芭ぞ鼐捎秒p孔平行梁式稱重傳感器，此傳感器為集成式模塊，集傳感部分、信號處理部分及控制部分于一體。

1)傳感部分

傳感部分主要包括彈性體、應(yīng)變片及測量電路。本設(shè)計基于平行梁的不變彎矩特性[5]。

圖4 雙孔平行梁彈性元件變形示意圖Fig.4 Deformation of double-hole parallel beam

彈性體為雙孔平行梁，受力產(chǎn)生形變，結(jié)構(gòu)如圖4所示，挖孔開槽可使貼片位置的局部應(yīng)力集中，從而增大傳感器的輸出靈敏度[6]，因此應(yīng)變片貼在孔外壁(即AB截面與梁的兩條交線以及CD截面與梁的交線處)。

圖4中：L1為雙孔中心的水平距離，L2為任意一孔中心與元件邊界的水平距離，p為外加豎直向下載荷，p在CD截面產(chǎn)生彎矩M1，有

M1=L2p,

(1)

載荷p在AB截面產(chǎn)生彎矩M2，有

M2=(L1+L2)p，

(2)

故兩應(yīng)變截面的彎矩差為

M2-M1=(L1+L2)p-L2p=L1p.

(3)

由此可知，載荷p只要施加在CD截面以左的彈性元件上表面的任意位置，傳感器輸出就不會發(fā)生改變。

應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換成為電量，本文采用箔式應(yīng)變片，根據(jù)應(yīng)變片電阻應(yīng)變效應(yīng)，設(shè)有一段長為L、截面積為A、電阻率為ρ的導(dǎo)體，電阻值[7]為

(4)

當(dāng)它受到軸向力F而被拉伸或壓縮時，其L、A和ρ均發(fā)生變化，經(jīng)過一系列推導(dǎo)可以得到

(5)

式中：dR為電阻變化量；μ為金屬材料的泊松比；λ為壓阻系數(shù)；E為金屬材料的彈性模量；ε為金屬材料的應(yīng)變。

2)信號處理部分及單片機微控制單元

如圖5所示，測量電路轉(zhuǎn)換輸出的電壓信號幅值變化小(毫伏量級)，因此需經(jīng)過放大后實現(xiàn)模擬信號/數(shù)字信號(A/D)轉(zhuǎn)換。信號處理過程中，首先用電阻- 電容濾波電路濾除部分噪聲[8]，放大后再次濾波以濾除放大器產(chǎn)生的噪聲，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后再進行兩次濾波，從而減少紋波的影響，保持相頻和幅頻均衡[9]。微控制單元(MCU)部分采用ARM Cortex-M內(nèi)核32位的STM32處理器對信號進行有效數(shù)據(jù)的篩選，并通過RS-485總線將數(shù)據(jù)傳送給管理主機。

圖5 信號處理部分及MCU示意圖Fig.5 Signal processing part and MCU

由于變化電壓信號相對于原電壓信號會比較小，放大部分采用三運算放大器構(gòu)成的集成差動儀用INA128放大器[10-11]，具有較高的共模抑制比，有源濾波采用雙運算TLV2463放大器[12]，A/D采用16位快速高精度的ADS7821芯片。

1.2.2 轉(zhuǎn)速測量原理

本系統(tǒng)設(shè)計的轉(zhuǎn)速測量方式適用于對無人機電動機的轉(zhuǎn)速測量。選擇一款外轉(zhuǎn)子無感無刷QM2812-980KV直流電動機，外直徑為28 mm、定子長度為12 mm，每伏轉(zhuǎn)速提高980 r/min，無需位置傳感器，是電子換向(無刷直流電動機用電調(diào)實現(xiàn)電子換向)代替?zhèn)鹘y(tǒng)電刷的新型電動機(見圖6)。

圖6 無刷直流電機轉(zhuǎn)速反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)原理框圖Fig.6 Closed-loop system of rotational speed feedback of brushless DC motor

