Xây dựng mô hình, mô phỏng khối đồng bộ của khối tăng tốc và đồng bộ cơ cấu phóng khí cụ bay

Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 31, 06 - 2014 11 XÂY DựNG MÔ HìNH, MÔ PHỏNG Khối đồng bộ CủA KHốI TĂNG TốC Và ĐồNG Bộ CƠ CấU PHóNG KHí Cụ BAY Đỗ Tuấn Cương, Bùi Văn Tuân Tóm tắt: Bài báo phân tích tổng quan nguyên lý hoạt động của khối đồng bộ trong thành phần khối tăng tốc và đồng bộ cơ cấu phóng khí cụ bay, xây dựng mô hình mô phỏng bằng công cụ Matlab Simulink và Spice để khảo sát hoạt động phục vụ cho thiết kế khối tạo tín hiệu đồng bộ. Từ khóa: Khí cụ bay, Cơ cấu phóng, Khối tăng tốc và đồng bộ khối đồng bộ, Vòng khóa pha. 1. Mở đầu Cơ cấu phóng (CCP) của tổ hợp khí cụ bay (KCB) được dùng để chuẩn bị phóng và thực hiện phóng khí cụ bay. Cơ cấu phóng KCB là một thiết bị điện tử có thuật toán hoạt động phức tạp, được chế tạo dựa trên cơ sở vi mạch lai (hybrit) (xem hình 1a), khó để tìm hiểu về nguyên lý, nghiên cứu công nghệ chế tạo hỗ trợ cho sản xuất. a) b) Hình 1. a) Vi mạch lai trong CCP ; b) Khối TTĐB nguyên bản trong CCP. Trong chuyển giao công nghệ ta chỉ nhận các bộ bản vẽ thiết kế và tài liệu công nghệ mà thiếu các tài liệu giải thích ý nghĩa, thuyết minh nguyên lý và công nghệ. Hiện nay, việc sản xuất CCP cũng như tổ hợp KCB theo li-xăng gặp khó khăn một phần là do ta chưa nắm vững nguyên lý, thuật toán hoạt động của các sản phẩm là đối tượng sản xuất một cách cơ bản. Vì vậy, nghiên cứu tìm hiểu nguyên lý, thuật toán hoạt động của các thành phần chức năng của tổ hợp KCB phải là nền tảng có ý nghĩa xuyên suốt đối với việc làm chủ công nghệ và đảm bảo kỹ thuật cũng như nghiên cứu phát triển sau này. Hiểu rõ điều đó trong thời gian qua BQP được sự hỗ trợ của Nhà nước đã mở Đề án nghiên cứu khoa học để giúp ngành CNQP làm chủ công nghệ chế tạo tổ hợp KCB tầm thấp, phát triển năng lực nghiên cứu. Việc nghiên cứu nắm vững nguyên lý các thành phần tổ hợp KCB tầm thấp một mặt có ý nghĩa quan trọng đối với làm chủ công nghệ, mặt khác là nền tảng để ta nghiên cứu, tiến tới thiết kế, chế tạo sản phẩm quốc gia giai đoạn tới năm 2020 mà BQP đã đăng ký với Nhà nước, một vũ khí tầm thấp riêng của Việt Nam. Khối tăng tốc và đồng bộ (TTĐB) là một phần sản phẩm của Đề tài thuộc Đề án nghiên cứu làm chủ công nghệ chế tạo vũ khí phòng không tầm thấp về nghiên cứu thiết kế chế tạo khối điện tử CCP được mở với mục đích làm chủ công nghệ và tiến tới nghiên cứu thiết kế, chế tạo CCP Việt Nam. Khối TTĐB điều khiển tăng tốc rô to con quay đầu tự dẫn (ĐTD); tạo các xung đồng bộ về thời gian cho các hoạt động của các khối cơ cấu phóng (CCP). Khối TTĐB có hai khối chức năng chính là khối đồng bộ và khối tăng tốc con quay ĐTD. Đề tài đã nghiên cứu thiết kế, chế tạo thành công khối TTĐB dựa trên thuật toán đã nắm được với linh kiện điện tử mới tiên tiến (vi mạch FPGA