CC BY
335
ТулГУ [3] и др., когда профессорско-преподавательский состав вместе со студентами активно участвует в выполнении НИР и ОКР, проводимых такими организациями, как ГУП «КБП», НИИ «Сплав», ОАО «НИИ «Стрела», ЦКБ А, КБ «Арматура» идр. по созданию КУВ.
Список литературы
1. И щит, и меч России. К 80-летию ГУЛ «КБП». Тула: Изд. дом «Пересвет», 2007. 224 с.
2. Подчуфаров Ю.Б. Физико-математическое моделирование систем управления и комплексов / под ред. А.Г. Шипунова. М.: Изд-во физико-математической литературы, 2002. 168 с.
3. История становления и развития кафедры «Системы автоматического управления» (1956 - 2006 гг.) / автор - составитель Чернова М.Б. Тула: Изд-во ТулГУ, 2009. 568 с.
Y.B. Podchufarov, A.Y. Podchufarov
THE PROBLEMS OF DESIGNING THE CONTROL WEAPON
The important problems for intensification of constructor ’s work are presented.
Key words: weapon, control system, theory of designing, simulation, arms constructor.
Получено 03.10.11
УДК 681.532.8:621.391
В.Г. Баунин, канд. техн. наук, доц., нач. отдела, (49232) 9-02-14,
Б.В. Новоселов, д-р техн. наук, проф., нач. научно-производственного комплекса - главный конструктор направления, (49232) 9-03-57, mail@vniisignal.ru (Россия, Ковров, ОАО «ВНИИ «Сигнал»)
ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ПРОИЗВОДСТВА УПРАВЛЯЕМЫХ ОПОРНО-ПОВОРОТНЫХ УСТРОЙСТВ АНТЕНН РАДИОСВЯЗИ
Рассматриваются проблемы проектирования и производства управляемых опорно-поворотных устройств антенн комплексов радиосвязи, устанавливаемых на подвижные объекты.
Ключевые слова: опорно-поворотное устройство, система управления, антенна радиосвязи.
Введение
Наведение антенн комплексов радиосвязи, устанавливаемых на подвижные объекты, осуществляется управляемыми опорно-поворотными
21
устройствами (УОПУ), имеющими систему управления, обеспечивающую требуемую точность наведения антенны.
Особенности построения каждого УОПУ определяются количеством осей наведения, диапазоном углов наведения по этим осям, требованиями по размещению опорно-поворотного устройства с установленной на нем антенной на объекте, требованиями к точности, скоростям и ускорениям наведения антенны, требованиями к прочности и устойчивости к внешним воздействующим факторам и т.д.
В то же время, несмотря на все многообразие используемых УОПУ, их можно классифицировать по следующим основным признакам [1]:
- по условиям работы;
- по количеству осей наведения;
- по наличию или отсутствию оси, относительно которой осуществляется наведение антенны вкруговую без ограничения числа оборотов;
- по размещению элементов системы управления опорноповоротным устройством.
Классификация управляемых опорно-поворотных устройств
Классификация УОПУ приведена на рис. 1.
По условиям работы УОПУ, используемые для наведения антенн комплексов радиосвязи, можно разделить на наземные, корабельные и бортовые. Наземные, в свою очередь, можно разделить на стационарные и подвижные, к которым относятся УОПУ, устанавливаемые на подвижные объекты с колесными или гусеничными шасси, а также УОПУ, устанавливаемые на железнодорожные платформы.
Рис. 1. Классификацияуправляемыхопорно-поворотныхустройств
Стационарные наземные УОПУ, как правило, эксплуатируются на открытом воздухе, в связи с чем к ним предъявляются требования по устойчивости и прочности к воздействию ветровых нагрузок, солнечного излучения, атмосферных выпадающих осадков.
22
К УОПУ, размещаемым на подвижных наземных объектах, предъявляются более жесткие требования по прочности и устойчивости к механическим воздействиям (вибрации и ударам), массе и габаритным размерам. УОПУ этой группы с установленными на них антеннами могут размещаться под радиопрозрачным укрытием, которое, с одной стороны, защищает их от прямого действия ветровых нагрузок, солнечного излучения и атмосферных выпадающих осадков, но, с другой стороны, способствует нагреванию воздушного пространства, окружающего опорноповоротное устройство, до высоких температур. В связи с этим к таким УОПУ предъявляются более жесткие требования по устойчивости и прочности к повышенной и пониженной температурам окружающей среды, а также к циклическому их изменению.