電機驅(qū)動原理基于無刷直流電機方波驅(qū)動技術(shù)，首先完成電機轉(zhuǎn)子預(yù)定位、電機外同步加速、電機運行狀態(tài)切換的無感式3段啟動過程，順利啟動電機，然后進入速度比例、積分、微分(PID)閉環(huán)控制，即通過檢測轉(zhuǎn)子位置確定是否換向，檢測速度實現(xiàn)反饋調(diào)節(jié)。

如圖7所示，兩虛線間為60°電氣角度，標(biāo)識處即為反電動勢的過零點，實際反電動勢波形檢測到過零點要比有感檢測下提前30°，故延遲30°即可為電動機換相[14]。

圖7 理想反電動勢波形Fig.7 Hypothetical back electromotive force waveform

本系統(tǒng)采用的反電動勢過零檢測電路如圖8所示[13]，工作原理為：當(dāng)運算放大器同相輸入端輸入電壓信號高于反相輸入端輸入電壓信號時，運算放大器輸出信號為高電平，反之則輸出為低電平。

轉(zhuǎn)速計算公式[15]為

(6)

式中：n為轉(zhuǎn)速(r/min)；Δθ為轉(zhuǎn)過的角度(可以取60°，為兩次過零點相差角度)；P為極對數(shù)(這里為7)；ΔT為電動機轉(zhuǎn)過Δθ所需要的時間，ΔT=NΔt，N為計數(shù)值，Δt為電子換向所用MCU計數(shù)周期[16]。

圖8 過零檢測電路Fig.8 Zero-crossing detection circuit

2 纖維絲束作用電動機纏阻效應(yīng)試驗機理

表征無人機動力系統(tǒng)性能的3個主要參數(shù)為扭矩、拉力和轉(zhuǎn)速，其中：轉(zhuǎn)矩是旋轉(zhuǎn)機械的重要特性參數(shù)之一，對研究電動機動態(tài)過程、求取最佳運行狀態(tài)很重要[17]，且輸出扭矩用于克服槳葉旋轉(zhuǎn)阻力(在此僅測試?yán)w維絲束阻滯所消耗的電機輸出扭矩)[18]，輸出扭矩與轉(zhuǎn)速呈反比[19]；無人機的重要特性之一是載荷(包括發(fā)射質(zhì)量、自重及載荷，以重力加速度g為單位)，拉力(即推力，槳葉旋轉(zhuǎn)形成氣動力在垂直于旋轉(zhuǎn)平面的分力)就是無人機帶載荷升空的保障[20]，而無人機動力系統(tǒng)所能提供的拉力與轉(zhuǎn)速呈正比(在此僅測試?yán)w維絲束阻滯所消耗的拉力，單位N，由F=mg(g取9.8 N/kg)得到)；轉(zhuǎn)速是表示電動機特性的主要非電物理量之一，不但決定著無人機載重，而且影響著其姿態(tài)變換[19]。

在使用ICIs過程中，肌鈣蛋白升高的患者要進一步明確有無心臟病史，必要時停止ICIs使用并對癥處理。對于肌鈣蛋白變化輕微、心電圖和超聲心動圖正常的無癥狀患者，可1～2周重復(fù)檢查進行密切監(jiān)測。這種方法可以早預(yù)防、早期診斷和治療心臟并發(fā)癥，可以防止過早中斷治療，達到更好的療效。

在此只考慮纖維絲束已進入電動機定子與轉(zhuǎn)子間隙的情況。如圖9所示，轉(zhuǎn)子與定子間有空隙，由于電動機螺旋槳高速旋轉(zhuǎn)，絲束被大量纏繞在電動機轉(zhuǎn)子上，當(dāng)纏繞進入電動機轉(zhuǎn)子與定子間隙處的纖維絲束達到一定的量時，其產(chǎn)生的摩擦力將會滯止電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，從而使得電動機轉(zhuǎn)速降低甚至停機，導(dǎo)致空中飛行的無人機失速墜落(姿態(tài)失調(diào)以至于無法平衡空氣阻力和自重)，達到預(yù)定的軟殺傷攔截效果。這一過程發(fā)生的時間極其短暫。

