炮控系统中执行电动机的选择和匹配

在坦克炮控系统中，主要采用直流伺服电动机、交流伺服电动机和伺服阀控制的液压系统作为执行元件。在我国，液压系统主要用在大口径火炮的高低向控制，大口径火炮的水平向和小口径火炮的双向均采用直流或交流伺服电动机。

直流电动机的转速容易控制和调节，在额定转速下保持激励电流恒定，可用改变电枢电压的方法实现恒转矩调速；在额定转速以上，保持电枢电压恒定，可用改变励磁电流的方法实现恒功率调速。采用转速、电流双闭环的直流电动机调速系统，可获得优良的动态、静态调速性能。因此，长期以来在炮控系统变速传动领域中，直流电动机调速系统一直占主导地位，我军现役的装备都由直流电动机调速系统构成。但直流电动机本身结构上存在机械式换向器和电刷的致命弱点，使直流电动机调速系统的进一步开发和应用受到许多限制。近年来，随着交流伺服技术的发展，交流伺服电动机可以获得与直流伺服电动机相近的优良性能，并且交流伺服电动机无电刷磨损问题、工作效率高、坚固耐用和维修方便。20世纪90年代开始，我国逐步应用交流调速技术，并研制了交流全电炮控系统。交流全电炮控系统在使用和维护上比PWM 控制的直流炮控系统有许多优点，并克服了直流电动机存在机械换向器和液压系统易产生二次爆炸等缺点，已经成为炮控系统发展的重要方向之一。

对于炮控系统的设计，执行电动机选择至关重要。下面结合典型装备的水平向炮控系统，分为执行电动机转速确定、扭矩确定、功率确定3 个方面进行介绍。

1.执行电动机转速的确定

（1）最高转速的确定

首先设方向机的传动比i 为1 600。根据炮控系统的技术指标要求，水平向的最大调炮速度通常为30°/s～35°/s。为了在启动过程中与速度协调，系统还要有一定的速度冗余，因此，系统的最大速度应为35°/s～40°/s，所以执行电动机的最高转速n 为：

其中，i 为方向机传动比。即转速为n=9 333～10 666 r/min。

这个转速只是执行电动机最高转速的初步确定，还要考虑整个系统的运行环境等因素。炮控系统常处于火炮稳定工作状态，这时炮塔连同火炮将被稳定在状态空间某一点，炮塔相对于车体会产生相对运动。一般情况下，认为坦克车体在水平向的平均振动速度为15°/s，则执行电动机的最大速度要求为n=15°/s×i=4 000 r/min。

考虑车体运动的极限情况，车体最大转速为60°/s，则对执行电动机的最高转速要求为n=60°/s×i=16 000 r/min。

（2）最低转速的确定

在确定执行电动机最低转速时，首要考虑炮控系统的最低瞄准速度要求。由炮控系统的技术指标要求可知，炮控系统的最低瞄准速度为0.03°/s 左右，并且有低速均匀性要求。在整个瞄准范围与速度范围内，跳动量不大于0.5 mil。所以，执行电动机最低平稳瞄准速度为：

2.执行电动机扭矩的确定

（1）15°坡上坡调炮时

按照装备的技术指标要求，炮控系统需要在15°坡上完成调炮，并且整个调炮过程的平均速度不小于某个特定值，这里设这个特定值为15°/s。这时如果忽略掉一些微小扰动，电动机的负载转矩为炮塔摩擦力矩与炮塔偏心力矩的和。

设电动机的负载转矩为M1，则

式中，Mc 为炮塔摩擦力矩；Gt 为炮塔战斗全重；Dp 为炮塔重心偏心距离；i 为方向机传动比。

下面计算上坡时炮塔的平均转速。已知15°坡上炮塔的平均转速为20°/s，所用陀螺仪的最大敏感速度为28°/s～32°/s，取值为30°/s。设炮塔的上坡时间为t，取下坡速度为陀螺仪的最大敏感速度30°/s。则

式中，ts 为炮塔旋转一周的时间；th 为炮塔下坡过程中所用的时间。

进而，获得炮塔上坡时的平均速度为180°/12 s=15°/s。

又假设炮塔偏心距随炮塔按照正弦规律变化（工程实测情况基本相符），则上坡时炮塔的平均转速可用下式进行表示：

式中，α 为上坡过程中由炮塔偏心距消耗掉的最大瞬时速度；ω=。所以有

所以有

所以，此时炮塔的转速为30-23.55=6.45（°/s），炮塔转速最小，但电动机的输出转矩最大。电动机的转速为6.45°/s×60 s/min×1 600/360=1 720 r/min。

（2）车体转向时

系统要求火炮在水平向稳定，进而在车体转向时，要求火炮仍能保持空间方向不变。因此，执行电动机必须驱动炮塔与车体转向角速度保持一致，也必须保持执行电动机驱动炮塔的加速度与车体转向角加速度一致。设此时的电动机负载转矩为M2，则

式中，Mc 为炮塔摩擦力矩；i 为方向机传动比；Jd 为执行电动机转动惯量；Jfx 为方向机转动惯量；ε2 为车体最大转向角加速度。

（3）车体水平向正弦做振动时

以保持火炮在空间方向不变为基准，设此时的电动机负载转矩为M3，则

式中，ε3 为车体水平向做正弦振动时的最大角加速度。

（4）炮塔高速旋转突然制动时

炮控系统作为典型的随动系统，对系统的动态性能指标有明确要求。超调量作为系统的典型动态特征参数，通常要在几十密位之内。工程计算时，常近似认为电动机制动距离即为超调量，并近似认为炮塔做等减速运动，因而(www.xing528.com)

