Xây dựng giải pháp đồng bộ phần tử mục tiêu giữa radar K8-60 và máy chỉ huy K59-03 cải tiến

Thông tin khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san TĐH, 04 - 2019 311 XÂY DỰNG GIẢI PHÁP ĐỒNG BỘ PHẦN TỬ MỤC TIÊU GIỮA RADAR K8-60 VÀ MÁY CHỈ HUY K59-03 CẢI TIẾN Nguyễn Quốc Trưởng*, Chu Đức Chình Tóm tắt: Trong trận địa pháo phòng không 57mm có khí tài, máy chỉ huy K59-03 nhận thông tin các phần tử β, ε, D của mục tiêu từ Radar K8-60 thông qua hệ thống thu tin sử dụng các xen-xin. Hệ thu tin này có nhược điểm kích thước cồng kềnh, độ chính xác, độ ổn định không cao và không phù hợp với hệ thống thiết bị của máy chỉ huy K59-03 cải tiến. Bài báo này trình bày giải pháp kỹ thuật đồng bộ phần tử mục tiêu từ Radar K8-60 thế hệ cũ với máy chỉ huy K59-03 cải tiến ứng dụng công nghệ điện tử hiện đại nhằm khắc phục các nhược điểm của hệ thống thu tin nguyên bản và đảm bảo tính tương thích với hệ thống máy tính số trên máy chỉ huy cải tiến. Từ khóa: Cảm biến xen-xin; Đồng bộ phần tử mục tiêu; Radar K8-60; Máy chỉ huy K59-03. 1. GIỚI THIỆU CHUNG Xen-xin là một dạng máy điện xoay chiều đặc biệt được phát triển từ những năm 20 của thế kỉ trước và được đưa vào ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau: - Ứng dụng trong việc đo và chỉ thị vị trí góc của hệ chuyển động quay; - Ứng dụng trong các hệ thống truyền tin từ xa; - Ứng dụng trong các hệ thống điều khiển tự động hoặc điều khiển từ xa; - Đồng bộ tốc độ giữa các hệ thống truyền động; - Đồng bộ thời gian giữa các hệ thống điều khiển. Có nhiều loại xen-xin khác nhau tùy thuộc vào cấu trúc, chức năng. Nếu phân chia theo cấu trúc thì ta có xen-xin 1 pha và xen-xin 3 pha. Nếu phân chia theo chức năng thì ta có xen-xin loại chỉ thị và xen-xin công suất. Hầu hết các xen-xin công suất có cấu trúc 3 pha và các xen-xin chỉ thị có cấu trúc 1 pha. Trong giới hạn bài báo, ta chỉ nghiên cứu đối tượng là các xen-xin 1 pha ứng dụng trong các hệ thống truyền tin. Hình 1 là xen-xin 1 pha CC-404 và được sử dụng trong các hệ thu tin của nhiều khí tài do Liên Xô sản suất. Hình 1. Hình ảnh thực tế và sơ đồ nguyên lý của xen-xin 1 pha CC-404. Xen-xin 1 pha CC-404 gồm 3 cuộn dây R1, R2, R3 quấn trên lõi rotor đặt lệch nhau 1200 và 1 cuộn dây S quấn trên stator. Rotor của xen-xin được nối với trục quay để từ đó liên động với các cơ cấu truyền động trong hệ thống. 312 chi trên các cu lý c dây rotor, t stator S. Biên đ quay rotor. hợp tr xin trong h ho ch ch thư các h xa trong khi ch thư các h các xen theo sơ đ của xen UKT trục rotor của xen ch xen thu c đi 1 góc thích U Tùy theo ch xin CC bằng phần tử radar, radar sẽ truyền phần tử mục ti ph tin xen tử mục ti pháo. Đ hệ xen Nguyên lý ho ều kích thích v ủa trục quay rotor. Ng D Trong th ạt động theo 2 chế độ: ế độ biến áp v ỉ thị. Chế độ biến áp ờng đ ờng đ Trong ch Trong h , các cu ỉ thị hoặc c -xin phát quay đi 1 góc Tuy nhiên, th Trong tr ần tử cự li (D) của mục ti ựa v ên Rotor mà ngư ệ thống điều khiển từ ệ thống truyền tin. ũng sẽ quay đi 1 góc KT - - -xin, ngư ào đ ư ư -xi ồ h -xin phát và β. Do cu nên v 404 c xin. Các tr êu vào kh ể tăng độ phân giải điều khiển v ộn dây rotor. Bi ừ thông tổng hợp xoay chiều sẽ sinh ra đi ực tế, các xen ệ thống đồng bộ ợc sử dụng trong ợc sử dụng trong ế độ chỉ thị, n đư ình ệ thống truyền tin sử dụng xen ộn dây rotor đ ất l ận địa pháo ph ộ v ặt tính tham chiếu 1 ế độ hiển thị ơ c ề lí thuyết, ư ấp 1 (mới xu 2. ời ta sử dụng cụm xen N.Q.Trư ạt động của xen ào cu à ch ợc kết nối 2. - ấu truyền động đầu t ộn stator tr ực tế do độ chính xác trong chế tạo, do lực ma sát ợng, tuổi đời của xen HỆ THỐNG TRUYỀN TIN GIỮA RADAR K8 VÀ MÁY CH ắc thủ tr à pha c thu đư xin phát, trong khi tr ối máy tính đ ộn stator S, từ thông x ời ta ứng dụng các xen ế độ ở ên đ ư ủa điện áp n - ư β = α. ất x òng không 57mm (PPK 57mm) có khí tài, khi tác chi ên máy ch ng, C. ợc lại, khi đặt một nguồn xoay chiều 3 pha v ợc nối c ợc nối t α, t α. L ên xen êu sang máy ch Đ ộ v ừ thông tổng hợp xoay chiều tr ực từ tác động sẽ khiến trục rotor xen ưởng), sai số n Ỉ HUY K59 .Ch -xin 1 pha như sau: à pha c -1 gi Hình - ường đạn để tính toán phần tử bắn v ình ùng v ương xin thu và p - ỉ huy thực hiện thao tác so kim để truyền phần - , “ ày c ữa vị trí trục quay v 2. ục rotor của xen hu. Do đ xin mà sai s à đ xin thu/phát 2 c Xây ủa các điện áp n ũng phụ thuộc v H -xin ới một với nguồn xoay chiều kích thích ứng. Truyền động đầu phát đ ộ chính xác của các tham số truyền qua d oay chi -xin 1 pha v ệ thống truyền tin sử dụng xen ày có th -03 NGUYÊN B ỉ huy K59 ựng g ch ở chế độ chỉ thị, các cuộn dây stator ặc tính của xen hát đư i ế độ chỉ thị ố n êu g ải pháp đ ều sẽ sinh ra điện áp cảm ứng ện áp cảm ứng tr ợc cấp bởi c ày có th ể ≤ 0,25 ồm các phần tử - ấp gồm 1 xen K Khi đ ày ph ào các h - 03 s ỹ thuật điều khiển ồng ào v à vector t xin thu đư ử dụng hệ thống truyền ặt một điện áp xoay ụ thuộc v . ên rotor c ể khác nhau. Với xen o. ẢN bộ ị trí vật lý của trục ệ thống đồng bộ. -xin, khi tr ùng 1 ngu K59 ợc nối tới kim , -60 - ên cu ừ thông tổng -xin thu quay ... nên góc ( xin sơ lư -03 c ào v ào 3 cu ược nối tới ủa phát v à truy & Đi ải tiến. ị trí vật ộn dây -xin ục rotor ồn kích β ≠ α. β, ε) v ện tử ền ra ợc v ” ộn à - ến à à Thông tin khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san TĐH, 04 - 2019 313 1 xen-xin chính xác ghép liên động với nhau thông qua cơ cấu bánh răng – hộp số với tỉ số truyền 1:20, Trong đó: - Cụm xen-xin truyền phần tử góc: Xen-xin sơ lược quay 1 vòng được 6.000 li giác, ứng với 20 vòng xen-xin chính xác. Mỗi vòng xen-xin chính xác ứng với 300 li giác. - Cụm xen-xin truyền phần tử cự li: Xen-xin sơ lược quay 1 vòng được 40.000 mét, ứng với 20 vòng xen-xin chính xác. Mỗi vòng xen-xin chính xác ứng với 2.000 mét. Hình 3 là ảnh thực tế của cụm thu tin và so kim phần tử cự li trên máy chỉ huy K59-03 nguyên bản. Do máy tính đường đạn của máy chỉ huy là hệ máy tính cơ điện nên