火炮发射与控制学报杂志已发表格式范文参考
1.火炮随动系统能量回馈控制技术研究
作者：肖文山;马捷，张高生;梁炳炎;庞明喜
作者单位：西北机电工程研究所
关键词：火炮随动系统;超级电容;复合控制;母线电压;能量回馈
摘 要: 火炮随动系统通常具有较大转动惯量和频繁加减速的运动特性，这使得炮塔在制动和减速的过 程中会将大量机械能转化为电能，而母线吸收能力有限。为防止母线升压过高损坏系统，常见的采用泄放电 阻消耗泵升电压的方式会造成能量损耗和较大的发热问题。针对此问题，从能量角度出发对火炮随动系统运 动过程进行了分析和计算，给出系统所需的平均能耗和储能电容容量值，提出了一种基于超级电容能量回馈 火炮随动系统设计方法。通过等效原理，提出了一种前、反馈的复合双向控制策略，并进行了仿真研究。仿 真结果表明该方法可以有效维持母线电压的稳定，同时超级电容的加入避免了能量损耗和发热问题，为火炮 随动系统驱动技术提供了新的研究思路和方法。
0 引言
随着全电装备理念的提出，火炮随动系统节能 技术的研究在相关领域越来越受到重视［1 － 2］。炮 塔是火炮系统中重要的组成部分，也是驱动火炮瞄 准的位置伺服系统［3］。电机制动会将机械能反向 转化为电能，若不进行妥善处理，产生的泵升电压 会对系统造成损害。传统火炮随动系统采用泄放 电阻将这一部分制动能量消耗掉，导致散热问题的 同时制约驱动器小型化，并且能量得不到回收利用 而耗散掉［4］。
目前，炮塔这类电机驱动系统对于制动能量的 回收利用一般采取电阻消耗、逆变回馈和能量存储 这几种方式。其中，最普遍的方式是电阻消耗。
1) 对于电阻消耗型来说，电机制动过程普遍采 用电制动和摩擦制动联合的方式［5］，制动时摩擦会 带来污染，加大成本。泄放电阻需要吸收的功率为 兆瓦级，故多采用泄放电阻与斩波器多路并联的拓 扑结构，使得系统结构复杂，不利于小型化［6］。同 时电阻耗能给炮塔运行时的系统内部带来温升影 响，需配置设备把这部分热量排出，使得炮塔耗能 与成本增加。
2) 对于逆变回馈型来说，逆变回馈是通过逆变 装置和变压器所组合的装置来把无法被吸收的电 能送至供电网络，设计起来较为复杂［7］，较难控制。 邱欢设计的制动状态能量回馈装置的输出回馈电 流谐波大，滤波器功能欠缺［8］。黄玲美仿真设计的 双闭环控制的逆变回馈装置不满足火炮随动系统 的大功率工作情况［9］。高博选择了中压环网逆变 回馈方式进行能量回收［10］。上述逆变装置容量均 不足以实现对制动能量的充分回收利用，仍然需要 额外设置泄放电阻。
3) 对于能量储存型来说，其利用储能装置实现 制动能量的回收利用。电机制动时，储存多余能 量，启动或加速时，释放储存的能量。储能装置主 要分为飞轮储能、电池储能、超导储能和超级电容 储能。赵小婷等［11］提出的新型两级式飞轮储能装 置比传统单级飞轮储能结构的储能能力更强更可 靠。李建松等［12］提出的利用飞轮储能的机械动臂 能量回收及再利用系统能量的回收效率高达 65% 。 张策［13］研究了地铁用飞轮储能性制动能量回收装 置实现节能效果的同时能稳定牵引网电压。贺志 超［14］通过增加双向 DC /DC 及钛酸锂电池的储能电 路。苗建军［15］优化了全钒液流电池储能电站的目 标函数来提高系统效率。冬雷等［16］提出了一种创 新的超导储能脉冲电源的设计方案来克服传统电 感储能型脉冲电源在炮口消弧以及能量回收过程 中遇到的难题。飞轮储能存在机械应力和疲劳极 限、放电时间短、系统无法小型化等问题，电池储能 存在能量密度低、储电容量小、环境污染等问题，超 导储能存在能量密度低、维护困难、影响电网稳定 性等缺点［17］。超级电容器相比其他三种类型，显著 优势包括高功率密度、快速的充放电能力、低能量 损耗、优异的高低温表现、卓越的安全性以及长久 的使用寿命［18］。楼海星等［19］将超级电容应用于电 动车电池的能量回馈系统中，研究表明节能效果显 著增加。