Для корабельных УОПУ характерна более агрессивная внешняя среда, в связи с чем к ним предъявляются более высокие требования по устойчивости и прочности к воздействию повышенной относительной влажности, а также требование по стойкости к воздействию соляного тумана. Требования по массо-габаритным характеристикам, а также по устойчивости к воздействию пониженной температуры окружающей среды и стойкости к механическим воздействиям для УОПУ этой группы, как правило, не настолько высоки как для УОПУ, установленных на подвижных наземных объектах.
К бортовым УОПУ предъявляются наиболее высокие требования по массогабаритным характеристикам и показателям надежности. Требования по устойчивости и прочности к повышенной и пониженной температурам окружающей среды, к механическим вибрациям для бортовых УОПУ также достаточно высокие. Дополнительно к этим УОПУ предъявляются требования по стойкости к пониженному атмосферному давлению и к быстрому изменению температуры окружающей среды. Бортовые УОПУ с установленными на них антеннами, как правило, устанавливаются под радиопрозрачным обтекателем, что накладывает дополнительные требования по их конструктивному исполнению.
Если основная задача стационарных наземных УОПУ заключается в обеспечении наведения антенны на заданное направление или в обеспечении программного изменения направления антенны в пространстве при выполнении сканирования, то для УОПУ, размещаемых на подвижных наземных объектах, так же, как для корабельных и бортовых УОПУ, характерной задачей является обеспечение наведения и удержания заданного направления антенны в инерциальном пространстве при движении объекта-носителя.
По количеству осей наведения УОПУ можно разделить на одноосные, двухосные и трехосные [2]. Гораздо более редко встречаются УОПУ с количеством осей наведения, превышающим три.
УОПУ с одной осью вращения являются наиболее простыми, но могут быть использованы преимущественно для наведения в комплексах радиосвязи с достаточно широкой диаграммой направленности антенны.
УОПУ с двумя осями вращения широко используются для наведения и косвенной стабилизации наземных, корабельных и бортовых антенн с круговой поляризацией. Как правило, двухосное УОПУ выполняется с азимутальной и угломестной осями наведения.
Для наведения антенн с линейной поляризацией, устанавливаемых на подвижные объекты, преимущественно используются трехосные УОПУ.
По мере увеличения количества осей и диапазонов углов наведения антенны по этим осям усложняется конструкция УОПУ.
УОПУ, предназначенные для наведения антенны вкруговую относительно одной из осей, имеют устанавливаемое в узле вращения относительно этой оси вращающее контактное устройство (ВКУ). ВКУ обеспечивает обмен сигналами между антенной и установленным на объекте-носителе внутренним устройством комплекса радиосвязи, а также обмен сигналами между элементами системы управления УОПУ, расположенными на его подвижных и неподвижных элементах конструкции.
УОПУ, не имеющие осей вращения вкруговую, могут быть выполнены без ВКУ.
По размещению элементов системы управления УОПУ можно разделить на УОПУ с размещением на них всех элементов системы управления и на УОПУ с размещением части элементов системы управления на объекте. Каждый из этих вариантов компоновки имеет свои достоинства и недостатки [3].
Основным преимуществом варианта исполнения УОПУ с размещением на нем всех элементов системы управления является представление УОПУ в виде законченного мехатронного модуля, имеющего одно установочное место на объекте, к которому должны быть подведены напряжение питания и линия связи с устройством управления вышестоящего уровня сравнительно малым количеством проводов, как правило, заключенных в два отдельных жгута. Основная сложность при реализации этого варианта компоновки заключается в размещении электронных приборов системы управления на вращающейся части опорно-поворотного устройства.
Основными преимуществами варианта исполнения УОПУ с размещением части элементов системы управления на объекте являются возможность снижения значений внешних воздействующих факторов, действующих на электронную часть системы управления, а также упрощение компоновки собственно опорно-поворотного устройства. Сложность реализации этого варианта применительно к трехосным опорно-поворотным устройствам связана с ограниченным представлением на рынке радиоэлек-
тронных компонентов малогабаритных ВКУ для передачи большого количества сигналов.
Проблемы проектирования управляемых опорно-поворотных устройств
Рассмотрим наиболее проблемные вопросы, решаемые при проектировании управляемых опорно-поворотных устройств. К числу таких вопросов относятся:
- обеспечение требований по количеству осей и диапазону углов наведения опорно-поворотного устройства (ОПУ), требований по его прочности и устойчивости при воздействии механических вибраций и ударов наряду с выполнением требований по массе и условиям размещения на объекте;
- обеспечение высокой динамической точности наведения антенны при движении объекта-носителя в широком диапазоне углов при наличии требований, накладывающих ограничения по массе и условиям размещения УОПУ на объекте.
Проблематичность выполнения требований по количеству осей и диапазону углов наведения ОПУ, требований по его прочности и устойчивости при воздействии механических факторов (вибраций, ударов, линейных ускорений) наряду с выполнением требований по массе и условиям размещения на объекте заключается в том, что с точки зрения выполнения последнего требования УОПУ должно иметь минимальные массу и габаритные размеры. В то же время кинематика и реальные размеры УОПУ с учетом зон обметания зависят от размеров устанавливаемой на него антенны, требуемого количества осей наведения, последовательности поворотов по этим осям относительно объекта и диапазона углов наведения по каждой оси. Соответственно масса УОПУ зависит от его кинематической схемы, массы антенны, представляющей собой инерционную нагрузку для УОПУ, и требований по прочности и устойчивости при воздействии механических вибраций, ударов и линейных ускорений. Выполнение требований по устойчивости и прочности к перечисленным воздействующим факторам требует наличия в конструктивных элементах ОПУ достаточных запасов механической прочности, которые определяют размеры поперечного сечения конструктивных элементов ОПУ и в конечном итоге их массу. Кроме того, для уменьшения влияния механических воздействующих факторов на точность наведения УОПУ необходимо обеспечение положения центра масс его подвижной конструкции относительно каждой оси наведения непосредственно на этой оси. При размещении УОПУ с установленной на него антенной в ограниченном пространстве возможно за счет использования в конструкции уравновешивающих масс, что также ведет к увеличению массы УОПУ в целом.
Компромиссное решение по обеспечению выполнения требований по количеству осей и диапазону углов наведения УОПУ, требований по его прочности и устойчивости при воздействии механических вибраций, ударов, линейных ускорений наряду с выполнением требований по массе и условиям размещения на объекте достигается за счет тщательной проработки компоновки ОПУ и рационального выбора материалов, из которых изготавливаются его конструктивные элементы.
Проблематичность обеспечения высокой динамической точности наведения антенны в широком диапазоне углов при наличии требований, накладывающих ограничения по массе и условиям размещения на объекте заключается в том, что точность наведения антенны в пространстве при движении объекта-носителя зависит от точности выработки заданных углов наведения антенны в системе координат, связанной с ОПУ, точности отработки заданных углов приводами наведения, отклонений от перпендикулярности осей ОПУ и жесткости элементов его несущей конструкции, точности измерения углов поворота ОПУ датчиками угла, выходной сигнал которых используется в качестве сигнала главной обратной связи приводов наведения. Кроме того, УОПУ работают в широком диапазоне температур окружающей среды. Изменение температуры окружающей среды приводит к изменению параметров элементов системы управления, что, в свою очередь, может привести к снижению динамической точности УОПУ.
Точность выработки заданных углов наведения антенны в системе координат, связанной с ОПУ, зависит от точности определения установленной на объекте навигационной системой координат местоположения (долготы, широты и высоты), углов курса, крена и тангажа объекта. Для обеспечения высокой динамической точности наведения антенны необходимо, чтобы используемые для вычисления заданных углов наведения антенны навигационные данные обновлялись с достаточно высокой частотой (порядка 100 Гц и выше). При низкой частоте обновления навигационных данных необходима их экстраполяция [4].
Высокая динамическая точность приводов наведения может быть обеспечена за счет выбора соответствующего закона управления, использования быстродействующих исполнительных устройств и механических передач с высокой жесткостью и малым мертвым ходом. В то же время требования по минимизации массы и условиям размещения УОПУ на объекте ограничивают возможность увеличения жесткости механических передач редукторных приводов наведения, что в итоге не позволяет неограниченно повышать динамическую точность приводов наведения. Это ограничение динамической точности приводов наведения может быть устранено при использовании безредукторного привода, однако его использование является рациональным исключительно при абсолютной уравнове-
шенности конструкции ОПУ относительно осей наведения, причем даже при выполнении этого условия безредукторный привод по массе и удобст-ву размещения на ОПУ может уступать редукторному приводу.
