基于STM32的多級電磁加速器設計與實現(xiàn)

孫越勝

(電子工程學院， 安徽 合肥 230037)

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基于STM32的多級電磁加速器設計與實現(xiàn)

孫越勝

(電子工程學院， 安徽 合肥 230037)

本文以電磁感應原理為基礎，研究以鐵磁質(zhì)金屬小球為拋體的多級電磁加速器。實驗中采用大電容充放電，獲得較大的瞬時脈沖電流，磁化拋體，使其加速。研究了拋體初始相對位置、放電時序選擇與控制等對拋體出射速度的影響，并通過STM32單片機控制，實現(xiàn)了多級電磁接力加速。

多級電磁加速器；時序選擇與控制；STM32單片機

目前，用于軍事的發(fā)射能源大體可分為三類：機械能、化學能和電磁能。弓箭、弩、拋石機等的發(fā)射能源是機械能，利用某種機械裝置將勢能轉化為動能，使拋體獲得一定的初速度。由于受發(fā)射能源低儲能密度和機械裝置能量傳遞效率的限制，拋體只能獲得有限的發(fā)射速度。14世紀初，中國發(fā)明了火藥。通過火藥的爆炸，將化學能轉化為拋體的動能。相比機械能發(fā)射能源，化學能發(fā)射能源使拋體初速度至少提高2個數(shù)量級以上。能源的更替，意味著軍事技術發(fā)生質(zhì)的飛躍[1]。目前的電磁炮[2]主要有軌道炮和線圈炮。本文著重討論線圈炮。

1 單級線圈電磁加速器

單級線圈電磁加速器結構示意圖如圖1所示，主要由炮筒、單級勵磁線圈(長直螺線管，圖中上下陰影矩形表示)、大容量充電電容器、電容器充放電觸發(fā)控制開關、拋體等部分組成。

1.1 基本原理

設螺線管內(nèi)徑R、長度l、單位長度匝數(shù)n。螺線管磁場具有相對中心點左右對稱的特點，建立如圖1所示的坐標軸，坐標原點為螺線管左、右端口。當螺線管中通有電流i時，螺線管內(nèi)部磁場均勻，磁感應強度

B=μ0ni

(1)

螺線管兩端口附近磁場發(fā)散，端口外側附近點P(x,r)的磁感應強度[3]

(2)

(3)

其中，x是點P(x,r)到端口的軸向距離，r是P(x,r)點到軸線的徑向距離。

設鐵磁質(zhì)金屬小球球心相對端口初始位置為x，若x遠小于螺線管的長度l，則拋體處磁場強度可近似為[4]

(4)

穿過拋體截面的磁通量

(5)

根據(jù)磁通連續(xù)定理和電感的定義，螺線管的電感

(6)

系統(tǒng)總能量

(7)

根據(jù)虛功原理，拋體沿軸向的相互作用力

(8)

(6)、(7)、(8)式聯(lián)立，可得

(9)

負號表示拋體所受的力為吸引力。如果將拋體放在螺線管中心，存在

(10)

說明拋體在螺線管中心時，所受軸向力為0。

1.2 電路設計

電容器充放電電路圖如圖2所示。通過控制充放電觸發(fā)控制開關，使電容器充電，儲存能量；再控制電容器放電，有瞬時脈沖大電流通過勵磁線圈，產(chǎn)生瞬態(tài)強磁場，將鐵磁質(zhì)材料拋體小球磁化。拋體和線圈之間產(chǎn)生相互吸引的力，使小球獲得向前的速度。

單級電磁加速器電路中與線圈并聯(lián)的續(xù)流二極管的作用是，當電容放電到電壓為零時，由于電磁感應，線圈中的電流不會立刻消失，反向電流會給電容充電，續(xù)流二極管可全部分擔反向電流，保護電容器的安全。

2 拋體初始位置與時序選擇

受電容器儲能和勵磁線圈脈沖電流的限制，單級電磁加速器中拋體獲得的初速度有限。要獲得較大的初速度，必須使用多組電容器依次放電、多級勵磁線圈接力加速的方式。

由于拋體相對勵磁線圈的初始相對位置不同，勵磁線圈對拋體的吸引力和所做的功均不同，拋體的加速效果也不同。因此，研究拋體相對勵磁線圈位置與拋體獲得的初速度之間的關系，選擇恰當?shù)拇渭夒娙莘烹姇r機，對多級電磁加速器設計具有至關重要的意義。