本文通过对随动系统性能和效率分析，提出了 一种适用于火炮随动系统的节能技术，有效实现了 制动回馈能量的回收利用，维持了母线电压稳定， 采用超级电容实现能量回馈，通过能量回馈替代泄 放电阻耗能发热，为驱动器小型化和高功率密度设 计提供基础。
1 火炮随动系统能量特性分析
本文结合某型号高炮，对炮塔系统用电特性进 行分析，探讨炮塔系统超级电容节能技术。
1． 1 炮塔系统能量特性分析
某型号高炮基本参数如表 1 所示。
1． 1． 1 大角度调转能量特性
大角度调转分为加速和减速两个阶段，可以从 静态到最大调转速度时的电能需求和从最大转速 到静态时的电能回馈来进行能量分析。
炮塔调转时势能变化量占比很小，因此炮塔系 统机械能主要以动能为主。方位最大转速时炮塔 方位动能为Eβ，高低向最大转速时火炮俯仰动能为 Eε。炮塔转动时，伺服电机和传动系统也有一定量 的动能，经计算不超过炮塔动能的 30% ; 另外考虑 驱动器、伺服电机及传动系统能量损耗，供电系统电能与炮塔系统动能之间的转换效率方位向估算 为 70% 、高低向估算为 60% 。Jβ、Jε分别为方位、高 低转动惯量，ωβ、ωε分别为方位、高低最大调转角速 度。那么，火炮从静态到方位和高低同时达到最大 调转速度时，炮塔系统的电能需求Ereq为:
1． 1． 2 稳定控制能量特性
稳定控制时，炮塔系统频繁加减速。炮塔系统 动能与角速度直接相关，通过稳定理论计算分析， 稳定控制时方位向和高低向的最大调转角速度需 求一般不超过现有最大调转角速度指标。因此，从 能量转换角度看，稳定控制时机械能与电能之间最 大转换需求没有大角度调转时要求高。
1． 2 功率特性分析
1． 2． 1 大角度调转功率特性
大角度调转最大需求功率与控制策略有关，现 火炮随动系统最大功率计算时一般按炮塔系统在 最大速度条件下以最大加速度加速或减速时的功 率需求进行分析。炮塔方位在最大速度条件下以 最大加速度加减速时的动能功率为Pβ，火炮高低向 在最大速度条件下以最大加速度加减速时动能功 率为Pε。经计算，驱动电机和传动系统动能功率一 般不到炮塔动能功率的 30% ，供电系统电能与炮塔 系统机械能之间转换效率方位向估算为 70% 、高低 向估算为 60% 。其中ω · β、ω · ε分别为方位、高低最大 调转加速度。因此炮塔系统加速时最大用电功率 需求Preq为
1． 2． 2 稳定控制功率特性
行进间作战条件下，车体受路面激励随机性较 大，经过理论分析计算，高射角下稳定控制时，炮塔 方位向最大调转加速度需求甚至大于现火炮最大 调转加速度指标，因此行进间稳定控制对伺服电机 最大转矩及驱动器最大输出电流提出了更高的要 求。考虑到稳定控制最大加速度需求时角速度一 般不是最大的，因此电机峰值功率需求一般小于现 有峰值功率指标的 2 倍，稳定控制峰值功率需求的 定量分析还要结合车体姿态试验数据进行核算。
1． 3 平均能耗功率估算 1．
3． 1 大角度调转功耗