Отклонения от перпендикулярности осей ОПУ обусловлены производственными допусками на размеры конструктивных элементов. В связи с этим допустимые отклонения от перпендикулярности осей ОПУ должны учитываться при назначении допусков на размеры конструктивных элементов, определяющие взаимное расположение осей наведения.
Погрешность измерения углов поворота ОПУ определяется собст-венной погрешностью используемых датчиков угла, а также погрешностью, вносимой механической передачей, соединяющей вал датчика угла с конструктивными элементами ОПУ, формирующими ось наведения. Вторая из этих погрешностей имеет наибольшее влияние в том случае, если конструктивно не представляется возможной установка датчика угла непо-средственно в оси наведения. В ОПУ с широким диапазоном углов наведения в осях наведения устанавливаются вращающиеся контактные соедини -тели, вращающиеся волноводные переходы, прокладываются жгуты электрических связей к элементам системы управления (исполнительным двигателям, датчикам угла), установленным на последующих осях наведения. В качестве примера такого ОПУ на рис. 2 приведено УОПУ антенны бортового комплекса спутниковой связи.
Рис. 2. Управляемое опорно-поворотное устройство антенны бортового комплекса спутниковой связи с имитатором антенны
Датчики угла на этом У ОПУ установлены в редукторах приводов наведения и измеряют текущие углы поворота ОПУ через приборные ветви этих редукторов. Погрешности передачи угла этими приборными ветвями редукторов являются составной частью погрешности измерения углов поворота ОПУ. Возможность уменьшения влияния этой погрешности заключается в ее алгоритмической компенсации путем введения поправок в измеренный датчиком угол поворота.
Для обеспечения высокой динамической точности УОПУ при изменении температуры окружающей среды в широком диапазоне целесообразно использование самонастройки параметров алгоритма управления [4].
Проблемы производства управляемых опорно-поворотных устройств
Наиболее проблемными вопросами при изготовлении управляемых опорно-поворотных устройств являются:
- соблюдение требований конструкторской документации по изготовлению конструктивных элементов ОПУ, а также по сборке сборочных единиц и ОПУ в целом;
- выбор методов контроля основных параметров УОПУ, позволяющих проводить их испытания с объективной оценкой качества изготовления.
Как уже было сказано ранее, динамическая точность УОПУ зависит от соблюдения перпендикулярности осей наведения, мертвых ходов механических передач от вала исполнительного двигателя привода наведения до его нагрузки и погрешностей приборных механических передач от оси наведения до датчика угла. В связи с этим на размеры конструктивных элементов ОПУ, определяющие перпендикулярность осей наведения, меж-центровые расстояния корпусов и параметры зубчатых колес редукторов назначаются жесткие допустимые отклонения. Изготовление перечисленных выше деталей с требуемой по конструкторской документации точностью и последующая сборка УОПУ в целом возможны только при использовании высокоточного станочного и контрольного оборудования, дополненных специальной технологической оснасткой, с выполнением операций по тщательно отработанному технологическому процессу.
Качество изготовления УОПУ принято оценивать по соответствию комплекту конструкторской документации, предусматривающей проведение контроля основных параметров: диапазона углов, максимальных скоростей и ускорений, динамической ошибки наведения по каждой из осей.
Для контроля диапазона углов наведения, максимальных скоростей и ускорений наведения достаточно закрепить УОПУ на подставке, установить на него инерционный имитатор антенны и, подавая от устройства контроля на базе ЭВМ заданные углы на УОПУ, контролировать тем же устройством его текущие углы поворота по сигналам от штатных датчиков
угла. В результате обработки полученного массива заданных и текущих углов поворота ОПУ определяются диапазон углов, максимальные скорости и ускорения наведения по каждой оси. Таким же методом могут быть проконтролированы динамические ошибки наведения ОПУ по каждой оси, однако ошибки наведения, измеряемые по электрическому сигналу рассогласования приводов наведения, не включают в себя погрешности механических передач от осей наведения до валов датчиков угла ОПУ.