式中，ω 为炮塔停止运动前的最大转速；ε4 为炮塔的减速加速度；α 为炮塔转过的角度，即超调量的最大值。

通过式（4-43），可以获得炮塔的减速加速度，进而可以计算获得此时执行电动机应提供的最大力矩。设此时的电动机负载转矩为M4，则

（5）在一般的稳定状态时

在稳定状态下，电动机除了提供炮塔、方向机动态力矩及炮塔摩擦力矩之外，还要提供一些附加力矩，这些力矩都是由于车体振动中心、炮塔旋转中心和炮塔重心不重合而产生的。它们包括车体纵向振动引起的不平衡力矩，以及向心力和切向力所引起的附加力矩；横向振动引起的不平衡力矩，以及横向振动的向心力和切向力所引起的附加力矩；水平向振动引起的附加力矩等。但这些力矩在不断的工程实践中被发现对电动机驱动力矩的影响很小，可以近似忽略。所以执行电动机的等效力矩可以用下式表示：

进而可以求得稳定状态的平均力矩M5，对于稳定状态的最大力矩，通常用下式求得：

3.执行电动机功率的确定

（1）15°坡上坡调炮时

根据前面对15°坡上电动机最大力矩计算可知，电动机提供最大力矩时，电动机的转速为1 720 r/min，因而电动机的功率为

式中，n 为电动机转速；M 为电动机扭矩；P 为功率。

所以，在15°坡上坡调炮时，电动机所需的功率为

P=1 720·M1

式中，M1 为此时电动机的负载转矩。

（2）稳定和瞄准状态下时

要计算稳定和瞄准状态下的电动机功率，通常要考虑系统的战术运动情况和系统所需的动态反应情况，涉及车辆行驶路面情况等因素，计算复杂。工程上通常参照老型号装备推算得到。推算步骤如下：

① 根据老装备的电动机功率推算得到作用到炮塔上的功率。

② 根据新装备与老装备的对比，折算新装备炮塔所需功率。

③ 根据新装备的传递效率，折算电动机所需功率。

④ 根据新装备的水平振动角加速度情况、最大瞄准速度情况，分别调整电动机所需的稳态功率和瞄准功率数值。

⑤ 取稳态功率和瞄准功率的最大值的和作为选择新装备电动机功率要求。

4.执行电动机的选择

根据计算获得的转速、扭矩和功率的参数，对比待选电动机的主要参数进行电动机选择。通常要求计算所得所有参数满足要求，但当出现部分参数无法满足时，可酌情进行调整。选择过程通常结合物理实验与实测。

特别指出的是，炮控系统在搜寻目标时，经常要快速调转方向，即电动机将有一个反接制动状态。此时电动机电枢电流很大，可为5 倍额定电流，并产生很大的反接制动力矩。通常在选择电动机时，需要检验这一项目，即检验电动机的最大电枢电流和最大制动力矩。这两个参数值均不得超过待选电动机的峰值堵转电流Ifd 和峰值堵转力矩Tfd，否则，电动机将被损坏。为此，工程设计时常采取必要的限制电枢电流的技术措施。

检验方法是先求力矩电动机的电势系数。根据火炮快速搜索的最大角速度ωmax，得到电动机电枢产生的反电势 Keωmax，再加上快速反转所加的电枢电压 Umax（V），按下式检验：

式中，RΣ 为电枢回路电阻；Km 为电动机转矩系数，N·m/A，其数值与Ke 相等，但两者的量纲不同。

总之，只有稳态、短时过载和动态几方面的检验均满足条件时，所选电动机才可认为能够满足火炮的自动瞄准要求，其中任一项不能满足，都需要重选电动机。当然，也不能仅凭以上几种来决定，还需要看所选电动机能否适应炮控系统的工作环境条件，例如环境温度-40～+50 ℃，还有振动、冲击、防潮、防腐蚀、防辐射等多方面的要求。此外，直流电动机的电刷整流换向状况应在一定的等级范围内，即将它对无线电的干扰电平限制在容许的界限内。

5.典型电动机

炮塔电动机的常用种类有他激直流电动机和永磁式直流电动机两种。典型装备通常选择宽调速、小惯量无槽电动机。

（1）他激直流电动机

他激直流电动机的磁绕组由26 V 电源单独供电，电枢绕组由电动机扩大机供电。随着电动机扩大机供电电压极性和大小的改变，炮塔电动机的转向和转速也随之改变。

图4-26　炮塔电动机外形图

这种电动机由于电枢结构的不同，又分为有槽电动机和无槽电动机。前者是电枢绕组放置于有槽的电枢铁芯中，后者电枢铁芯的结构为光滑无槽的圆柱体，电枢绕组均匀分布于电枢铁芯表面，并用环氧树脂浇注固化成型与铁芯黏结在一起。这种无槽电动机具有转动惯量小、转矩大、反应快、转速平稳、低速运转均匀和换向性能好等特点。

（2）永磁式直流电动机

变定子铁芯为永久磁铁，电枢结构和电动机的工作原理与他激直流电动机的一样。