根据( 1) 、( 2) 将得到的大角度调转一次能量损 耗Ew，在考虑每 3． 6 s 进行一次大角度调转的情况， 即炮塔系统每小时大角度调转 1 000 次，算出其平 均功率需求 P' s 为
1． 3． 2 大正弦调转平均功耗
炮塔系统能量损耗主要有炮塔系统摩擦力矩 损耗、伺服电机能量转换损耗和驱动器电力转换 损耗。
由以上分析可以得出，炮塔系统工作时，对电 网的峰值功率需求大，尤其大角度调转时峰值功率 需求可接近 40 kW，同时减速时又会向电网进行大 功率电能回馈。但炮塔系统平均功率消耗很小，即 使在连续大角度调转情况下，炮塔系统平均功耗也 不大于 4 kW。
结合上述分析与随动系统的能量运作特性，通 过深入分析提出利用超级电容器进行供能的技术 来减少从电网抽取的供电功率需求并降低发电系 统所需的额定功率储备的方案。同时该方案在炮塔减速过程中对实现能量的回收与再利用也具有 一定可行性，有助于节约能源。
2 超级电容容量计算
考虑容量为 C，工作电压为 U 的电容器组，其 存储电能可以表示为
由式( 9) 易知，电容电压小幅度变化时其存储 电能变化量近似为电压变化量的 2 倍。 当电容组采用无控方式放电时，若要求大角度 调转供电时电容电压变化量不超过 5% ，则电容储 存电能变化不超过电容组容量的 10% ，估算的短时 供电电能需求为Ecr。此估算考虑的电容器组为无 控浅放电情况，短时大功率供电电压变化约束为 5% 时电容芯容量要求。若电容组采用级联、有控 等方式放电，则可以做到单体电容芯电压变化 15% 时仍能保证电容器组大功率充放电时输出电压的 稳定，从而可以更充分利用电容器组容量，降低对 电容芯容量的要求。
考虑到电容单体容量差异、并组电压不均衡、电 压冗余、可靠性冗余设计等因素，电容组设计容量考 虑为基本需求的 1． 5 倍，则电容组设计容量 Ecd为
3 超级电容能量回馈系统设计
3． 1 系统组成与原理
将供电系统、超级电容和驱动器受电端连接至 同一母线上，形成一种三段式电网结构的混合动力 供电模式，这种配置增强了电网的整体效能［20］。由 超级电容模块与充放电控制单元、逆变器和控制器 等构成的能量回馈系统，与供电系统并联在同一母 线上来完成火炮随动系统的能量回收利用，不仅可以 有效降低炮塔系统对电网供电最大/峰值功率的需求， 减小发电系统额定功率储备; 还可以为炮塔减速提供 能量回收，有效节省能源，同时避免驱动器泄放电阻发 热，为驱动器大功率和小型化的发展提供助力。
基于超级电容的火炮能量管理系统整体架构 如图 1 所示。该系统在传统火炮随动技术的框架 内集成了一个由充放电控制模块及储能单元构成 的超级电容系统。在炮塔进行减速或制动时，能够 回收并利用产生的再生能量，将其存储到超级电容 的直流侧。当炮塔需要启动或加速时，该系统通过 充放电控制单元放电，为火炮随动系统提供所需的 高功率电能，从而实现高效运行并达到节能效果。 根据实物调研以及理论推算，基本参数相同的某型 号高炮，安装超级电容后的供电系统容量有望比未 安装超级电容的传统火炮随动系统供电系统容量 减少一半。
图 1 所示，对负载供电时电流由超级电容模块 和供电系统流向驱动器受电端。在炮塔启动或加 速期间，动力来源于超级电容和电力系统的组合， 其中超级电容的供电能力取决于其充电状态和负 载需求。在炮塔减速制动时，系统的再生制动能量 不再被浪费，而是由超级电容系统储存起来，超级电容模组的串并联方式可以确保再生制动能量被 完全吸收，不会有多余的能量通过泄放电阻进行消 耗。配置有超级电容的火炮随动系统，其供电系统 的容量大幅减小。
