Thiết kế cải tiến khối khuếch đại điện tử trong hệ thống ổn định tháp pháo của xe tăng lội nước PT76B

Kỹ thuật điều khiển & Điện tử T.X.Kiên, “Thiết kế cải tiến khối khuếch đại điện tử xe tăng lội nước PT76B.” 102 THIẾT KẾ CẢI TIẾN KHỐI KHUẾCH ĐẠI ĐIỆN TỬ TRONG HỆ THỐNG ỔN ĐỊNH THÁP PHÁO CỦA XE TĂNG LỘI NƯỚC PT76B Trần Xuân Kiên* Tóm tắt: Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu cải tiến khối K1 trên xe tăng lội nước PT76B. Khảo sát và dựng lại đặc tuyến vào/ra của bộ khuếch đại từ, từ đó nghiên cứu, thực hiện thay thế bộ khuếch đại dùng đèn điện tử thế hệ cũ của Nga bằng linh kiện hiện đại trên nền công nghệ số đảm bảo phối ghép được với các thành phần khác còn lại trong hệ thống, thực thi thuật toán điều khiển số để điều khiển tháp pháo ổn định. Từ khóa: Bộ khuếch đại từ, Số hóa khối K1, Hệ thống ổn định pháo tăng, Tăng lội nước. I. ĐẶT VẤN ĐỀ Trên xe tăng TP76B hiện có đã được trang bị hệ thống ổn định pháo xe tăng cả về tầm và hướng giúp nâng cao độ chính xác của hỏa lực xe tăng bắn trong hành tiến. Tình trạng kỹ thuật của xe tăng hiện nay còn khá tốt, hệ số sẵn sàng chiến đấu vẫn bảo đảm. Tuy nhiên, do thời gian lâu trong điều kiện khí hậu phức tạp nên dẫn đến các tham số hệ thống không còn ổn định, làm cho hiệu quả bắn mục tiêu cơ động và hiệu quả bắn các loại mục tiêu khi xe tăng hành tiến không cao. Mặt khác, do công nghệ chế tạo các thiết bị điện tử trong hệ thống là công nghệ cũ, nay đã trở nên lạc hậu. Linh kiện trong khối K1 của xe tăng TP76B dùng bóng đèn điện tử của Liên xô cũ trước đây, hiện nay không sản xuất nữa nên nguồn linh kiện trở nên rất khan hiếm. Vì vậy công tác bảo đảm kỹ thuật xe tăng gặp rất nhiều khó khăn do không có vật tư thay thế. Để tăng cường khả năng tác chiến và chủ động trong công tác bảo đảm kỹ thuật cần phải hiện đại hóa, làm chủ hệ thống ổn định pháo trên xe tăng. Trong đó, việc cải tiến khối khuếch đại đèn điện tử K1 là vấn đề nổi lên hàng đầu. Trong thời gian qua, đã có một số đề tài nghiên cứu hiện đại hóa khối khuếch đại điện tử (khối K1) trên xe tăng T54, T55. Nhưng do đặc thù môi trường hoạt động của xe tăng lội nước nên các linh kiện chế tạo khối điện tử cũng có khác với các hệ tăng hoạt động trên bờ. Điển hình là đã thay thế rơ le con rung bằng bộ khuếch đại từ, nhằm tăng độ tin cậy do hạn chế bị ô xi hóa,..v.v, nên hướng nghiên cứu số hóa khối K1 trên tăng lội nước có tính chất đặc thù. Ngoài thiết kế bộ điều khiển ổn định pháo tăng có chất lượng đảm bảo như hệ cũ, còn phải chú ý đến tuổi thọ, tính thích nghi của thiết bị. Trong bài báo phần 2 trình bày về thiết kế cải tiến, số hóa khối K1, phần 3 giới thiệu về bộ khuếch đại từ, trình bày kết quả thí nghiệm, dựng lại đặc tuyến của bộ khuếch đại từ. Phần 4 là kết luận. II. SỐ HÓA KHỐI K1 TRÊN NỀN CÔNG NGHỆ MỚI 2.1. Sơ đồ cấu trúc và nguyên lý hoạt động của khối K1 cải tiến Việc lựa chọn đối tượng cải tiến khối K1 có ý nghĩa quan trọng quyết định tính khả thi và hiệu quả của phương án cải tiến. Do trong khối K1 có những khâu có độ tin cậy còn bảo đảm tốt như modul khuếch đại từ, bó dây, đầu nối điện, các linh kiện rời hàn treo trong mạch rất dễ kiểm tra thay thế, nên không cần phải cải tiến. Ngược lại, những mô đun khuếch đại dùng đèn điện tử, các mạch biến đổi tín hiệu, các khâu điều chỉnh độ tin cậy lại Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 43, 06 - 2016 103 kém, tham số không ổn định. Những khâu này cần phải cải tiến triệt để, thay thế hoàn toàn các đèn điện tử bằng linh kiện mới. Sơ đồ cải tiến khối K1 nêu trên hình 1. Hình 1. Sơ đồ khối K1 cải tiến. Trong sơ đồ hình 1, khối khuếch đại điện tử cải tiến là phần nằm trong hình chữ nhật gạch đứt nét. Hệ thống ổn định sau khi cải tiến hoạt động như sau:  Hoạt động ổn định về tầm: Khi có tác động do ngoại lực làm lệch pháo về tầm so với vị trí đã định hoặc pháo thủ thực hiện thao tác điều khiển pháo về tầm, trên biến áp xoay của con quay góc tầm và con quay tốc độ tầm xuất hiện tín hiệu có biên độ phụ thuộc vào góc lệch và pha phụ thuộc vào chiều lệch. Hai tín hiệu này được đưa tới khối chuyển đổi và so pha tín hiệu để thực hiện chuyển đổi tín hiệu (có biên độ từ vài chục mV tới vài chục V) về dải tín hiệu phù hợp, đồng thời thực hiện so pha để xác định chiều lệch của pháo. Hai tín hiệu sau bộ lọc và khuếch đại được phân chia đưa tới: bộ nắn dòng dùng mạch khuếch đại thuật toán; bộ so pha tín hiệu. Các tín hiệu sau bộ nắn dòng được đưa tới các đầu vào ADC của chip vi xử lý dsPIC33f, tín hiệu sau bộ so pha đưa tới các đầu vào xác định pha của chip vi xử lý. Tùy thuộc vào độ lớn của tín hiệu (tỉ lệ với độ lệch về tầm của pháo) và chiều lệch pháo (được trả về bởi tín hiệu so pha về tầm), chip vi xử lý xác định độ lớn của điện áp sau ADC và chiều lệch thông qua so sánh pha, tạo ra điều chế độ rộng xung tương ứng đưa tới bộ khuếch đại xung công suất tương ứng để đưa vào 2 cuộn dây của van điều khiển bộ khuếch đại thủy lực, từ đó điều khiển cơ cấu xi-lanh thủy lực để điều khiển pháo di chuyển để ổn định về góc tầm.  Hoạt động ổn định về hướng: Hoạt động ổn định về hướng tương tự hoạt động ổn định về tầm. Trong đó, điều khiển thay vì tới van thủy lực của bộ khuếch đại thủy lực sẽ được đưa sang bộ biến đổi PWM/DC, đầu ra đưa tới cuộn dây điều khiển của bộ khuếch Kỹ thuật điều khiển & Điện tử T.X.Kiên, “Thiết kế cải tiến khối khuếch đại điện tử xe tăng lội nước PT76B.” 104 đại từ. Bộ khuếch đại từ khuếch đại đủ lớn tín hiệu để đưa vào cuộn điều khiển của khuếch đại máy điện (EMU). Dòng phát của EMU sẽ điều khiển tốc độ và chiều quay của động cơ chấp hành làm quay pháo về hướng. Để tăng tính ổn định khi pháo quay về hướng, tín hiệu phản hồi sự biến đổi dòng kích từ được đưa về bộ khuếch đại điện tử thông qua biến áp phản hồi. Tín hiệu này được bộ biến đổi biến thành tín hiệu phản hồi để tăng độ ổn đinh và sự quay của pháo. Yêu cầu đặt ra là khối khuếch đại điện tử phải được thiết kế chế tạo để tương thích hoàn toàn với khối cũ về mặt kết cấu, tín hiệu vào/ra cũng như đảm bảo thao các tác của kíp chiến đấu khi điều khiển không có gì thay đổi so với hệ thống cũ. Hình 2. Sơ đồ mạch ổn định kênh hướng. Một trong hướng cải tiến môdul ổn định hướng là cải tiến thay thế khối khuếch đại đèn điện tử (khuếch đại điện áp, khuếch đại công suất) bằng modul số hóa, giữ lại khuếch đại từ, khuếch đại máy điện. Hướng cải tiến này đảm bảo giữ được các vòng phản hồi: - Tín hiệu phản hồi mềm, được lấy từ vòng giảm chấn, tạo từ tụ điện K1-C1 và cuộn dây khuếch đại từ được nối với điện áp bộ khuếch đại máy điện. - Phản hồi cứng âm theo điện áp khuếch đại máy điện, được lấy qua các điện trở K1- R5 và K1-R6 tới cuộn dây điều khiển của khuếch đại từ. - Tín hiệu phản hồi âm mềm, được lấy qua K1-Tp3, cuộn dây sơ cấp nối song song với cuộn bù của khuếch đại máy điện, cuộn dây thứ cấp nối vào đầu vào của mạch biến đổi RMS/DC. Thuật toán điều khiển ổn định tháp pháo chỉ ra trên hình vẽ 3. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 43, 06 - 2016 105 Hình 3. Thuật toán điều khiển ổn định pháo tăng PT76B. III. BỘ KHUẾCH ĐẠI TỪ 3.1. Bộ khuếch đại từ dùng trên tăng PT76B Trong các bộ truyền động bám thì các bộ khuếch đại từ được thiết kế theo theo sơ đồ hai tầng thường được sử dụng rộng rãi. Các sơ đồ loại này gồm ba loại: các sơ đồ vi phân; các sơ đồ cầu và các sơ đồ biến áp. Trong đó, các sơ đồ biến áp do tổn hao tích cực lớn và phải sử dụng hai cuộn dây thay vì một cuộn cho nên ít được sử dụng. Sơ đồ vi phân có sự khác biệt là có một biến áp giúp phối hợp phù hợp điện áp của mạch nuôi với điện áp yêu cầu của tải. Tuy nhiên, biến áp làm tăng kích thước chung.Sơ đồ cầu không có biến áp trong mạch, nên với cùng công suất đầu ra thì mạch khuếch dại từ dạng sơ đồ cầu có kích thước nhỏ hơn so với khuếch đại từ dạng sơ đồ biến áp. Không phụ thuộc vào loại sơ đồ, điện cảm của các cuộn dây xoay chiều đều nhỏ, do vậy có thể coi dòng ở đầu ra bộ khuếch đại thay đổi tỉ lệ thuận với dòng ở các cuộn một chiều. Mối liên hệ giữa dòng trong cuộn dây một chiều và điện áp tín hiệu điều khiển được xác định bởi phương trình: y y y y y di L R i U dt   (1) Kỹ thuật điều khiển & Điện tử T.X.Kiên, “Thiết kế cải tiến khối khuếch đại điện tử xe tăng lội nước PT76B.” 106 trong đó yL , yR - điện cảm và điện trở của cuộn một chiều. Dòng iy tỉ lệ với dòng đầu ra, do đó điện áp ra là: .H i H yU iR k R i  (2) Thế (2) vào (1) ta được y dU U KU dt    trong đó y y L R   - hằng số thời gian của bộ khuếch đại từ; H i y R k K R  - hệ số khuếch đại theo điện áp. Hàm truyền của bộ khuếch đại từ sẽ là ( ) . 1y U K W p U p    (3) Hằng số thời gian  của bộ khuếch đại có thể biểu diễn được qua hệ số khuếch đại công suất: , 4 pK f   ; trong đó, f là tần số điện áp nguồn, Hz. Do vậy, khi cho trước hệ số khuếch đại công suất thì hằng số thời gian của bộ khuếch đại từ chỉ có thể giảm được nhờ tăng tần số của điện áp nguồn nuôi. Sơ đồ khuếch đại từ của tăng lội nước PT76B có trên hình vẽ 2. Cuộn điều khiển là hai cuộn một chiều Ia, IIa, cuộn xoay chiều là các cuộn Ic, Id, IIc, IId, cuộn phản hồi là các cuộn Ib, IIb. Điện áp cấp cho các cuộn xoay chiều lấy qua biến áp Tp4, điện áp 36V, 400Hz. Các cuộn ra thông qua đi ốt D31, D32 đưa tới hai cuộn điều khiển của khuếch đại máy điện. Bộ khuếch đại từ của tăng PT76B bao gồm 4 lõi theo hình xuyến, trên mỗi lõi đặt các cuộn dây xoay chiều. Trên cả 4 lõi đặt ba cuộn dây một chiều. Các cuộn dây xoay chiều được cấp nguồn từ biến thế K1-TP4, các cuộn dây một chiều được nối với mạch biến đổi PWM/DC của bộ điều khiển, mạch phản hồi mềm và đầu ra mạch điều khiển truyền động điện trong chế độ bán tự động. Tải của bộ khuếch đại từ là cuộn dây