模拟电磁曲射炮
目錄
1 實訓任務
2 設計內容
3 設計原理
3.1 電磁曲射炮電路
3.1.1單管自激振蕩電路的優點：
3.2 穩壓電路
3.2.1穩壓電路的優點：
3.2.2穩壓電路缺點：
3.3 線圈電磁炮理論分析及參數計算
3.3.1 彈丸斜拋運動計算及 MATLAB 擬合
3.4 ?模擬電磁曲射炮系統硬件設計
4 電路測試與調試
4.1 電路中器件
4.2?調試分析
4.2.1 電容
4.3.2 ?8550三極管
4.3.3 電容器
4.3.4 電池
5 實驗總結
?
?
1 實訓任務
設計：自行設計并制作一模擬電磁曲射炮（以下簡稱電磁炮），炮管水平方位及垂 直仰角方向可調節，用電磁力將彈丸射出，擊中目標環形靶（見圖 3），發射周 期不得超過 30 秒。電磁炮由直流穩壓電源供電，電磁炮系統內允許使用容性儲 能元件。
2 設計內容
根據計劃主要采用三線電壓表、高儲能電容、可控硅與電感線圈等組成電磁曲射炮。參考圖1.2所示。其可以在充能后射出磁體炮彈，瞄準目標進行打擊。以線圈炮設計為基礎進行模擬，使用的炮管將采用線圈炮，水平方位及垂直，仰角方向可手動調節。將加速線圈固定在炮管中，當它通入交變電流時，產生的交變磁場就會在彈丸線圈中，產生感應電流產生洛倫磁力。感應電流的磁場與加速線圈電流的磁場相互作用，使彈丸線圈加速運動并發射擊中目標。如圖1.1所示。
圖1.1電磁曲射炮設計圖
??????圖1.2 電磁炮工作原理圖
3 設計原理
3.1 電磁曲射炮電路
為了更好地實現模擬電磁曲射炮，本設計采用了單管自激振蕩電路和穩壓電路。
單管自激振蕩電路圖參見圖2.1；
?穩壓電路圖參見圖2.2。
3.1.1單管自激振蕩電路的優點：
單管自激振蕩升壓電路：電源經電阻1、2分壓電感線圈2加至三極管基極，使三極管進入放大區，R1,R2構成基極分壓式偏制電路，集電極線圈產生的信號通過變壓器反饋給基極線圈，產生自激振蕩，從而使次級線圈得道數備的電壓，而直流電路中含有許多交流電信號.交替震蕩只是維持信號不消失而已.三極管可以把電信號進行放大從而來加深震蕩頻率。從而由直流電轉換成交流電。
3.1.2單管自激振蕩電路的缺點：
單管振蕩器往往幅度比較小，比較適用于需求幅度不大的電路。
3.2 穩壓電路
3.2.1穩壓電路的優點：
穩壓電路是在輸入電網電壓波動或負載發生改變時仍能保持輸出電壓基本不變的電源電路。當ΔU1=ΔU2，則U0基本不變。利用R上的電壓變化補償U1的波動。而且具備特點是簡單易行，穩壓性能好。一般適用于輸出電壓固定、輸出電流變化范圍較小的場合。
3.2.2穩壓電路缺點：
當輸入與輸出電壓相差較大時,調整管要承受較大電壓,消耗較多電能,造成電路效率偏低。
3.3 線圈電磁炮理論分析及參數計算
如果線圈中只有持續的恒定電流通過，彈丸受洛倫茲力會在磁場中做往復運動，為了彈丸可以成功發射出去，需要選擇合適電容量的電容，在彈丸減速前切斷或減弱對線圈的供電。當彈丸接近運動到炮管的中點時，電容放電基本完成，根據慣性彈丸繼續運動發射出去。則電磁炮設計成功。在電磁場中，彈丸受到電磁力：
F=（B/5000）2?×S
其中B為磁通密度，S為與磁通密度正交的面積空心線圈電感量L=（2R×μ0×n2×S）/l
其中R為線圈半徑，l為線圈長度，n為線圈圈數，S為線圈截面積。
3.3.1 彈丸斜拋運動計算及 MATLAB 擬合
對彈丸進行斜拋運動計算中，利用了物理計算和 MATLAB 擬合兩種方法。首先采用不考慮空氣阻力的斜拋物理公式進行計算，得到以f為自變量，d為因變量的斜拋運動公式。但通過輸入目標 d 控制電磁炮發射，在實際中具有更廣泛的應用。所以對已得到的公式進一步處理，通過 MATLAB繪出f-d圖像，利用 ginput()函數對繪制出的圖像采集大量坐標點后，polyfit()函數重新擬合，最后得到以d為自變量,f為因變量的斜拋運動公式。
設彈丸從距離地面高度為 h 處發射時，初速度為v0?，與水平地面夾角為φ0。運動到最高點的時間為t，到達最高點前的水平射程為x，總水平射程為d。彈丸從地面直接發射出時的速度為v,角度為θ。運用物理公式得：
上升到最高點的時間：
?