图 1 中展示的 DC /DC 控制单元负责对超级电 容进行精确的充放电操作。该控制单元通过实时 监控电网在炮塔加速与减速过程中的电压变化，结 合超级电容当前的电量状态，调节能量的流向。这 种智能控制不仅确保能量的有效回馈，同时优化再 利用，支持系统的能效最大化。这样的设计允许火 炮随动系统在需求变化时迅速响应，提高整体作战 效率与环境可持续性。能量流动的控制原理如图 2 所示。当炮塔加速时，力矩电流和电机转速保持一 致，随着实际转速的升高，电机系统开始吸收电力， 导致母线电压下降。此时，超级电容模块感应到电 网电压的下降，并据此进行响应，输入信号通过滤 波整流处理过后调节功率开关的通断从而使得双 向 DC /DC 变换器控制能量传递方向为超级电容模 块到母线再到电机，减小了占空比释放能量，从而 起到一个功率补偿的作用来将母线电压拉回额定 值。在炮塔减速过程中，力矩电流与电机转速相 反，使得实际转速降低。此时，电机系统通过反馈 电力，导致母线电压增加。与此同时，超级电容模 块检测到电网电压的上升，并相应地作出反应，同 样地，输入信号经过滤波和整流后，通过调整功率 开关的断开与否，与加速期间相反，实现双向 DC / DC 转换器控制能量从电机向母线再到超级电容 模块的传递。通过增加占空比来吸收能量，从而 实现存储能量的功能，帮助母线电压恢复到规定 水平。
采用 DC /DC 控制单元能够实现对超级电容组 充放电过程的严格监控，有效避免了过流现象，显 著提升了超级电容组的安全性与使用寿命。此外， 这种控制单元的使用使得电容组的放电过程完全 可控，确保了储存能量的最大化利用。这种高效的 能量管理减少了对供电系统容量的依赖，进一步促 进了驱动系统的小型化和高效化，符合现代化能源 利用和环境保护的需求。
3． 2 超级电容控制算法优化
3． 2． 1 传统 PI 控制算法
从图 1 可以看出超级电容模块与供电系统在 母线上形成并联。超级电容模块作用类似于一个 双向的 DC /DC 转换器，采用两个双向开关管交替 导通。通过施加不同占空比的 SVPWM 波形来控制 上下管的开关状态，进而实现对超级电容工作状态 的精确控制。一个开关周期为 T，上管导通下管关
得到，其中 0 ＜ D ＜ 1。显然 D 越大，超级电容模块 吸收的能量更多，其控制原理如图 3 所示，其中 U 为直流母线侧电压，Ucmd是母线电压的期望值。
当在火炮减速制动期间，电机的机械能会以瞬 时功率的形式迅速转换至直流母线，从而导致供电 系统的电压上升。此时，通过 PI 调节模块的占空 比，可以有效吸收这一瞬时功率，确保供电系统的 电压保持稳定。同时，超级电容器也会吸收这部分 能量，进一步导致电压的增加。这个过程不仅稳定 了电压，还促进了能量的有效利用。在制动减速过 程完成后，占空比自调节模块将调整占空比至设定 水平，从而逐步释放超级电容储存的能量。同时， 在火炮加速阶段，由于仅依靠供电系统会导致电压 下降，释放超级电容中的能量能有效进行功率补 偿，确保供电系统的电压稳定。此时占空比 D 受 PI 模块调低，超级电容电压下降。同样当加速进程结 束过后，占空比会逐渐回到预设值，让超级电容模块 的电压得以恢复。由此分析，假定占空比 D 的预设
很明显，超级电容的容量越大，其对较高瞬时 功率的响应能力也越强，因此应根据负载的具体需 求来计算并确定其容量值。
3． 2． 2 引入电流前、反馈的复合控制算法