để truyền được các phần tử tới khối máy tính, các trắc thủ phải thực hiện thao tác so kim sao cho kim cơ khí (vạch trắng trên vành ngoài) trùng với kim điện (vạch trắng đĩa quay – trục rotor xen-xin thu tin). Lượng truyền vào máy tính đường đạn là lượng quay cơ khí của vành ngoài cụm thu tin. Hình 3. Cụm thu tin và so kim phần tử cự li. Hình 4. Sơ đồ hệ thống truyền phần tử radar – máy chỉ huy. Hệ truyền phần tử radar sang pháo sử dụng hệ thống truyền tin với 12 xen-xin: 6 xen-xin phát trên radar và 6 xen-xin thu trên máy chỉ huy được kết nối theo sơ đồ hình 4. Trong điều kiện kỹ thuật tốt nhất, hệ truyền tin xen-xin cho phép truyền phần tử mục tiêu từ radar tới máy chỉ huy với sai số phần tử góc không quá 0-02 li giác và sai số phần tử cự li không quá 10 mét. Tuy nhiên, trong điều kiện trang bị thực tế hiện nay, do chất lượng hệ thống suy giảm nên các chỉ tiêu này hầu như không thể đạt được. Ngoài ra, do việc truyền phần tử mục tiêu vào khối máy tính đường đạn Kỹ thuật điều khiển & Điện tử N.Q.Trưởng, C.Đ.Chình, “Xây dựng giải pháp đồng bộ K59-03 cải tiến.” 314 được thực hiện thông qua thao tác so kim nên sai số đồng bộ phụ thuộc rất nhiều vào trình độ thao tác của trắc thủ. 3. XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG BỘ PHẦN TỬ MỤC TIÊU GIỮA RADAR K8-60 VÀ MÁY CHỈ HUY K59-03 CẢI TIẾN Để truyền phần tử mục tiêu từ radar sang máy chỉ huy K59-03 cải tiến với hệ máy tính số, có thể áp dụng một số giải phổ biến sau: Giải pháp 1: Giữ nguyên các khối thu tin β, ε, D trên máy chỉ huy. Sử dụng các đầu đo góc tuyệt đối gắn đồng trục với rotor các xen-xin thu. Trên cơ sở thu thập số liệu vị trí góc của các trục quay xen-xin để tổng hợp nên các phần tử mục tiêu đưa vào máy tính. Giải pháp này có ưu điểm đơn giản về mặt phương pháp thực hiện, tính khả thi cao. Tuy nhiên, do giữ nguyên hệ thu tin xen-xin nguyên bản, bổ sung thêm 6 đầu đo góc nên kích thước hệ thu tin cồng kềnh, khó lắp đặt. Ngoài ra, do vẫn sử dụng hệ xen-xin thu tin nên độ chính xác và độ ổn định không được cải thiện. Thậm chí, việc gia tăng thêm tải cơ học cho rotor của các xen-xin thu còn làm tăng độ sai lệch đồng bộ phần tử. Giải pháp 2: Sử dụng các bộ chuyển đổi ADC để đo biên độ tín hiệu của từng pha của mỗi xen-xin phát từ radar truyền về. Do có thể số hóa trực tiếp tín hiệu xen-xin phát từ radar nên giải pháp này có thể loại bỏ hoàn toàn khối thu tin xen- xin, giảm kích thước hệ thống. Tuy nhiên, do quá trình xử lý dữ liệu từ các bộ chuyển đổi ADC gây trễ nên độ chính xác suy giảm. Do sự phát triển của công nghệ điện tử hiện đại, các hãng sản xuất linh kiện điện tử đã cho ra đời một loại đầu đo góc mới được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của ngành điện tử - tự động hóa, đặc biệt là trong lĩnh vực quân sự do nhiều ưu điểm vượt trội của loại cảm biến này. Đó là các đầu đo góc resolver. Về cơ bản, các resolver có nguyên lý hoạt động và đặc tính giống với các xen-xin 1 pha. Tuy nhiên, thay vì có 3 cuộn dây