表1是單級電磁加速器中拋體出口初速度與初始位置之間關系的實驗測量數(shù)據(jù)。

表1 單級電磁加速器拋體出口初速度與初始位置關系

說明：表中初始位置(例如-3cm)中的負號表示小球的初始位置在左坐標原點的右側(螺線管內(nèi)部)，距左坐標原點的距離是3cm。

實驗結論：

(1)勵磁線圈長度為8cm，拋體在中心點所受軸向力為0，靜止不動。與理論分析相同。

(2)存在拋體發(fā)射最佳的初始位置。在本實驗中，拋體放置在端口外側1cm處時，拋體初速度最大，發(fā)射效率最高。

(3)根據(jù)拋體的初速度和傳感器的響應時間，設計控制電路時序，確定次級勵磁線圈的電容器放電觸發(fā)控制傳感器位置，實現(xiàn)最佳接力加速。

3 基于STM32的控制電路設計

以二級電磁加速器設計展示多級電磁加速器設計原理及系統(tǒng)控制。

3.1 STM32單片機

單片機是本系統(tǒng)的核心，系統(tǒng)要求瞬時放電響應時間短、功耗低、抗干擾性能好等。本設計選擇STM32F103C8T6單片機，除滿足上述特點外，還具有資源配置豐富靈活、數(shù)據(jù)處理快、供電時引腳電平不跳變、運行穩(wěn)定、性價比高等優(yōu)點。

3.2 紅外傳感器

考慮響應時間短，便于時序設計和單片機控制實現(xiàn)等因素，實驗中選擇紅外探測器進行第二級勵磁線圈放電電容的外觸發(fā)開關控制。該探測器緊貼炮筒放置，能克服其探測精度偏低的缺點。紅外探測器小巧，便于在炮筒上安裝。

紅外探測器探測電路如圖3所示。

電磁繼電器驅(qū)動電路如圖4所示。

3.3 多級電磁加速器設計

多級電磁加速器結構示意圖如圖5所示。ai是紅外傳感器到第i+1級勵磁線圈左端口的軸向距離。若拋體經(jīng)過第i級線圈加速后的出口速度為vi，第i+1級線圈紅外傳感器響應時間和電磁繼電器驅(qū)動響應時間之和為τi+1，則

ai=l0+viτi+1

(11)

基于STM32的控制流程框圖如圖6所示。

本設計中電容量為2000μF、最高可充電電壓為300V；拋體為鐵磁質(zhì)小球，質(zhì)量為66.8g。將小球放在螺線管左端口外側1cm處。改變電容器充電電壓，得到單級線圈電磁加速器在不同充電電壓下小球初速度的實驗數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 單級電磁加速器拋體初初速度與充電電壓關系

實驗中兩級勵磁線圈的電容器充電電壓相等。改變電容器充電電壓，得到二級線圈電磁加速器在不同充電電壓下小球初速度的實驗數(shù)據(jù)，如表3所示。

表3 二級電磁加速器拋體出口初速度與充電電壓關系

4 結論

(1)利用電磁感應原理，設計并實現(xiàn)了以鐵磁質(zhì)小球為拋體的二級電磁加速器。

(2)研究了拋體初始位置與出口速度之間的關系，為多級電磁加速時序控制奠定了理論基礎。

(3)基于STM32單片機，實現(xiàn)了二級電磁加速器控制。以二級電磁加速器展示了多級電磁加速器設計與實現(xiàn)。

(4)多級電磁加速器時序控制科學合理，級間勵磁加速線圈轉換效率高。

(5)多級電磁加速器系統(tǒng)工作穩(wěn)定。

[1] 李立毅，李小鵬. 電磁發(fā)射的歷史及發(fā)展趨勢[J].微電機，2004，37(1):41-44.

[2]Alv Egeland. Brikeland’s Electromagnetic Gun: A Historical Review[J].IEEE Transactions on Magnetic，1898, 17(2):73-82.

[3]梁燦彬，秦光戎，梁竹建. 電磁學[M].北京：高等教育出版社，1985.

[4]潘彩娟，覃煥昌，黃紅強. 電磁炮基本原理的教學與實驗模擬[J].廣西民族學院學報：自然科學版，2002，8(4):74-76.

Design and Implementation of Multistage Electromagnetic Accelerator Based on STM32 MCU

SUN Yue-sheng

(Institute of Electronic Engineering, Hefei 230601，China)

The design is based on the principle of electromagnetic induction, and research in ferromagnetic metal ball for projectile multistage electromagnetic accelerator. Experiments by large capacitor charging and discharging can obtain larger instantaneous current , magnetic ball and enhance accelerating. It studies the shot speed of projectile and the relationship between the initial position to provide theoretical basis for timing selection and control discharge. Through STM32 MCU control, multistage electromagnetic accelerator is realized.

Multi stage electromagnetic accelerator； Timing selection and control; STM32 MCU

2015-05-01

孫越勝(1965-)，男，安徽省合肥市人，碩士，副教授，主要從事應用光學技術、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)研究。

TL5

A

1673-8772(2015)04-0042-05