本研究提出了一种结合电流前馈与反馈的复 合控制策略，基于预测与实时数据分析优化控制效 果。通过对负载侧 q 轴电流的监控分析，可以有效 估算出负载功率并对未来的母线电压变化进行预 测。利用此方法，算法通过接受反馈信息并应用 PI 控制技术，能够对控制信号进行调整，大幅度提升 系统反应的迅速性和准确性。同时，算法通过直接 监测电机负载侧的力矩电流，能迅速适应电源系统 电压的波动，进而提升控制效率和性能。原理如图 4 所示。
由图 4 可知，电压差值通过 PI 算法调节为合适 的输入信号，而前、反馈复合控制的加入将 q 轴的电 流转化为输入到超级电容模块控制算法中的信号。
对于火炮随动系统中的永磁同步电机来说，力 矩 T、功率 P、转速 n 三者间存在着如下关系:
从分析中可以看出，假设在短期内供电系统电 压稳定的条件下，转速和占空比的变化与力矩电流 呈正比关系。在加速阶段，力矩电流快速达到峰 值，随着转速升高，力矩电流逐步降至 0，而占空比 则先增后减。反之，在减速阶段，力矩电流先达到 最大，转速随后下降，占空比起初增至高点，随着力 矩电流与转速的减少，占空比也逐步减少至 0。这 一分析揭示了电机控制策略中占空比调节的动态 性，以及其与力矩电流和转速之间的直接关联性。
4 仿真
为了评估优化后算法的效果，本研究在 MATLAB 环境下进行了仿真实验，模拟了火炮随动能量 回馈系统在不同加速和减速条件下的工作状态。 通过比较模拟电机运行时的储能模块功率响应，分 析算法对电力响应的改进。此外，还将这些结果与 传统 PI 控制算法下的响应波形以及没有储能设备 的电压波形进行对比，以验证新算法在提升响应效 率方面的有效性。
4． 1 模型搭建
在 Simulink 中根据主电路图和控制流程搭建 永磁同步电机能量回馈控制系统，供电系统初始电 压设置为 311 V。控制系统硬件参数如表 2 所示。
超级电容模块和母线之间由根据信号控制电 能大小和传输方向的 DC /DC 电路相连。永磁同步 电机采用矢量控制，控制回路由 SVPWM、电流环和 转速环构成。超级电容模块控制算法通过电压电 流双闭环控制。转速外环根据输入的转速控制信 号调整输出力矩电流 iqCmd。显然改变力矩电流大 小可以调节电机加减速不同工作状态，由此实现电 机控制。转速外环控制参数如表 3 所示。
在这个高级电控系统中，电流环是关键的组成 部分，主要负责接收来自转速控制环的电流控制指 令。此后，系统会利用实际测量到的电流值和电机 的磁场位置信息，执行 Park 和 Clarke 变换，这两种 变换是电机控制中常用的技术，用以将电机的实时 物理参数转换为适合控制的数学模型。通过这一 变换后，数据输入到 PI 调节器，由此调节器对电流 进行精确控制，以确保电机运行的高效性和稳定 性。该系统的电流控制子系统详细参数列于表 4， 其中包含了各项关键技术指标和配置详情，从而为 电机控制提供了严格的参数基础。
SVPWM 生成模块接收调制信号后，计算出第 三相的电压调制信号，并将其与载波信号进行比 较，以产生输出。仿真时忽略死区影响，搭建 SVPWM 产生分系统，其中基准母线电压为 311V。超级 电容模块通过监测母线电压，进而调整占空比以控 制 DC /DC 电路中的功率流动。同时，结合 q 轴电 流的前馈与反馈控制，实现对母线电压的调节，并 为超级电容构建一个控制子系统。超级电容模块 的具体参数如表 5 所示。
4． 2 加减速过程仿真