ở phần ứng (cảm), resolver chỉ có 2 cuộn dây đặt vuông góc với nhau (hình 5). Resover có ưu điểm nhỏ gọn hơn, với độ chính xác cao hơn các xen-xin 1 pha, chịu đựng điều kiện làm việc khắc nghiệt trong môi trường quân sự. Hình 5. Sơ đồ nguyên lý đầu đo góc resolver. Cùng với sự ra đời của đầu đo góc resolver là các vi mạch xử lý tín hiệu chuyên dụng dành riêng cho loại đầu đo này với các chức năng được chế tạo chuyên biệt để phù hợp với đặc tính của đầu đo. Cho phép xử lý, tính toán một cách chính xác vị trí góc trả về từ các resolver. Trên cơ sở đó, bài báo đặt ra mục tiêu ứng dụng các vi mạch chuyên dụng xử lý tín hiệu đầu đo góc dạng resolver để xử lý tín hiệu từ các xen-xin phát từ radar để tính toán phần tử mục tiêu. Do có sự khác biệt về mặt cấu trúc nên để có thể xử lý Thông tin khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san TĐH, 04 - 2019 315 tín hiệu xen-xin 1 pha ứng dụng các vi mạch đọc resolver, ta cần bổ sung thêm bộ chuyển pha tương đương từ 3 pha sang 2 pha trong hệ xử lý tín hiệu. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống truyền phần tử mục tiêu từ radar K8-60 sang máy chỉ huy K59-03 cải tiến sẽ có cấu trúc như hình 6. Hình 6. Hệ thống truyền phần tử radar – máy chỉ huy cải tiến. Nguyên lý hoạt động: Tín hiệu từ các xen-xin phát từ radar được đưa vào các bộ chuyển đổi pha 3/2 cho phép chuyển đổi tín hiệu 3 pha của xen-xin thành tín hiệu 2 pha sine/cosine tương ứng sao cho quan hệ giữa 2 pha tín hiệu này thể hiển duy nhất một vị trí góc của trục rotor xen-xin phát. Tín hiệu 2 pha này được đưa tới Khối giao tiếp và xử lý tín hiệu 2 pha sử dụng vi mạch chuyên dụng để số hóa tín hiệu góc các xen-xin phát và đưa tới Khối xử lý dữ liệu và tính toán phần tử mục tiêu ứng dụng công nghệ FPGA và CPU nhúng. Trên cơ sở số liệu về vị trí góc rotor của các xen-xin phát có được, kết hợp với cấu trúc vật lý của các cụm xen-xin truyền phần tử trên radar, khối xử lý dữ liệu và tính toán phần tử mục tiêu sẽ tổng hợp được các giá trị thực của phần tử mục tiêu để truyền tới Khối máy tính đường đạn thông qua đường truyền số liệu. Do hệ truyền tin của radar K8-60 có 6 xen-xin phát nên Bộ chuyển đổi pha 3/2 thực tế có 6 bộ chuyển pha thành phần tương ứng với 6 tín hiệu xen-xin nhận được. Tương tự, khối giao tiếp và xử lý tín hiệu 2 pha cũng có 6 khối xử lý thành phần. Bộ chuyển đổi pha 3/2 chuyển đổi tín hiệu xen-xin từ 3 pha thành tín hiệu dạng 2 pha sine/cosine ứng dụng mô hình chuyển đổi Scott-T trên cơ sở ứng dụng công nghệ điện tử bán dẫn sử dụng các bộ khuếch đại thuật toán và các điện trở có độ chính xác cao (hình 7). Hình 7. Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi pha 3/2. Kỹ thuật điều khiển & Điện tử N.Q.Trưởng, C.