模拟电磁曲射炮

目录

1 实训任务

2 设计内容

3 设计原理

3.1 电磁曲射炮电路

3.1.1单管自激振荡电路的优点：

3.2 稳压电路

3.2.1稳压电路的优点：

3.2.2稳压电路缺点：

3.3 线圈电磁炮理论分析及参数计算

3.3.1 弹丸斜抛运动计算及 MATLAB 拟合

3.4  模拟电磁曲射炮系统硬件设计

4 电路测试与调试

4.1 电路中器件

4.2 调试分析

4.2.1 电容

4.3.2  8550三极管

4.3.3 电容器

4.3.4 电池

5 实验总结

 

 

1 实训任务

设计：自行设计并制作一模拟电磁曲射炮（以下简称电磁炮），炮管水平方位及垂 直仰角方向可调节，用电磁力将弹丸射出，击中目标环形靶（见图 3），发射周 期不得超过 30 秒。电磁炮由直流稳压电源供电，电磁炮系统内允许使用容性储 能元件。

2 设计内容

根据计划主要采用三线电压表、高储能电容、可控硅与电感线圈等组成电磁曲射炮。参考图1.2所示。其可以在充能后射出磁体炮弹，瞄准目标进行打击。以线圈炮设计为基础进行模拟，使用的炮管将采用线圈炮，水平方位及垂直，仰角方向可手动调节。将加速线圈固定在炮管中，当它通入交变电流时，产生的交变磁场就会在弹丸线圈中，产生感应电流产生洛伦磁力。感应电流的磁场与加速线圈电流的磁场相互作用，使弹丸线圈加速运动并发射击中目标。如图1.1所示。

图1.1电磁曲射炮设计图

      图1.2 电磁炮工作原理图

3 设计原理

3.1 电磁曲射炮电路

为了更好地实现模拟电磁曲射炮，本设计采用了单管自激振荡电路和稳压电路。

单管自激振荡电路图参见图2.1；

 稳压电路图参见图2.2。

3.1.1单管自激振荡电路的优点：

单管自激振荡升压电路：电源经电阻1、2分压电感线圈2加至三极管基极，使三极管进入放大区，R1,R2构成基极分压式偏制电路，集电极线圈产生的信号通过变压器反馈给基极线圈，产生自激振荡，从而使次级线圈得道数备的电压，而直流电路中含有许多交流电信号.交替震荡只是维持信号不消失而已.三极管可以把电信号进行放大从而来加深震荡频率。从而由直流电转换成交流电。

3.1.2单管自激振荡电路的缺点：

单管振荡器往往幅度比较小，比较适用于需求幅度不大的电路。

3.2 稳压电路

3.2.1稳压电路的优点：

稳压电路是在输入电网电压波动或负载发生改变时仍能保持输出电压基本不变的电源电路。当ΔU1=ΔU2，则U0基本不变。利用R上的电压变化补偿U1的波动。而且具备特点是简单易行，稳压性能好。一般适用于输出电压固定、输出电流变化范围较小的场合。

3.2.2稳压电路缺点：

当输入与输出电压相差较大时,调整管要承受较大电压,消耗较多电能,造成电路效率偏低。

3.3 线圈电磁炮理论分析及参数计算

如果线圈中只有持续的恒定电流通过，弹丸受洛伦兹力会在磁场中做往复运动，为了弹丸可以成功发射出去，需要选择合适电容量的电容，在弹丸减速前切断或减弱对线圈的供电。当弹丸接近运动到炮管的中点时，电容放电基本完成，根据惯性弹丸继续运动发射出去。则电磁炮设计成功。在电磁场中，弹丸受到电磁力：

F=（B/5000）2 ×S

其中B为磁通密度，S为与磁通密度正交的面积空心线圈电感量L=（2R×µ0×n2×S）/l

其中R为线圈半径，l为线圈长度，n为线圈圈数，S为线圈截面积。

3.3.1 弹丸斜抛运动计算及 MATLAB 拟合

对弹丸进行斜抛运动计算中，利用了物理计算和 MATLAB 拟合两种方法。首先采用不考虑空气阻力的斜抛物理公式进行计算，得到以f为自变量，d为因变量的斜抛运动公式。但通过输入目标 d 控制电磁炮发射，在实际中具有更广泛的应用。所以对已得到的公式进一步处理，通过 MATLAB绘出f-d图像，利用 ginput()函数对绘制出的图像采集大量坐标点后，polyfit()函数重新拟合，最后得到以d为自变量,f为因变量的斜抛运动公式。

设弹丸从距离地面高度为 h 处发射时，初速度为v0 ，与水平地面夹角为φ0。运动到最高点的时间为t，到达最高点前的水平射程为x，总水平射程为d。弹丸从地面直接发射出时的速度为v,角度为θ。运用物理公式得：

上升到最高点的时间：

 

到达最高点前的水平射程：

 

不同发射方式的速度关系：

 

整理得到以f为自变量,d为因变量的函数：

 

得到决定最大射程的影响因素不仅包括抛射角度f，对射程影响最大的参数还有距离地面的高度h和物体运动的初速度V0

绘出图像,如图4.3所示。

3.4  模拟电磁曲射炮系统硬件设计

硬件设计的思路为：弹丸从固定长度的弹道中发射，弹丸的垂直发射角度由炮台控制。利用6V电源对电路供能，电流流经电感线圈时候，其实质是一个微型变压器，有两个初级线圈，一个次级线圈，三个线圈各有一端连接到一起（3脚）作为公共端，接到地。两个初级线圈和三极管构成单管自激振荡电路，将6V直流电转换成200V以上的交流电，这一个过程也称之为逆变。逆变后的交流电经整流二极管成直流后给储能电容充电。