và vòng khóa pha (VKP) tích hợp Tên lửa & Thiết bị bay Đ.T.Cương, B.V.Tuân, “Xây dựng mô hình, mô phỏng khí cụ bay.” 12 HEF4046) đạt các chỉ tiêu của nhà sản xuất (LB Nga) đề ra và kiểm tra được trên giá thử nhà máy. Trong khuôn khổ bài báo nhóm tác giả trình bày quá trình nghiên cứu, mô phỏng bằng công cụ Matlab, MultiSim để nghiên cứu nắm vững thuật toán, hỗ trợ thiết kế khối đồng bộ cũng như khối TTĐB. 2. Phân tích khối đồng bộ trong thiết kế nguyên bản Sau một qúa trình nghiên cứu bộ bản vẽ thiết kế và khối thực tế (hình 1b), khảo sát tại nơi sản xuất các tác giả đã phân tích sơ đồ và tổng hợp được sơ đồ khối chức năng của khối tăng tốc và đồng bộ như trình bày trên hình 2. Cảm biến quay S1 Cảm biến quay S2 Cảm biến quay S3 Cảm biến quay S4 KĐ xung Bộ ngưỡng 1 Bộ ngưỡng 2 Bộ ngưỡng 3 Bộ ngưỡng 4 Giải điều chế PWM 1 Giải điều chế PWM 2 Tạo T/H ĐK 1 Tạo T/H ĐK 2 KĐ phối hợp 1 KĐ phối hợp 2 Rụ to con quay ĐTD Cỏc cuộn quay KĐ cụng suất quay Khối quay ống phúng VCO+PLL ữf Bộ nghịch đảo Trigger Giữ chậm 1 Vi phõn Đo chu kỳ Tạo T/H ĐK 3 Tạo T/H ĐK 4 Chuyển mạch bỏn dẫn Đầu tự dẫn Bộ đếm 0.32s Giữ chậm 2 Tạo T/H ĐK 5 Mạch đồng bộ thời gian Bộ ngắt tăng tốc Tăng tốc 0⁰ Tăng tốc 180⁰ Tăng tốc 90⁰ Hết thời gian tăng tốc τ Hình 2. Sơ đồ khối chức năng khối tăng tốc và đồng bộ cơ cấu phóng khí cụ bay. Trong đó, khối đồng bộ là một bộ tổng hợp tần số dựa trên vòng khóa pha có sơ đồ khối như trên hình 3. Thành phần chính gồm có một VKP gồm mạch tách sóng pha FD(XOR), bộ lọc hiệu chỉnh (LF), bộ dao động điều khiển bằng điện áp VCO và một bộ chia tần (ữf) hệ số N. FD (XOR) LF VCOĐầu vào fref Đầu ra bộ tổng hợp tần số Đầu ra VCO ữ f .. f1 f2 fn a) 0 fVCO (kHz) Froto(Hz) V 94.5 155.6 (83) 204.8 (100) 307.2 (150) b) Hình 3. a) Sơ đồ khối bộ tổng hợp tần số; b) Phụ thuộc tần số vào điện áp của VCO. Tín hiệu ra của VKP được chia với hệ số chia N. Tín hiệu sau bộ chia được so pha với tín hiệu chuẩn. Điện áp sai lệch về pha sau lọc LF được sử dụng để điều chỉnh tần số ra của tín hiệu VCO sao cho tín hiệu này sau khi được chia N lần đảm bảo sai lệch pha với tín hiệu chuẩn là cố định. Như vậy, tần số tại đầu ra của của bộ tổng hợp tần số bằng bội N của tần số chuẩn, hay ta nói tín hiệu vào được nhân lên N lần. Bộ chia tần có các đầu ra trung gian để lấy ra các tần số khác nhau cho nhu cầu đồng bộ hoạt động của toàn bộ các mạch điện CCP. Tần số tín hiệu sau bộ chia tần luôn bám theo tín hiệu chuẩn về tần số. Điện áp chuẩn là tín hiệu từ cuộn cảm biến vị trí 270o (ГОН 270°) rô to con quay đầu tự dẫn (ĐTD) nằm trên ống phóng. Như vậy, tín hiệu ra của VKP đồng bộ chặt chẽ với chu kỳ quay của rô to ĐTD giúp cho xử lý tín hiệu, lọc đồng bộ, lập lệnh rất chính xác trong các mặt phẳng tọa độ và đồng bộ về thời gian do đó chất lượng điều khiển của CCP được nâng cao. VKP có hai tham số cơ bản