圖9 無刷直流電機內(nèi)部構(gòu)造Fig.9 Internal structure of brushless DC motor

3 試驗方案

本文設(shè)計小型無人機電動機動力系統(tǒng)測試系統(tǒng)，在電動機高速運轉(zhuǎn)情況下，采用3種纖維絲束材料，考察對電動機采用不同絲束規(guī)格、長度時對電動機產(chǎn)生的阻滯效果。圖10所示為測試系統(tǒng)現(xiàn)場圖。

圖10 小型電動機動力測試系統(tǒng)現(xiàn)場圖Fig.10 Dynamic measurement system of mini electromotor

3.1 試驗用纖維絲束基本參數(shù)

試驗主要考察表1中不同種類、規(guī)格和長度絲束對電動機的纏繞阻滯效果。

3.2 測試目標(biāo)對象及試驗過程

3.2.1 目標(biāo)對象

選定典型QM2812-980KV無刷直流電動機，配備11寸螺旋槳，最大拉力為12.25 N，最大連續(xù)功率為250 W，最大連續(xù)電流為21 A[21].

3.2.2 試驗過程

在專有設(shè)備上布置不同長度的纖維絲束，纖維絲束一端與其弱連接，另一端靠近電動機，觀察電動機的運轉(zhuǎn)及滯止情況。若長度較短的纖維絲束能滯止電動機，則停止較長絲束的試驗。試驗步驟如下：

1)將電動機固定布置好，檢查電動機狀況及安全情況；

2)將事先制好的絲束固定到專有設(shè)備上；

3)啟動電動機至穩(wěn)定轉(zhuǎn)速；

4)將專有設(shè)備上纖維絲靠近電動機螺旋槳，使其碰撞纏繞到電動機螺旋槳上，并被帶入電動機定子與轉(zhuǎn)子之間間隙內(nèi)，觀察電動機運轉(zhuǎn)效果；

5)記錄數(shù)據(jù)并進行分析。

4 測試結(jié)果及分析

對QM2812-980KV電動機分別用不同種類和長度的纖維束進行8組試驗，并對每組數(shù)據(jù)進行分析，這里只列出3組。由于實際情況中無人機較小的轉(zhuǎn)速變化就會引起飛行姿態(tài)失衡，導(dǎo)致其墜落，本文僅就電動機從平穩(wěn)速度下降約800 r/min這一區(qū)間分析其轉(zhuǎn)速、扭矩及拉力參數(shù)的瞬態(tài)變化。

4.1 第1組試驗

圖11所示為在1根20 m長的300D/3規(guī)格的1號纖維阻滯下電動機的參數(shù)變化，共做了3次試驗。從圖11(a)中可以看出，電動機的轉(zhuǎn)速在1號纖維束產(chǎn)生阻滯作用時快速下降，其中：曲線1纖維作用后電動機轉(zhuǎn)速從峰值3 115 r/min降低800 r/min歷時1.1 s；曲線2轉(zhuǎn)速從峰值2 998 r/min降低800 r/min歷時1.4 s；曲線3轉(zhuǎn)速從峰值3 078 r/min降低800 r/min歷時1.0 s. 從圖11(b)中可以看出，電動機輸出扭矩在纖維束產(chǎn)生阻滯時迅速增大，曲線1從0～0.03 N·m歷時1.0 s，曲線2從0～0.046 N·m 歷時1.3 s，曲線3從0～0.065 N·m歷時0.6 s. 從圖11(c)中可以看出，電動機輸出拉力在纖維束產(chǎn)生阻滯時的變化趨勢類似于扭矩，也是迅速變化，峰值在0.784～1.078 N之間，曲線1、曲線2、曲線3從0到峰值分別歷時1.0 s、1.3 s、1.0 s.