到達最高點前的水平射程：
?
不同發射方式的速度關系：
?
整理得到以f為自變量,d為因變量的函數：
?
得到決定最大射程的影響因素不僅包括拋射角度f，對射程影響最大的參數還有距離地面的高度h和物體運動的初速度V0
繪出圖像,如圖4.3所示。
3.4 ?模擬電磁曲射炮系統硬件設計
硬件設計的思路為：彈丸從固定長度的彈道中發射，彈丸的垂直發射角度由炮臺控制。利用6V電源對電路供能，電流流經電感線圈時候，其實質是一個微型變壓器，有兩個初級線圈，一個次級線圈，三個線圈各有一端連接到一起（3腳）作為公共端，接到地。兩個初級線圈和三極管構成單管自激振蕩電路，將6V直流電轉換成200V以上的交流電，這一個過程也稱之為逆變。逆變后的交流電經整流二極管成直流后給儲能電容充電。
利用arduino開發板，對炮管設置一個可自動擺動180°角的舵機，對炮管進行左右擺動角度調整，代碼如下：
#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);}*/ }最后利用可控硅和穩壓管，穩壓管是將電容的充電電壓限制在200V左右，而可控硅也叫晶閘管，作為電子開關，但觸發端G加上正電壓時,A,K相當于一個開關閉合，如圖5.1所示，從而產生強大的磁場，將能夠導磁的炮彈發射出去。這里采用15mm長的鐵棒做為炮彈。可控硅如下圖所示。
4 電路測試與調試???????
4.1 電路中器件
由于電路是升壓電路，對器件具備一定的要求，所以選用器件是要注意以下要求，參考圖6.1所示。
電容：耐壓穩壓電容、具備高容量（電解電容正負不能接反）。
電阻：固定小電阻，至少需要1KΩ。
輸入：直流電6V。
升壓模塊?：6V升至200V左右。
二極管：穩壓二極管。
三極管：與電感線圈構成升壓電路。
可控硅：使得電容的電能通過漆包線瞬間放電，產生巨大的磁場。
?
