基于AVR單片機控制兩級線圈電磁發射器的研究與設計

代廣珍，江 柳，王風隨，王冠凌

（安徽工程大學 電氣工程學院，安徽 蕪湖 241000）

1 引言

電磁發射技術的應用領域非常廣泛，不僅可以應用于軍事、航天，還可以應用于民用領域.根據電磁發射結構和原理劃分，主要有軌道式、線圈式和重接式三種[1-3].軌道發射技術因研究人員的重視發展相對較早，如電磁軌道炮、電磁列車等.電磁列車可以利用現有的火車軌道而無需重新鋪設軌道，將列車箱體當作發射體，成本比磁懸浮列車低，而速度高于傳統列車[4].電子控制和高儲能密度大功率脈沖源技術使得電磁線圈發射技術得到了迅速發展，其優點主要有效率高、力學結構合理、彈丸與管壁無機械接觸，且能突破化學能發射的有效載荷而把大質量的載荷高速發射，軍事和民用領域應用都將極為廣泛[2-5].關于電磁線圈發射技術的研究發展，美國在全球水平最高、技術最成熟、研究領域最廣、投資規模最大，比其它國家明顯領先.國內外報道的相關資料顯示，電磁線圈發射技術在美國的軍事領域被廣泛應用.美國對電磁線圈發射技術展開了多方向研究，在軍事領域的應用有飛機的電磁彈射系統和導彈電磁助推器等[2].近年來，工程技術人員和研究人員對于利用該技術進行電磁發射器的性能評測和優化設計做了大量的研究，在研究過程中一般都是采用仿真方法對線圈的實時電磁力、機械結構特性、制作方法，以及最優觸發時序等進行分析優化[6-9]，而對于電磁發射器的發射精度的控制研究較少.本文利用電磁發射原理及前面的優化結果，在線圈式電磁發射結構的基礎上，設計了一個兩級電磁線圈發射器，并對發射器的精度進行了測試.本文設計的發射器一級線圈可采用開關觸發或單片機控制的自動、定時觸發；二級線圈則是利用光電對管檢測彈丸通過情況并自動觸發，該方法可以級聯多級加速線圈，從而提高發射速度.

2 線圈式電磁發射技術原理

線圈式電磁發射器，又稱線圈炮（coilgun），通過功率脈沖或交變電流感生的磁行波驅動彈丸線圈或鐵磁材料彈丸，本質上就是一臺直線型電機[3]，其構造一般為驅動線圈和一個彈丸，結構見圖1所示.

圖1 線圈式發射器構造示意圖

驅動線圈是由儲能元件供電；而彈丸上一般可繞制線圈，稱為發射線圈，通過滑動電刷或等離子體的電弧放電來提供電流，也可采用鐵磁材料彈丸上感生的渦流.兩個線圈在相互之間的電磁力作用下可能出現吸引或排斥.當兩個線圈的電流方向相反時，由于驅動線圈固定，則彈丸就會受到電磁力的排斥作用而被發射出去，且發射過程中磁懸浮效應使得彈丸不與彈管內壁發生機械接觸，無摩擦阻力.因而，線圈式電磁發射技術力學結構合理，發射效率高，適合于發射大質量載荷.本文采用鐵磁材料彈丸，只需將驅動線圈連接上儲能元件，避免了彈丸供電需要的電刷換向裝置.流過電流的線圈周圍形成磁場，線圈的磁動勢與線圈匝數N和電流i正比.若線圈磁阻為Rm，磁通量為覬，Rm為常數而覬與Ni成正比，則有Fm=Ni=覬·Rm.求下列積分即可得到線圈中儲存的磁場能：

若設磁路長Lm，磁通穿過面積Am，則磁阻可表示為

式中μ為線圈內磁介質即空氣的磁導率，μ0為真空磁導率.由于彈丸是鐵磁材料制成，磁導率遠大于空氣，因此線圈發射器磁阻幾乎全都為線圈磁路和彈丸之間的空氣間隙G產生，且磁力線兩次穿過間隙G，因此可近似認為Lm≈2G.假設彈丸中心與驅動線圈中心重合，面積Am恰是彈丸的一半表面積.若彈丸直徑為dm、長為L，并令空氣磁導率μ=1，則上式可表示為

發射器炮管口徑也為dm，驅動線圈有效長度約為兩倍極距，忽略漏磁及空氣阻力，線性情況下，儲能wm沿中軸線上對運動距離z微分即可得到線圈對彈丸的推力.

運用牛頓第二運動定律和動量定理則可以計算出彈丸由線圈驅動而獲得的近似速度.設計中將發射器炮管水平放置在高度為h0的架子上，彈丸在射出炮口時作平拋運動；忽略空氣阻力等外界因素，則彈丸在垂直方向上只受到重力作用而作勻加速運動.令重力加速度為g，則可以推算出彈丸在離開炮口時的速度.設彈丸獲得的初始速度為v0，射出炮管t時刻后高度為h，水平運動距離為x，則有

將式(6)代入式(5)得

3 線圈式電磁發射器設計

設計中炮管采用的是直徑為20mm的PVC管，在外管壁上采用直徑為0.85mm的漆包銅線繞制了兩級線圈.經計算測試，第一級線圈繞8層，長30mm，最底下第一層33匝，第二層32匝，以上各層依次遞減，共236匝，第二級線圈纏繞5層，共124匝.采用電容組對兩級線圈放電，產生一個大電流脈沖，使線圈產生強大持續時間短的變化磁場.發射炮彈采用直徑20mm的鐵球.所設計的二級線圈式電磁發射器如圖2所示.