của bộ điều khiển bộ khếch đại máy điện ЭMY-OY1 và ЭMY-OY2. Trong bộ khuếch đại từ sử dụng thuộc tính cảm kháng, tức là thay đổi giá trị của trở kháng cuộn xoay chiều đầu ra dưới tác động của dòng chạy qua cuộn một chiều khi cả hai cuộn xoay chiều và một chiều quấn cùng một lõi. Khi đưa tín hiệu sai lệch vào, bộ điều khiển sẽ thực hiện thuật toán như trên hình 2, tạo tín hiệu PWM đưa tới hai bộ biến đổi PWM/DC. Đầu ra tạo ra sai lệch dòng điện trong hai cuộn vào của khuếch đại từ. Các cuộn dây đó tạo ra các từ thông khác nhau. Chính vì vậy, tương ứng cuộn dây xoay chiều của bộ khuếch đại từ sẽ có giá trị dòng lớn hơn dòng của cuộn còn lại. Bộ khuếch đại từ khuếch đại dòng của bộ nắn dòng D31 và D32 và đưa tới cuộn dây điều khiển của bộ khuếch đại máy điện. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 43, 06 - 2016 107 Phụ thuộc vào sự thay đổi độ lớn dòng điện chạy qua cuộn điều khiển của bộ khuếch đại từ sẽ thay đổi giá trị dòng trong cuộn dây điều khiển của bộ khuếch đại máy điện, tạo ra điện áp tỉ lệ trên bộ khuếch đại máy điện. Giá trị điện áp đó phụ thuộc vào sự sai khác dòng điện trong các cuộn dây điều khiển, có nghĩa là giá trị độ lớn tín hiệu, phụ thuộc vào cực tính được xác định bởi dòng chạy qua cuộn dây điều khiển hay chính là pha của tín hiệu vào. Khi thay đổi pha tín hiệu vào 1800 (thay đổi góc sai lệch) cực tính tại bộ khuếch đại máy điện thay đổi. 3.2. Thử nghiệm thực tế dựng lại đặc tuyến vào/ ra của bộ khuếch đại từ Thí nghiệm trình bày phương pháp dựng lại đặc tuyến của bộ khuếch đại từ (hình ảnh trên hình 4). Hình 4. Thử nghiệm bộ khuếch đại từ trong phòng thí nghiệm. 1-Máy phát điện áp với tần số 400Hz, 2- Nguồn 27V, 3-Mạch xử lý tín hiệu từ khối con quay, 4-Mạch vi xử lý nhận tín hiệu sau khối xử lý từ con quay và tạo tín hiệu điều khiển đưa tới các bộ khuếch đại, 5- Mạch PWM/DC, 6- Khối K1 cải tiến, 7- Biến tần cung cấp nguồn 36V 400Hz, 8,9,10,11- Đồng hồ kim đo dòng cuộn đầu vào khuếch đại từ - dòng đưa tới khuếch đại máy điện. Các nghiên cứu về hệ thống điều khiển trước đây đều chỉ tập trung vào khai thác và sử dụng bộ khuếch đại từ cũ do Nga sản xuất. Chưa có nghiên cứu chuyên sâu về bộ khuếch đại từ dùng trên tang lội nước PT76B. Vấn đề khảo sát đặc tuyến của bộ khuếch đại từ sẽ chọn được điểm làm việc, nâng cao đặc tính của bộ điều khiển đảm bảo tương thích giữa các mạch điện số hóa phía trước với bộ khuếch đại từ. Tín hiệu đầu vào trong thí nghiệm lấy từ máy phát điện áp để tạo tín hiệu sai lệch, thông qua bộ xử lý tín hiệu, tạo ra PWM đưa tới hai bộ biến đổi PWM/DC. Tạo ra dòng điện đưa vào cuộn điều khiển của bộ khuếch đại từ. Dòng điện được đo bằng các Ampe kế A1, A2. Điện áp xoay chiều 36V, 400 Hz được đưa vào cấp cho các cuộn xoay chiều của bộ khuếch đại từ, thông qua các đi ốt D31, D32 sẽ tạo ra dòng một chiều đưa tới các cuộn dây của khuếch đại máy điện. Dòng chạy qua các cuộn dây đo được thông qua các Ampe kế A3, A4. Thay đổi điện áp sai lệch sẽ tạo ra các dòng điện được ghi lại trong bảng 1. Từ kết quả đó, tính toán sẽ dựng lại được đặc tính của bộ khuếch đại từ như hình vẽ 5. 