楊榮興 西北民族大學(xué)
目前,由于受到火藥氣體膨脹速度的限制,常規(guī)的固體發(fā)射火炮已無法滿足現(xiàn)代軍事的要求,它對(duì)彈丸的加速及初速度有很大的限制。眾所周知,火炮技術(shù)的歷次革命皆以發(fā)射能源的變更為標(biāo)志。本系統(tǒng)的單級(jí)線圈電磁炮是利用電磁力產(chǎn)生動(dòng)能推進(jìn)彈丸的一種先進(jìn)的動(dòng)能裝置,它是利用電磁系統(tǒng)中電磁場(chǎng)的作用力,其作用的時(shí)間要長(zhǎng)得多,可大大提高彈丸的速度。
本系統(tǒng)主要由單片機(jī)、電磁炮發(fā)射裝置、舵機(jī)和電源組成。
我們采用STM32 芯片作為主控芯片對(duì)曲線電磁炮進(jìn)行控制,電磁炮上電之后會(huì)自動(dòng)擺正炮管然后靜待輸入?yún)?shù)(目標(biāo)距離及目標(biāo)角度),參數(shù)輸入完畢一鍵啟動(dòng)發(fā)炮后,電磁炮會(huì)自動(dòng)調(diào)整水平及垂直方向上的角度然后開炮,其中按鍵工具我們采用的是矩陣鍵盤,簡(jiǎn)單便捷,為提高輸入?yún)?shù)的準(zhǔn)確性,我們?cè)谟布罱ㄉ霞尤肓薕LED 顯示屏,將其與矩陣鍵盤聯(lián)系在一起從而將鍵入的數(shù)值參數(shù)在顯示屏上顯示,以方便觀察。在電磁炮的制作上我們利用升壓模塊得到200 電壓對(duì)大電容進(jìn)行瞬間充電,再利用電容放電至線圈得到磁場(chǎng)從而發(fā)炮。
STM32F103R 單片機(jī),具有功能強(qiáng)大、效率高的指令系統(tǒng),高性能模擬技術(shù)及豐富的外圍模塊。主要應(yīng)用的是定時(shí)器的PWM模式,PWM 模式只能在定時(shí)器的4 個(gè)通道產(chǎn)生頻率相同但是占空比不同的輸出信號(hào)控制4 個(gè)電機(jī)的運(yùn)行。
單級(jí)線圈電磁炮是利用物理學(xué)中運(yùn)動(dòng)電荷或載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受到電磁力作用的來加速?gòu)椡璧摹F潢P(guān)鍵技術(shù)在于保證激勵(lì)電流與導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)同步。它主要由環(huán)繞在炮膛外數(shù)匝漆包線構(gòu)成線圈作為發(fā)射器(加速身管),并由大電容充當(dāng)電源釋放電能給線圈而產(chǎn)生洛倫茲力。
在電磁場(chǎng)中,磁感應(yīng)強(qiáng)度
電磁炮軌跡計(jì)算
由此有
最終可得拋物體的軌跡方程為
由直流電源為電磁炮供能,升壓模塊將電源較低的電壓轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠妷翰⒔o儲(chǔ)能電容充電,儲(chǔ)能電容用來儲(chǔ)存電能和向線圈釋放電能,控制開關(guān)用來控制充電和放電(放電即為開啟發(fā)射裝置)。其中組成元件有12V 直流電源、整流二極管、阻尼二極管、電解電容、電感線圈以及電阻。電容作為儲(chǔ)能器件,具有容量大、內(nèi)部電感極小、耐壓高的特性,儲(chǔ)能達(dá)數(shù)千焦耳至數(shù)兆焦耳。開關(guān)采用繼電器,能極好的保證電路的安全性,當(dāng)電路發(fā)生故障時(shí)能及時(shí)切斷電路。阻尼二極管的作用是防止反向電壓對(duì)電容反向充電,避免損壞電容器。
利用舵機(jī)搭建云臺(tái),控制方向和角度。舵機(jī)是控制電路接收信號(hào)源的控制脈沖,進(jìn)而驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng);齒輪組將電機(jī)的速度成大倍數(shù)縮小,并將電機(jī)的輸出扭矩放大相應(yīng)倍數(shù),然后輸出;電位器和齒輪組的末級(jí)一起轉(zhuǎn)動(dòng),測(cè)量舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度;單片機(jī)檢測(cè)并根據(jù)電位器轉(zhuǎn)動(dòng)角度,然后控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到目標(biāo)角度或保持目標(biāo)角度。
由于炮管的角度調(diào)整是依據(jù)舵機(jī)進(jìn)行調(diào)整,而舵機(jī)的控制是靠PWM 的輸出,所以代碼的開始要先進(jìn)行PWM 的初始化以及其它模塊(OLED 顯示屏等)的初始化。代碼的整體結(jié)構(gòu)是在一個(gè)while 循環(huán)里面進(jìn)行switch 的選擇判斷執(zhí)行。首先剛進(jìn)入while時(shí)先對(duì)所選引腳PG(11)進(jìn)行高電平的輸出(因?yàn)殡姶排诘淖罱K發(fā)射是繼電器在控制,而繼電器的相關(guān)引腳就是PG(11)),然后執(zhí)行按鍵讀取函數(shù)讀取按鍵的第一個(gè)鍵入數(shù)值從而區(qū)分電磁炮的不同發(fā)射情況,switch 判斷后在進(jìn)入所選擇的情況后就去執(zhí)行該情況下所對(duì)應(yīng)的代碼---執(zhí)行按鍵讀取函數(shù)等待鍵入?yún)?shù),鍵入?yún)?shù)完畢后一鍵發(fā)炮,而發(fā)炮鍵在代碼中即將繼電器的對(duì)應(yīng)引腳PG(11)代碼改為輸出低電平,通過延時(shí)低電平持續(xù)時(shí)間控制大電容充電時(shí)間從而控制開炮。
模擬電磁曲射炮是以STM32F103R 單片機(jī)為控制核心。通過控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)的角度使炮口對(duì)準(zhǔn)目標(biāo),發(fā)射電磁炮擊打環(huán)形靶。由于能否打中靶,決定于舵機(jī)能否轉(zhuǎn)動(dòng)正確的角度,所以對(duì)硬件的搭建要求很嚴(yán)格,為了降低誤差,發(fā)射裝置的電路設(shè)計(jì)必須十分精細(xì),對(duì)電壓大小的選擇和控制十分重要。在設(shè)計(jì)電磁曲射炮中,不僅學(xué)到了電磁方面的知識(shí),而且在動(dòng)手能力,發(fā)現(xiàn)問題解決問題的能力上有了很大的提高。