表6.1 ?器件清單
| 名稱 | 型號 | 數量 | 作用 |
| 電池 | 南孚5號 | 4 | 電源 |
| 電阻1 | 510Ω | 1 | 調節電流電壓 |
| 電阻2 | 2KΩ | 1 | 調節電流電壓 |
| 電容1 | CAP ELCE/680uf | 1 | 充放電 |
| 電容2 | CAP ELCE/480uf | 1 | 充放電 |
| 可控硅 | BTA41600B | 1 | 晶閘管 |
| 三極管 | 8550 | 1 | 構成升壓電路 |
| 穩壓二極管 | HER305 DO-27 | 1 | 穩定限制電壓200V |
| 電感線圈 | 0810工字型 | 1 | 通低頻，阻高頻 |
| 三線電壓表 | DCO-300V | 1 | 測直流電壓 |
| 炮彈 | 15mm鐵棒 | 10 | 充當發射物 |
4.2?調試分析
4.2.1 電容
由于選用250V?680uf電容，電容量不高，瞬間充放電產生的強大磁場還達不到預期。
選取的電容的容量要適可增大，建議需要1000uf容量的電容，才能保證炮彈能遠程發射3米以上距離。
4.3.2 ?8550三極管
8550三極管被擊穿：
檢測電路和查詢文獻資料找到原因。升壓電壓過載，放電瞬間過快，導致8550三極管被擊穿，應立即停止實驗更換新的8550三極管，并且時刻注意電壓變化，不能超過其額定值。
4.3.3 電容器
電容器接線端會灼傷人體：
調試、觸摸電路前，必須用螺絲刀短接電容的兩個管腳進行放電，否則會灼傷人。
4.3.4 電池
電池電壓不足：
當電壓表顯示電壓比實際測試電壓要大時，需要及時更換電池，否則會造成電路的損壞。
圖7.1 模擬電磁曲射炮電路設計總電路圖
?
?
5 實驗總結
本次設計的裝置具有結構簡單、易于操作、低成本等優點。但識別目標靶所用的特征較單一且射程較近，在處理炮彈所受阻力與速度關系時采用的模型較簡單，因此打靶精度會受影響。
實訓是培養學生綜合運用所學知識發現提出分析和解決實際問題鍛煉實踐能力的重要環節。通過實訓提升學生的自主學習與實踐動手能力，百利而無一害。在實訓過程中，學生要學會運用課本知識，使之與實踐相結合。理論與實踐相結合才是學生的正確道路。
對于理論，大多數時候都停留在書本的認識層面。以前在書本上學到的只是抽象的理論，從未付諸于實踐，更不用說體驗到自己設計然后進行操作的樂趣 。但是在這次是實訓，我真真切切的感受到我以前所懷疑的書本上的知識是可以真真正正付諸實踐的。理論在與實踐結合的同時要發揮學生的創新能力，與大膽猜測以及對錯誤的認識與修正。我在本次實訓過程遇到了各種問題，但每當我解決一個問題，我就獲取了更多的知識，而這些知識是書上沒有的。機械設計與自動化控制的發展一定要面向工業生產一線，面向市場需求，做到設計工作的精準性和務實性，做到自動化控制的可靠性和穩定性，不斷滿足工業生產企業的新的需求，為國家整個工業提供保障。
在實訓的過程中遇到問題，可以說得是困難重重，這畢竟第一次做的，難免會遇到過各種各樣的問題，同時在設計的過程中發現了自己的不足之處，對以前所學過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固，對器件的認識不夠深刻。解決此番問題使得我更加自信可以學好自己的課程知識了。
從測試看來射出的距離與輸入的距離相差不多，滿足基本要求，測試過程中由于充電時間的長短所以會導致射出的距離有所偏差，有些無法控制的誤差，另外開發板與舵機相連可以控制電磁炮的方向，從而實現擊中目標。
最后，本次大學生電子設計項目不僅鍛煉了我們大學生們解決實際問題的能力，而且，在電子信息類專業課程，特別是對實踐課的建設和教學改革起到了積極的推動作用。這些問題都需要在以后的改進和調試過程中解決。
細心和耐心是相當重要的。在你如何的調試都得不到預想的結果時，焦急是沒有用的，耐心地去檢查每一細微的地方，這時堅持就是勝利，因為你最后檢驗出來出錯的地方往往是你不夠細心的地方。利用實訓這個契機，鍛煉自己各個方面的能力為將來就業投崗打下堅實基礎。
總結
- 上一篇： java坦克大战爆炸效果_Java坦克大
- 下一篇： 使用webgl(three.js)搭建一