圖2 二級線圈式電磁發射器示意圖

為便于攜帶，采用電池或其它低壓直流電源供電，經逆變器轉化為高頻交流電，然后進行升壓整流對電容充電.電源電路原理圖如圖3所示，SG3525利用反饋電流調節脈寬生成PWM波，經過MC33883驅動MOS管全橋，產生高頻交流電.

圖3 電源電路原理圖

全橋輸出的高頻交流電經過升壓變壓器升壓得到較高的電壓值，并經過整流、濾波后對電容進行充電，如圖4.

圖4 升壓、整流和濾波電路

采用ATmega328P單片機的23引腳連接儲能電容，用來探測電容的電壓，并通過TM1638驅動數碼管L1和L2，實時顯示充電過程中電容的電壓大小.此外，為精確控制發射電壓，將引腳PD0-PD7及PB8連接選擇開關，用以選擇設定好的發射電壓.這樣通過事先設定和實時顯示電容電壓，可以大大提高電磁發射器精度.

為避免電容同時處于充電和放電狀態，設計中采用了繼電保護模塊器，見圖5.S2未按下時，繼電器為常閉狀態，當S1按下后，OUT1輸出高電壓給電容組充電；S2按下后，電流經過R1與C1和K1匯合于GND流出，繼電器K1線圈有電流流過，產生磁電效應，銜鐵在電磁力作用下被吸合向鐵芯，并由OUT2向可控硅輸出高電壓，使電容組放電.

圖5 繼電保護電路

圖6 一級線圈驅動電路

一級驅動線圈觸發控制電路的工作原理如圖6所示，運用可控硅寬范圍的電流和電壓控制能力來實現器件的開啟或關閉.當單級可控硅管的CSR_G端接收到高電平時，C1對線圈瞬間放電，形成一個大的脈沖電流，產生強磁場驅動彈丸.當電容放電結束時，可控硅截斷.續流二極管D2用來防止可控硅截斷時的反向電流，避免損壞電路.

二級驅動線圈觸發控制電路的工作原理如圖7所示.常態下，光電對管的發射管D1發出的光束直接照射接收管D2，使得D2的電阻減小.于是，LM358的引腳7輸出為高電平，使得三極管Q1截止，OUT輸出為低電平，使可控硅截斷.當彈丸通過時，遮擋住D1直接照射到D2的光束，D2電阻變高，導致LM358輸出為低電平，從而使得三極管Q1飽和，OUT輸出高電平到可控硅G端，導通可控硅使得電容組放電，形成的強脈沖電流流過線圈產生強磁場，繼續推動彈丸增加運動速度.二級線圈及后面的多級線圈采用光電對管檢測控制可以實現自動觸發，從而便于級聯更多級的驅動線圈來實現更高的發射速度.

圖7 二級線圈驅動電路

4 發射器精度實驗測試

為測試線圈式電磁發射器的發射精度，下面主要從發射器的射擊距離和打靶準確度兩方面來測量.經整流、濾波后給電容充電的交流電的頻率和電壓幅值，可以通過PMW脈寬調制器調節輸出再經MOS管全橋和變壓器升壓產生.因此，首先對SG3525控制電壓與輸出脈沖占空比進行了測試，以便選擇合適的輸入電壓，測試結果如圖8所示.從圖中可以看出，當輸入電壓超過3.2V之后，占空比基本上保持不變.

圖8 SG3525控制電壓與脈沖占空比關系

為了便于測量，對于射擊距離和打靶準確度的測試，選擇距離分別為2米和4米，目標靶距離3米，靶心高度為64cm.電壓值的大小決定了彈丸發射速度的不同，因而也就使得彈丸射擊的水平距離不同.一般電壓值越大，水平距離越遠.為了初略了解電壓與距離的關系，試選擇了不同電壓進行射擊，得出的結果見圖9.由圖可知，為了使射擊距離精確為2米和4米，后面的實驗測試分別選擇191V和257V電壓.

圖9 發射電壓與水平距離之間關系

實際發射過程中，有多種客觀情況對彈丸的發射距離產生影響，如風力大小、空氣濕度等.為了了解線圈式電磁發射器自身因素對發射距離精度的影響，下面分別將發射電壓設置為191V和257V，并都進行了10次實驗，實驗結果如圖10所示.

圖10 十次射擊距離結果

由于固定了目標靶位置及靶心，為測試打靶情況，首先通過實驗確定在不同的發射電壓下，彈丸擊中目標靶的位置，經過射擊實驗得到的發射電壓與彈丸擊中靶的高度如圖11所示.據此，選擇打靶的發射電壓為254V，打中靶的位置高度如圖12所示.從圖中可以看出，彈丸擊中靶的位置基本上都落在靶心位置，誤差在-5~5mm以內，可見所設計的電磁發射器具有較高的準確度.

圖12 二十次射擊目標靶高度結果

5 結論

本文運用AVR單片機進行精確控制，設計實現了一個兩級線圈式電磁發射器.為了攜帶方便，運用低壓直流電源供電，通過改變PMW脈寬調制器SG3525輸入調節輸出的頻率和電壓幅值，再經過MC33883驅動MOS管全橋產生高頻交流電，以及變壓器升壓、整流、濾波之后，對電容進行充電.還可以通過手動開關選擇設定發射電壓，且充電電壓通過AVR單片機采集并輸出經數碼管顯示.第一級線圈采用可控硅控制觸發，第二級線圈利用光電對管檢測彈丸的通過情況進行控制可控硅實現觸發.最后經過實際射擊測試，得到的數據顯示發射器具有較高的精度.

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