Đ.Chình, “Xây dựng giải pháp đồng bộ K59-03 cải tiến.” 316 Trong điều kiện lý tưởng, các tín hiệu đầu vào bộ chuyển đổi được biểu diễn như sau: 3 1 sin( )S REFV K V   (1) 2 3 sin( 120)S REFV K V    (2) 1 2 sin( 240)S REFV K V    (3) Trong đó VREF = V0sinωt là tín hiệu kích thích, θ là vị trí trục rotor và KS là hệ số chuyển đổi điện áp giữa rotor và stator của các xen-xin truyền phần tử trên radar. Mục tiêu của bộ chuyển đổi này là có thể thu được 2 tín hiệu ở đầu ra dạng sine/cosine: sinx o REFV K V  (4) cosy o REFV K V  (5) Khi đó Vx/Vy = tanθ chỉ phụ thuộc vào vị trí góc của trục quay rotor xen-xin mà không phụ thuộc vào tín hiệu kích thích VREF. Từ đó có thể tính được vị trí góc θ của rotor xen-xin phát thông qua 2 tín hiệu trên. Từ công thức (1) ta có thể dễ dàng nhận thấy, tín hiệu sin có thể lấy trực tiếp từ tín hiệu V3-2 thông qua bộ khuếch đại A2 với hệ số khuếch đại K2 = R1/R4: 2 3 1 2 sin sinx S S S REF o REFV K V K K V K V    (6) Trong đó: Ko = K2.KS. Từ công thức (2) và (3), ta có thể kết hợp để thu được một hàm tuyến tính của Vy, sau đó đưa qua bộ khuếch đại A3 với hệ số khuếch đại phù hợp, ta sẽ thu được Vy theo (5). Cụ thể, từ (2) và (3) ta xét biểu thức: 2 3 1 2 {sin[ 120] sin[ 120]}s REFV V K V        (7) Áp dụng công thức lượng giác: sin( ) sin( )*cos( ) sin( )*cos( )A B A B B A   Ta có : sin( 120) sin( 120) =sin( )cos(120) sin(120)cos sin cos( 120) sin( 120)cos( )             = 1 3 1 3 sin( ) cos( ) sin( ) cos( ) 2 2 2 3        = 3 cos( ) (8) Đưa tín hiệu trong biểu thức (7) qua bộ khuếch đại A3 với hệ số khuếch đại K3 thỏa mãn điều kiện: 33 3 3 o S o S K K K K K K    (9) Ta thu được tín hiệu cosine: 3 2 3 1 2( ) cosy o REFV K V V K V     (10) Như vậy, thông qua bộ chuyển đổi pha trên hình 7, ta đã thu được 2 tín hiệu sine và cosine (6) và (10) đáp ứng yêu cầu đặt ra. Các tín hiệu này được đưa tới khối Giao tiếp và xử lý tín hiệu 2 pha sử dụng vi mạch chuyên dụng AD2S82 của hãng Analog Device để chuyển đổi tín hiệu đo góc 2 pha sine/cosine thành dạng dữ liệu số. Vi mạch AD2S82 có sơ đồ khối chức năng như hình 8. Thông tin khoa h Tạp toán ph tham s quay c trị t công th phép chia. K59 quá trình ho cao. C li đồng bộ phần tử thay thế, phần tử mục ti kh thao tác so kim c chí Nghiên c D - - - - - - Các giá tr D ương Trong đó, “int” là hàm l Kết quả đạt đ - ≤ 10 mét, đáp ối máy tính đ ữ liệu số từ bộ giao tiếp v ần tử mục ti ố truyền sang từ Ph Ph Ph Ph Ph Ph ủa rotor xen ựa tr ức sau: 03 đ ụ thể, sai số đồng bộ phần tử ần tử góc ph ần tử góc ph ần tử góc t ần tử góc t ần tử góc cự li s ần tử góc cự li chính xác D ên c ứng, các giá trị thực của các phần tử mục ti ã ị n đư ạt động thử nghiệm, khối thiết bị hoạt động ổn định với độ chính xác ọc công nghệ ứu KH&CN quân sự, Số Đặc san ày đư ấu trúc của các cụm xen ợc đ Hình 8 - ược: ưa vào ứng chỉ ti ường đạn để tính toán phần tử ủa các trắc thủ. êu à sơ lư à chính xác ợc quy đổi về dải t xin truy MT MT D ứng dụng công nghệ FPGA cho phép tính toán chính xác radar. Các tham s ương v ương v     MT Gi . Sơ đ ợc ơ lư 1000(int( )) (int( ))%1000 1000(int( )) (int( ))%1000   ải pháp đồng bộ phần tử radar tr ứng dụng thực tế tr ị s ị chính xác ε ợc D ền tin. 2 (1000(int( ))) (int( ))%1000 3 1000 