là dải tần duy trì và dải tần bắt. Dải tần duy trì là dải tần số mà trong đó VKP duy trì bám sát tín hiệu đầu ra theo tín hiệu chuẩn đầu vào. Còn dải tần Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số bắt là dải tần mà trong đó tín hiệu ra VKP bắt chuẩn đầu vào. Dải tần duy trì bao giờ cũng rộng hơn dải tần bắt. VKP của khối TTĐB dải tần số duy trì 2Δduy_trì = (150 Hz ( xem hình 3b); Nhận xét: Trong thiết kế nguyên bản k dựa trên VKP thực hiện: tạo tín hiệu bám sát theo tín hiệu chuẩn với các hệ số cố định tạo điện CCP. VKP có cấu trúc rời, cấu tạo phức tạp, cồng kềnh nhiều linh kiện. 3. Xây dựng mô hình và mô phỏng 3.1. Cấu trúc vi mạch HEF4046 Nhìn vào cấu trúc HEF4046 tự cấp độ trung bình, có đủ các thành phần chức năng của một thiết kế khối đồng bộ. Theo sơ đồ cấu trúc ta chỉ cần một số linh kiện thụ động bên ngoài cùng với một bộ chia tần (:f) là có khả nă 3.2. Mô hình mô phỏng khối đồng bộ Để khảo sát khả năng bám sát (khóa) của mô hình đối với tần số tín hiệu đầu vào ta cấp tới đầu vào một tín hiệu điều chế F dao động được điều khiển bằng điện áp ( (LF) so với tín hiệu hình bao. Căn cứ vào dạng phổ đầu ra và đầu vào có thể kết luận về khả năng bám sát (khóa) của mô hình. Mô hình khảo sát xem trình bày trên hình 4. hình bao SineWave cấp ra tín hiệu hình sin 10Hz; bộ tâm 100Hz, độ nhạy 10Hz/V. Như vậy bộ so pha PFD. Bộ so pha PFD charge pump và bộ lọc hiệu chỉnh thậm chí cả về cơ sở linh kiện mô tả tại [1]. b) Hình 4. a) c) Bộ chuyển mạch điện tích và 31, 06 - 2014 và bắt đầu bám sát theo được theo tín hiệu - 45)Hz = 105Hz, dải bắt tần số Δbắt = (117- hối đồng bộ có cấu tạo là một bộ tổng hợp tín hiệu chuẩn (ГОН 270°), nhân tần số ra các xung đồng bộ cho hoạt động của các mạch được lắp từ linh kiện độ tích hợp thấp. Mạch Khối đồng bộ [1] ta thấy vi mạch này là một vi mạch tích hợp số VKP, đáp ứng được ng thực hiện các chức năng của khối đồng bộ ở cấp hệ thống bằng Matlab. M theo quy luật hình sin, theo dõi tín hiệu tại đầu ra VCO) và dạng tín hiệu ra của bộ lọc hiệu chỉnh Bộ tạo tín hiệu FM gồm: bộ tạo tín hiệu Continuous-time VCO có ,tín hiệu điều chế FM được cấp tới tới một đầu vào có cấu trúc như trên hình 6b, bộ chuyển mạch điện tích LF có sơ đồ mô phỏng như trên hình 6c [2]. Mô hình được xây dựng (hình 3a) sát với cấu trúc của HEF4046 được a) c) Mô hình vòng khóa pha; b) Bộ so pha; bộ lọc hiệu chỉnh (LF). 13 có 83) Hz = 34 tần số lọc (LF) có - tương yêu cầu . bộ tần số trung Đ.T.Cương, B.V.Tuân, 14 Kết quả mô phỏng được thể hiện trên a) c) Hình 5. a) Tín hiệu vào và ra của PLL c) Phổ tín hiệu vào; Nhận xét: Mô hình khối động bộ trên. Tín hiệu ra của bộ lọc LF sau quá trình quá độ là tín hiệu hình sin tần số 10Hz. Như vậy mô hình đã thực hiện giải điều chế tin hiệu FM, nhận được tín hiệu hình bao tại đầu ra LF. Quan sát phổ tín hiệu ta thấy dải