炮塔在起动时需要较大的功率输入，在减速制 动的时候也需较大的动能转化为电能回馈给母线， 这里以 0． 003 kg·m2 ·s － 2 进行模拟。在 10 ms 这 一时间节点输入一个 1 000 r/min 的转速指令，实际 转速开始增加，而实际转速从 0 ～ 1 000 r/min 快速 提升需要大量功率输入。此时，母线电压会下降。 为了应对这一变化，超级电容模块即刻介入，通过 减少占空比来释放能量，从而恢复母线电压至其规 定水平。加速过程波形如图 5 所示。
在进行细致的算法优化之后，引入了一种结合 前馈和反馈控制的复合 PI 调节机制，显著提高了超 级电容模块的反应敏捷性和精准度。通过监控 q 轴电流，此方法能预测并确认即将对母线电压产生 的影响，并相应地进行前期补偿，有效减少了在加 速阶段母线电压的下降幅度。如无超级电容模块 介入，母线电压将无法得到恢复。相关电压变化情 况，如图 6 所示。
在 10 ms 这一时间节点输入一个 0 的转速指 令，实际转速开始降低，当转速指令从 1 000 r/min 到 0 时，转速的减少将机械能转化为电能，导致母 线电压上升。此时，超级电容模块迅速响应，通过 增加占空比来吸收多余的能量，有效地将母线电压 恢复至其额定水平。这一过程不仅优化了能量的 回收利用，还保证了系统的稳定运行。减速过程波 形如图 7 所示。通过引入电流前馈和反馈复合控 制的 PI 调节算法，优化后的算法大幅提高了超级电 容模块的响应速度与精确度，进而减少了母线电压 的上升幅度。在超级电容模块未发挥作用时，母线 电压不会恢复到规定水平。减速过程中的母线电 压变化情况如图 8 所示。
经分析，加减速过程中母线电压的变化符合初 始能量流动设定，即减速制动时，产生的再生制动 能量回馈到母线，超级电容模块经占空比调节进行 多余能量的吸收并储存，此时超级电容电压升高， 母线电压由变高逐渐趋于初始值并保持稳定; 启动 加速时，需要提供大功率能量的传输，此时超级电 容电压降低，之前储存的能量提供给电机，对供电 系统起到一个功率补偿的效果，母线电压由变低逐 渐趋于初始值并保持稳定。经仿真结果验证，此基 于能量回馈的火炮随动系统节能技术能达到预设效果，是切实可行的。
5 结束语
通过在火炮随动系统中整合超级电容的能量 回馈功能，显著降低了整个供电系统的需求和能源 消耗。详细的分析和仿真研究表明，采用能量回馈技术的火炮随动系统在供电容量上相较于传统系 统有显著的降低，从而提升了整体的节能效果。此 外，节能的实际效果会根据不同的高炮型号和应用 环境略有变化。
本文基于超级电容提出的火炮随动系统节能 技术旨在解决炮塔中功率需求以及能量耗散问题。 通过在电路中加入超级电容以及新的充放电路算 法来取代原本的泄放电阻，利于驱动器小型化。超 级电容模块在炮塔加速运转时充电，制动时放电， 使得运行效率提高，同时回收富余能量进行二次利 用。通过结合电流的前馈控制与反馈控制，该系统 能够更迅速且准确地预测负载的变化，并提前调整 母线电压的响应。这种方法不仅加快了系统的反 应时间，提高了准确度，还显著降低了母线电压的 波动性，其有效性已通过相关仿真得到证实。解决 了制动能量耗散和发热问题，同时证明此方案可以 使得驱动机体积变小并满足炮塔的实际运行情况， 提高系统功率。
火炮随动系统能量回馈控制技术研究旨在进 一步提升相关技术和响应全电装备发展理念，为火 炮领域中的炮塔随动驱动技术提供新的研究方向 和更广阔的发展前景。