30 êu k ồ khối chức năng vi mạch AD2S82 à x ơ lư SL ε ấy phần nguy ỹ thuật đặt ra của hệ thống. H ử lý tín hiệu 2 pha đ ợc ; CX; SL 1000 20 1000 20   β ; CX SL CX  SL CX góc ố n SL β . ương -xin truy D D ≤ 0 ; CX SL CX - êu t TĐH ày bao g ; ứng với 60.000 đ ên và “%” là hàm l ên kh 02 li giác và sai s ừ radar có thể đ , 04 ền tin tr b - ối thiết bị trong hệ thống. Trong ắn m 2019 ồm à không c ược đ : ên radar và quy ư êu đư ên máy ch ưa t ơn v ợc tổ (0,1 li giác) (0,1 li giác) ố đồng bộ phần tử cự ơn n ư . ới Khối xử lý tính ợc truyền thẳng tới ần phải thông qua ị tr ng h (mét) ấy phần d ữa, với hệ thống ên m ợp theo các ỉ huy cải tiến ớc dải giá ỗi v ư c 317 các òng (11 (12 (13 ) ) ) ủa Kỹ thuật điều khiển & Điện tử N.Q.Trưởng, C.Đ.Chình, “Xây dựng giải pháp đồng bộ K59-03 cải tiến.” 318 4. KẾT LUẬN Xuất phát từ nhu cầu thực tế trong quá trình triển khai nhiệm vụ cải tiến máy chỉ huy K59-03, bài báo đã trình bày một giải pháp kỹ thuật tối ưu nhằm giải quyết bài toán đồng bộ phần tử giữa radar K8-60 và máy chỉ huy K59-03 cải tiến trên cơ sở ứng dụng công nghệ điện tử số và kỹ thuật xử lý thông tin hiện đại. Giải pháp đáp ứng hoàn toàn các yêu cầu đặt ra về mặt chỉ tiêu kỹ thuật và đã được đưa vào ứng dụng trong hệ thống thực tế. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Bộ tổng tham mưu, “Binh khí máy chỉ huy K6-60, K6-60H và K59-03”, 2004. [2]. Tổng cục kỹ thuật, “Thuyết minh kỹ thuật và hướng dẫn sử dụng Radar K8- 60”, 1977. [3]. Quang, N.P; Dittrich, J.-A, “Vector Control of three-phase AC machines”, Chapter 2, 2015. [4]. Harry L. Thietly, “Transducers in Mechanical and Electronic Design”, Marcel Dekker Inc., 1986. [5]. Jacob Fraden, “Handbook of Modern Sensors, 2nd Ed”, New York, 1996 [6]. Data Devcie Corporation, “Synchro and resolver conversion hanbook”, Data Devcie Corporation, 1999. ABSTRACT BULDING THE SOLUTION FOR AIR-TARGET ELEMENTS SYNCHRONIZATION FROM RADAR K8-60 TO THE MODERNIZED COMMANDER K59-03 In the automatic 57mm anti-aircraft gun system, the machine K59-03 received the information of air target elements β, ε, D from Radar K8-60 through the signal transmission system using selsyns. However, this system has the disadvantages of bulky size, low accuracy, low stability and not suitable for the equipment system of the modernized machine K59-03. This paper presents the technical solutions for synchronization the air target elements from the original radar K8-60 to the modernized machine K59-03 which use modern electronic technology to overcome the disadvantages of the origin signal transmission system and ensure the compatibility with modern systems on modernized commander. Keyworks: Selsyn sensors; Air-target elements synchronization; Radar K8-60; Commader K59-03. Nhận bài ngày 01 tháng 12 năm 2018 Hoàn thiện ngày 01 tháng 3 năm 2019 Chấp nhận đăng ngày 15 tháng 3 năm 2019 Địa chỉ: Viện Tự động hóa KTQS / Viện Khoa học và Công nghệ quân sự. *Email: quoctruong21019x@gmail.com.