1 2 3 5 4 6 7 8 9 10 11 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử T.X.Kiên, “Thiết kế cải tiến khối khuếch đại điện tử xe tăng lội nước PT76B.” 108 Bảng 1. Kết quả đo thử nghiệm dòng vào/ra bộ khuếch đại từ. I1 I2 I3 I4 1.05mA 1.05mA 175 mA 50 mA 3mA 3mA 150mA 60mA 4 mA 4 mA 110 mA 65 mA 4.1mA 4.1 mA 68mA 72mA 4.7 mA 5 mA 20 mA 83 mA 5.8mA 6 mA 10mA 95mA 6.9mA 7mA 7,5mA 105mA Dòng điện I1, I2, I3, I4 được đo và ghi lại từ các Ampe kế A1, A2, A3, A4 chỉ ra trên hình 4. a) b) Hình 5. a)Dòng vào ra hai nhánh. b)Đặc tuyến bộ khuếch đại từ. Dựa trên kết quả thí nghiệm và tính toán nhận thấy giá trị dòng điện đưa vào hai cuộn dây điều khiển để có được sự cân bằng giữa hai nhánh ra của bộ khuếch đại từ là 4,1 mA. Vì vậy, chọn điểm làm việc của đặc tuyến tại I0 = 4,1 mA. Như vậy, tín hiệu đầu ra của khối điều khiển sẽ tạo ra các dòng điện đưa tới các cuộn một chiều của khuếch đại từ như sau: dòng I0+Iđk đưa vào nhánh 1; dòng I0-Iđk đưa vào nhánh 2. Như vậy, khi Iđk = 0 dòng trên các cuộn xoay chiều ra của bộ khuếch đại từ bằng nhau, sau nắn dòng tạo ra hai dòng Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 43, 06 - 2016 109 điện một chiều đưa tới hai cuộn dây của bộ khuếch đại máy điện cân bằng nhau, động cơ chấp hành đứng yên. Khi Iđk > 0 sẽ có chênh lệch dòng một chiều đưa tới khuếch đại máy điện, động cơ quay xuôi. Khi Iđk < 0 động cơ quay ngược. IV. KẾT LUẬN Kết quả thí nghiệm đã xác định được đặc tuyến vào/ra của bộ khuếch đại từ. Chọn được điểm làm việc cho bộ khuếch đại đảm bảo điều khiển được bệ pháo tăng PT76B và khả năng tương thích giữa khối số hóa cải tiến với bộ khuếch đại từ. Nhờ đó hoàn thành việc cải tiến khối K1 sử dụng linh kiện thế hệ mới, đảm bảo phối ghép với các khối cũ, đưa được các thuật toán điều khiển số điều khiển ổn định tháp pháo xe tăng PT76B. Tác giả xin cám ơn đề tài ”Nghiên cứu thiết kế giá kiểm tra và cải tiến khối K1 trong hệ thống ổn định pháo CTP-2P của xe tăng PT76B”. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Bộ tư lệnh Tăng thiết giáp, “Cấu tạo và sử dụng xe tăng PT76B”. [2]. Bộ tư lệnh Tăng thiết giáp, “Cấu tạo và sử dụng xe tăng T54A và T55B”. [3]. Báo cáo tổng kết đề tài “Cải tiến khối K1 trên xe tăng T54”, Viện Tự động hóa KTQS - Viện KH-CN Quân sự, 2015. [4]. “Руководство по материальной части и эксплуатации танков ПТ76 и ПТ76Б”, Bоенное издательство министерствва обороны СССP москва, 1967, 451, 452, 470. ABSTRACT AN IMPROVED DESIGN OF K1 BLOCK IN THE TURRET STABILIZATION SYSTEM ON AMPHIBIOUS TANKS This paper presents the research results on improvement of K1 block on amphibious tanks PT76B. Survey and input/output characteristic reconstruction of the magnetic amplifier are carried out, and then to replace this kind of amplifier with electronic tubes, a new amplifier with modern components based on the digital technology developed ensuring interfaces with other remained components in the system and allowing to introduce digital control algorithms for turret stabilization control. Keywords: Magnetic amplifier, Improvement of K1 block on amphibious tanks PT76B, Turret stabilization control. Nhận bài ngày 19 tháng 3 năm 2016 Hoàn thiện ngày 21 tháng 4 năm 2016 Chấp nhận đăng ngày 09 tháng 6 năm 2016 Địa chỉ: Viện Điện tử /Viện KH&CN quân sự. *E-mail: txkien2003@gmail.com