Используемый в ОАО «ВНИИ «Сигнал» метод контроля истинной ошибки наведения УОПУ, включающей ошибку привода наведения и ошибку измерения угла поворота ОПУ штатным датчиком угла, заключается в выполнении контроля по сигналу технологического датчика угла, устанавливаемого непосредственно в оси наведения ОПУ. Установка технологических датчиков угла и контроль истинных ошибок наведения производятся на ОПУ, на котором установлены все элементы системы управления и конструктивные элементы за исключением вращающихся коаксиальных соединителей и волноводных переходов, устанавливаемых при окончательной сборке УОПУ в осях наведения. Одновременно с контролем истинной ошибки наведения проводится контроль ошибки измерения угла поворота ОПУ его штатным датчиком. Получение зависимости ошибки измерения угла поворота ОПУ от угла наведения позволяет выполнить ее алгоритмическую компенсацию путем введения в системе управления ОПУ поправок в сигнал штатного датчика угла.
Таким образом, создание и изготовление управляемых опорноповоротных устройств антенн радиосвязи, устанавливаемых на подвижные объекты, возможны при нахождении рациональных проектных решений по компоновке ОПУ, исполнению его конструктивных элементов и построению структуры системы управления с использованием современной элементной базы, а также при выполнении операций по изготовлению конструктивных элементов, сборке и испытаниям УОПУ по тщательно отработанному технологическому процессу с применением высокоточного станочного, контрольного оборудования и специальной технологической оснастки.
Список литературы
1. Новоселов Б.В., Баунин В.Г. Управляемые опорно-поворотные устройства антенн радиолокационных систем и комплексов радиосвязи // Радиопромышленность. 2008. Вып. 2. С. 22 - 28.
2. Ривкин С.С. Стабилизация измерительных устройств на качающемся основании. М.: Наука, 1978. 320 с.
3. Новоселов Б.В., Баунин В.Г. Управляемые опорно-поворотные устройства антенн комплексов радиосвязи, устанавливаемых на подвижные объекты// Актуал. проблемы защиты и безопасности: тр. Десятой Все-
рос. науч.- практ. конф. (3-6 апр. 2007 г.): прил. к журналу «Известия Рос. акад. ракетных и артиллерийских наук». Т. 4. СПб.: НПО специальных материалов, 2007. С. 298 - 304.
4. Баунин В.Г., Новоселов Б.В. Методы повышения точности наведения антенн бортовых комплексов радиосвязи// Ракетно-космичекое приборостроение и информационные технологии. 2009 - 2010 гг.: тр. Второй Всерос. науч.- техн. конф. «Актуал. проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий» (2-4 июня 2009 г.) / под ред. Ю.М.Урличича, А.А.Романова. М.: Радиотехника, 2010. С. 121 - 129.
V.G. Baunin, B.V.Novosyolov
DESIGN AND PRODUCTION PROBLEMS OF CONTROLLED ROTARY SUPPORTS OF THE RADIO COMMUNICATION ANTENNAS
The design and production problems of controlled rotary supports of antennas of radio communication systems installed on the movable objects are considered.
Key words: rotary support, control system, radio communication antenna.
Получено 03.10.11
УДК 621.313
H.H. Макаров, д-р техн. наук, проф., (4872) 33-25-08, nnm@tula.net,
С.А. Голополосов, асп., (4872) 36-74-66, golsergey@gmail.com (Россия, Тула, ТулГУ)
МЕХАТРОННЫЙ МОДУЛЬ НА БАЗЕ БЕСКОНТАКТНОГО ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Предложена структура мехатронного модуля на базе бесконтактного двигателя постоянного тока с интеллектуальным датчиком положения и скорости, реализованным на конструктивных элементах двигателя - датчиках Холла. Методом гарантированной точности выполнены упрощение математической модели и параметрический синтез регулятора. Разработана структура и алгоритм цифровой управляющей части.
Ключевые слова: гарантированная точность, бесконтактный вентильный двигатель, математическая модель, следящая система, синтез регулятора, электродвигатель, датчик Холла.
Обычно мехатронная система является объединением собственно электромеханических компонентов с новейшей силовой электроникой, которые управляются с помощью различных микроконтроллеров, ПК или других вычислительных устройств. Существует множество областей техники, в которых применяются электродвигатели и, в частности, БДПТ.