bắt của mô hình là điều chế FM, phổ tín hiệu ra rộng hơn so với phổ tín hiệu pha tại từng thời điểm lớn hơn, nhưng mô hình vẫn chứng minh khả năng bám sát tốt quanh tần số trung tâm (100±20 3.3. Khảo sát khối đồng bộ dựa trên mô hình Spice bằng phần mềm Multisim Ta khảo sát hành vi của bộ hướng cho xác định các tham số linh kiện VKP a) Hình 6. a) Mô hình Spice của KĐB Cấu trúc của mô hình khảo sát trò bộ so pha, bộ lọc hiệu chỉnh HB1 Chức năng từng khâu đã được nêu tại các mục trên. Tín hiệu đầu vào cho một bộ tạo tín hiệu FM có tần số hình bao 10Hz biên độ 0.1V mức một chiều 0.5V, tần số trung tâm của bộ VCO để tạo tín hiệu FM là 100Hz, dải điện áp đầu vào biến đổi từ 0 đến 1V. Kết quả mô phỏng như sau (xem hình 7 ta có thể kết luận hành vi của mô hình với kết quả khảo sát ở mô hình toán. Các hình ảnh thu được gần như tương đương với các hình ảnh tại hình 5. Khối đồng bộ số trung tâm 100±20 Hz. Tên lửa & T “Xây dựng mô hình, mô phỏng hình 5. b) d) ; b) Tín hiệu ra của LF; d) Phổ tín hiệu ra. đã bám sát (khóa) tốt với tín hiệu FM có đặc điểm nêu (100±20) Hz trùng với dải tần số chuẩn vào do điện áp sai lệch về ) Hz. KĐB có cấu trúc nêu trên trên mô hình Spice để có thể định dựa trên HEF4046. b) ; b) Mô hình KĐB với bộ nhân tần có , xem hình 6a: Bộ nhân A1, khâu quán tính (LF), bộ lọc đầu ra HB2 (Output Filter), bộ VCO V3. VKP tần biến đổi từ 0 đến 200Hz khi a,b,c,d). Căn cứ vào kết quả mô phỏng thu được KĐB bằng công cụ Spice có kết quả khá đồng nhất bám sát được sự thay đổi tần số tín hiệu vào quanh tần hiết bị bay khí cụ bay.” VKP. A2 đóng vai được cấp từ Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Như đã phân tích tại mục 2 khối đồng bộ số theo sơ đồ một bộ nhân tần. Mô hình khí cụ bay được nêu trong hình 8b. Mô hình này cơ bản giống như mô hình đã khảo sát ở trên. Các thành phần chức năng được đóng gói vào khối chức năng bậc cao hơn HB1, HB2 (hierarchical blocks). Tín hiệu vào được cấp từ một máy phát xung V1 tần số 100Hz, 9V. Bộ VCO V2 có khả năng cấp ra xung tần số tới 512 kHz, 9V. Khép kín vòng phản hồi giữa đầu ra bộ lọc hiệu chỉnh HB1 và một đầu vào của mạch so pha XOR là một bộ chia tần HB2 có hệ số chia 2048. a) c) e) Hình 7. a) Quá trình quá độ của hiệu FM đầu vào; d) Phổ tín hiệu FM đầu ra; Kết quả mô phỏng cho thấy: Tần số tín hiệu ra của VCO đã được nhân ( số 100x2048=204.8 kHz (xem hi có các đầu ra với các hệ số lớn hơn ta sẽ thu được 6 tần số khác cần thiết để đồng bộ các mạch điện khác của CCP. Từ các mô hình mô phỏng trên Matlab Simulink và MultiSim cho thấy mô hình toán và mạch điện dạng mô hình Spice mô phỏng HEF4046 đáp ứng được của khối đồng bộ trong KTTĐB KTTĐB hoạt động đúng chức năng với linh kiện tích hợp hiện đại nghiên cứu mới, đóng góp cho nghiên cứu khoa học về CCP khí cụ b Trên hình 8 là hình ảnh KTTĐB thiết kế mới, (hình 