圖11 1號300D/3纖維阻滯電動機各參數(shù)變化Fig.11 Changing parameters of motor under blocking of 1# fiber which is 300D/3-specification

4.2 第2組試驗

圖12是在1根20 m長的3號200D纖維阻滯下電動機參數(shù)變化，共做了3次試驗。從圖12(a)中可以看出，電動機的轉(zhuǎn)速在3號纖維束產(chǎn)生阻滯作用時快速下降，其中曲線1纖維作用后電動機轉(zhuǎn)速從峰值3 080 r/min降低800 r/min歷時1.1 s，曲線2轉(zhuǎn)速從峰值3 070 r/min降低800 r/min歷時1.1 s，曲線3轉(zhuǎn)速從峰值3 130 r/min降低800 r/min歷時0.8 s；從圖12(b)中可以看出，電動機輸出扭矩在纖維束產(chǎn)生阻滯時迅速增大，曲線1從0～0.04 N·m歷時1.0 s，曲線2從0到0.045 N·m歷時1.3 s，曲線3從0到0.033 N·m歷時1.0 s；從圖12(c)中可以看出，電動機輸出拉力在纖維束產(chǎn)生阻滯時的變化趨勢類似于扭矩，也是迅速變化，峰值在1.274～1.960 N之間，曲線1、曲線2、曲線3從0到峰值分別歷時1.3 s、1.0 s、1.1 s.

圖12 3號200D纖維阻滯電動機各參數(shù)變化Fig.12 Changing parameters of motor under blocking of 3# fiber which is 200D-specification

4.3 第3組試驗

圖13是在1根20 m長的2號20S/3 纖維阻滯下電動機參數(shù)變化，共做了3次試驗。從圖13(a)中可以看出，電動機轉(zhuǎn)速在2號纖維束產(chǎn)生阻滯作用時快速下降，其中曲線1纖維作用后電動機轉(zhuǎn)速從峰值3 130 r/min降低800 r/min歷時0.8 s，曲線2轉(zhuǎn)速從峰值3 000 r/min降低800 r/min歷時1.1 s，曲線3轉(zhuǎn)速從峰值3 080 r/min降低800 r/min歷時1.1 s；從圖13(b)中可以看出，電動機輸出扭矩在纖維束產(chǎn)生阻滯時迅速增大，曲線1從0～0.053 N·m歷時0.7 s，曲線2從0～0.11 N·m歷時1.0 s，曲線3從0～0.04 N·m歷時1.3 s；從圖13(c)中可以看出，電動機輸出拉力在纖維束產(chǎn)生阻滯時的變化趨勢類似于扭矩，也是迅速變化，峰值在0.539～3.136 N之間，曲線1、曲線2、曲線3從0到峰值分別歷時0.7 s、1.0 s、1.3 s.

圖13 2號20S/3纖維阻滯電動機各參數(shù)變化Fig.13 Changing parameters of motor under blocking of 2# fiber which is 20S/3-specification

4.4 結(jié)果分析

針對相同長度的5種不同規(guī)格材料(1號纖維有3種規(guī)格)進行試驗，將電動機轉(zhuǎn)速從最大轉(zhuǎn)速下降了800 r/min作用時間以及轉(zhuǎn)速開始下降1.0 s內(nèi)扭矩變化量以及拉力變化量取多次試驗平均值做對比分析，所得結(jié)果如表2所示。從表2中可以看出，1號210D/3纖維阻滯下轉(zhuǎn)速下降歷時最短，因此所能提供的拉力急劇減小，響應(yīng)輸出扭矩變化量和阻滯消耗拉力較大，結(jié)果將易使無人機升力(拉力)變化來不及做出迅疾調(diào)整而失速墜落，減速阻滯作用優(yōu)，其他規(guī)格材料的阻滯消耗拉力及輸出扭矩也有明顯變化，但減速效果明顯慢。由此可判斷1號210D/3纖維對于微小型無人機電動機的軟失效效果最好。

5 結(jié)論

本文基于纖維絲束對電動機的纏繞阻滯作用機理，設(shè)計并搭建了一種電動機動力測試系統(tǒng)。通過試驗研究得到以下結(jié)論：

1)所設(shè)計的電動機動力測試系統(tǒng)可以實現(xiàn)多種纖維絲束軟毀傷效果研究。

表2 多種纖維絲束阻滯電動機參數(shù)對比

2)通過試驗獲得了不同種類、不同規(guī)格纖維絲束作用電動機的阻滯結(jié)果。

3)獲得了所試材料軟毀傷LSS-UAV動力系統(tǒng)的最優(yōu)材料參數(shù)，對軟毀傷元設(shè)計具有參考價值。

致謝北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)重點實驗室對于試驗工作的大力支持。