利用arduino开发板，对炮管设置一个可自动摆动180°角的舵机，对炮管进行左右摆动角度调整，代码如下：

#include<Servo.h>
Servo myservo;
int pos=0;
void setup()
{
    myservo.attach(9);
}
void loop()
{
    for(pos=0;pos<180;pos +=1)
    {
        myservo.write(pos);
        delay(15);
    }
    /*for(pos =180;pos>=1;pos-=1)
    {
        myservo.write(pos);
        delay(15);
    }*/
}

最后利用可控硅和稳压管，稳压管是将电容的充电电压限制在200V左右，而可控硅也叫晶闸管，作为电子开关，但触发端G加上正电压时,A,K相当于一个开关闭合，如图5.1所示，从而产生强大的磁场，将能够导磁的炮弹发射出去。这里采用15mm长的铁棒做为炮弹。可控硅如下图所示。

4 电路测试与调试​​​​​​​

4.1 电路中器件

由于电路是升压电路，对器件具备一定的要求，所以选用器件是要注意以下要求，参考图6.1所示。

电容：耐压稳压电容、具备高容量（电解电容正负不能接反）。

电阻：固定小电阻，至少需要1KΩ。

输入：直流电6V。

升压模块 ：6V升至200V左右。

二极管：稳压二极管。

三极管：与电感线圈构成升压电路。

可控硅：使得电容的电能通过漆包线瞬间放电，产生巨大的磁场。

 

表6.1  器件清单

名称	型号	数量	作用
电池	南孚5号	4	电源
电阻1	510Ω	1	调节电流电压
电阻2	2KΩ	1	调节电流电压
电容1	CAP ELCE/680uf	1	充放电
电容2	CAP ELCE/480uf	1	充放电
可控硅	BTA41600B	1	晶闸管
三极管	8550	1	构成升压电路
稳压二极管	HER305 DO-27	1	稳定限制电压200V
电感线圈	0810工字型	1	通低频，阻高频
三线电压表	DCO-300V	1	测直流电压
炮弹	15mm铁棒	10	充当发射物

4.2 调试分析

4.2.1 电容

由于选用250V 680uf电容，电容量不高，瞬间充放电产生的强大磁场还达不到预期。

选取的电容的容量要适可增大，建议需要1000uf容量的电容，才能保证炮弹能远程发射3米以上距离。

4.3.2  8550三极管

8550三极管被击穿：

检测电路和查询文献资料找到原因。升压电压过载，放电瞬间过快，导致8550三极管被击穿，应立即停止实验更换新的8550三极管，并且时刻注意电压变化，不能超过其额定值。

4.3.3 电容器

电容器接线端会灼伤人体：

调试、触摸电路前，必须用螺丝刀短接电容的两个管脚进行放电，否则会灼伤人。

4.3.4 电池

电池电压不足：

当电压表显示电压比实际测试电压要大时，需要及时更换电池，否则会造成电路的损坏。

图7.1 模拟电磁曲射炮电路设计总电路图

 

 

5 实验总结

本次设计的装置具有结构简单、易于操作、低成本等优点。但识别目标靶所用的特征较单一且射程较近，在处理炮弹所受阻力与速度关系时采用的模型较简单，因此打靶精度会受影响。

实训是培养学生综合运用所学知识发现提出分析和解决实际问题锻炼实践能力的重要环节。通过实训提升学生的自主学习与实践动手能力，百利而无一害。在实训过程中，学生要学会运用课本知识，使之与实践相结合。理论与实践相结合才是学生的正确道路。

对于理论，大多数时候都停留在书本的认识层面。以前在书本上学到的只是抽象的理论，从未付诸于实践，更不用说体验到自己设计然后进行操作的乐趣 。但是在这次是实训，我真真切切的感受到我以前所怀疑的书本上的知识是可以真真正正付诸实践的。理论在与实践结合的同时要发挥学生的创新能力，与大胆猜测以及对错误的认识与修正。我在本次实训过程遇到了各种问题，但每当我解决一个问题，我就获取了更多的知识，而这些知识是书上没有的。机械设计与自动化控制的发展一定要面向工业生产一线，面向市场需求，做到设计工作的精准性和务实性，做到自动化控制的可靠性和稳定性，不断满足工业生产企业的新的需求，为国家整个工业提供保障。

在实训的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，对器件的认识不够深刻。解决此番问题使得我更加自信可以学好自己的课程知识了。

从测试看来射出的距离与输入的距离相差不多，满足基本要求，测试过程中由于充电时间的长短所以会导致射出的距离有所偏差，有些无法控制的误差，另外开发板与舵机相连可以控制电磁炮的方向，从而实现击中目标。

最后，本次大学生电子设计项目不仅锻炼了我们大学生们解决实际问题的能力，而且，在电子信息类专业课程，特别是对实践课的建设和教学改革起到了积极的推动作用。这些问题都需要在以后的改进和调试过程中解决。

细心和耐心是相当重要的。在你如何的调试都得不到预想的结果时，焦急是没有用的，耐心地去检查每一细微的地方，这时坚持就是胜利，因为你最后检验出来出错的地方往往是你不够细心的地方。利用实训这个契机，锻炼自己各个方面的能力为将来就业投岗打下坚实基础。