8b) và thử nghiệm khối trên thiết bị 150-ПК PC (hình 8a). Khối TTĐB thiết kế mới đã được kiểm tra đánh giá chỉ tiêu trên thiết bị 150 theo điều kiện kỹ thuật 9П516.02.01. TTĐB đã hoạt động đúng chức năng: Tăng tốc con quay đầu tự dẫn tới tần số 100Hz, sau đó tạo tín hiệu ngắt tăng tốc, chuyển việc duy trì tần số quay cho khối ổn định tần số con quay (CCO) trên khí cụ bay. Khối đồng ГОН 270° và các tín hiệu đồng bộ cho tất cả các mạch chức năng của CCP. khối đồng bộ sử dụng HEF4046 sau khi hiệu chỉnh cho ra tham số như ở bảng 1 (trích từ phiếu kiểm tra). Khối thiết kế mới 31, 06 - 2014 còn thực hiện chức năng một bộ t khối đồng bộ làm việc thực tế trong KTTĐB b) d) f) PLL; b) Dạng tín hiệu đầu vào và đầu ra; e,f) Tín hiệu và tần số của bộ tổng hợp hình 7 ển thị của máy đo tần số, hình 7f). Nếu bộ chia 4. Kết luận các tính năng, tham số CCP khí cụ bay, dựa vào đó các tác giả đã . Đây cũng ay tầm thấp 000TУ áp dụng cho khối nguyên mẫu của Nga. bộ tạo được tín hiệu ra bám sát theo tín hiệu chuẩn đáp ứng được tất cả các tham số theo điều kiện kỹ thuật. 15 ổng hợp tần CCP c) Phổ tín . e) với hệ HB2 còn thiết kế mới là kết quả . -ПК PC Khối Bảng mạch Tên lửa & Thiết bị bay Đ.T.Cương, B.V.Tuân, “Xây dựng mô hình, mô phỏng khí cụ bay.” 16 a) b) Hình 8. a) Thử nghiệm khối tăng tốc và đồng bộ; b) Bảng mạch khối tăng tốc và đồng bộ sử dụng HEF4046 và FPGA thiết kế mới. Bảng 1. Bảng các chỉ tiêu kỹ thuật chính của khối tăng tốc và đồng bộ. Tham số Khối nguyên mẫu Khối thiết kế mới Dải duy trì (полоса удержания), Hz 150ữ45 148ữ46 Dải khóa (полоса захвата), Hz 117ữ83 115ữ81 Dải tần VCO khi Uin thay đổi từ 0ữ9V, Hz 307.2ữ115.65 307.2ữ115.65 Nguồn nuôi, V +9V +9V TàI LIệU THAM KHảO [1]. W. M. Austin, “CMOS phase locked loop applications using the CD 54/74HC/HCT4046A and CD 54/74HC/HCT7046A”, Application Report, Texas Instruments, SCHA003B - September 2002. [2]. Keliu Shu, Edgar Sanchez-Sinencio, “CMOS PLL synthesizer: Analysis and Design”, Springer, 2005. [3]. Марк Е. Хернитер, “Multisim 7, современная система компютерного моделирования и анализа схем электронных устройств”, Издательский Дом "ДМК-пресс", Москва, 2006. ABSTRACT Building model AND simulatING synchronization signal block IN acceleration and synchronization UNIT OF launching mechanism of flYING vehicle The paper analyses the principles of synchronization signal block in acceleration and synchronization unit of the launching mechanism of a flying vehicle. It also presents a method to build a model using Matlab Simulink and Spice in order to support the design of the synchronization signal block. Keywords: Flying vehicle, Synchronization signal block, PLL. Nhận bài ngày 08 tháng 04 năm 2014 Hoàn thiện ngày 06 tháng 05 năm 2014 Chấp nhận đăng ngày 25 tháng 05 năm 2014 Địa chỉ: Viện Tên lửa, Viện KH-CNQS, DĐ 0913389707.