基于AVR单片机控制两级线圈电磁发射器的研究与设计

代广珍，江 柳，王风随，王冠凌

（安徽工程大学 电气工程学院，安徽 芜湖 241000）

1 引言

电磁发射技术的应用领域非常广泛，不仅可以应用于军事、航天，还可以应用于民用领域.根据电磁发射结构和原理划分，主要有轨道式、线圈式和重接式三种[1-3].轨道发射技术因研究人员的重视发展相对较早，如电磁轨道炮、电磁列车等.电磁列车可以利用现有的火车轨道而无需重新铺设轨道，将列车箱体当作发射体，成本比磁悬浮列车低，而速度高于传统列车[4].电子控制和高储能密度大功率脉冲源技术使得电磁线圈发射技术得到了迅速发展，其优点主要有效率高、力学结构合理、弹丸与管壁无机械接触，且能突破化学能发射的有效载荷而把大质量的载荷高速发射，军事和民用领域应用都将极为广泛[2-5].关于电磁线圈发射技术的研究发展，美国在全球水平最高、技术最成熟、研究领域最广、投资规模最大，比其它国家明显领先.国内外报道的相关资料显示，电磁线圈发射技术在美国的军事领域被广泛应用.美国对电磁线圈发射技术展开了多方向研究，在军事领域的应用有飞机的电磁弹射系统和导弹电磁助推器等[2].近年来，工程技术人员和研究人员对于利用该技术进行电磁发射器的性能评测和优化设计做了大量的研究，在研究过程中一般都是采用仿真方法对线圈的实时电磁力、机械结构特性、制作方法，以及最优触发时序等进行分析优化[6-9]，而对于电磁发射器的发射精度的控制研究较少.本文利用电磁发射原理及前面的优化结果，在线圈式电磁发射结构的基础上，设计了一个两级电磁线圈发射器，并对发射器的精度进行了测试.本文设计的发射器一级线圈可采用开关触发或单片机控制的自动、定时触发；二级线圈则是利用光电对管检测弹丸通过情况并自动触发，该方法可以级联多级加速线圈，从而提高发射速度.

2 线圈式电磁发射技术原理

线圈式电磁发射器，又称线圈炮（coilgun），通过功率脉冲或交变电流感生的磁行波驱动弹丸线圈或铁磁材料弹丸，本质上就是一台直线型电机[3]，其构造一般为驱动线圈和一个弹丸，结构见图1所示.

图1 线圈式发射器构造示意图

驱动线圈是由储能元件供电；而弹丸上一般可绕制线圈，称为发射线圈，通过滑动电刷或等离子体的电弧放电来提供电流，也可采用铁磁材料弹丸上感生的涡流.两个线圈在相互之间的电磁力作用下可能出现吸引或排斥.当两个线圈的电流方向相反时，由于驱动线圈固定，则弹丸就会受到电磁力的排斥作用而被发射出去，且发射过程中磁悬浮效应使得弹丸不与弹管内壁发生机械接触，无摩擦阻力.因而，线圈式电磁发射技术力学结构合理，发射效率高，适合于发射大质量载荷.本文采用铁磁材料弹丸，只需将驱动线圈连接上储能元件，避免了弹丸供电需要的电刷换向装置.流过电流的线圈周围形成磁场，线圈的磁动势与线圈匝数N和电流i正比.若线圈磁阻为Rm，磁通量为覬，Rm为常数而覬与Ni成正比，则有Fm=Ni=覬·Rm.求下列积分即可得到线圈中储存的磁场能：

若设磁路长Lm，磁通穿过面积Am，则磁阻可表示为

式中μ为线圈内磁介质即空气的磁导率，μ0为真空磁导率.由于弹丸是铁磁材料制成，磁导率远大于空气，因此线圈发射器磁阻几乎全都为线圈磁路和弹丸之间的空气间隙G产生，且磁力线两次穿过间隙G，因此可近似认为Lm≈2G.假设弹丸中心与驱动线圈中心重合，面积Am恰是弹丸的一半表面积.若弹丸直径为dm、长为L，并令空气磁导率μ=1，则上式可表示为

发射器炮管口径也为dm，驱动线圈有效长度约为两倍极距，忽略漏磁及空气阻力，线性情况下，储能wm沿中轴线上对运动距离z微分即可得到线圈对弹丸的推力.

运用牛顿第二运动定律和动量定理则可以计算出弹丸由线圈驱动而获得的近似速度.设计中将发射器炮管水平放置在高度为h0的架子上，弹丸在射出炮口时作平抛运动；忽略空气阻力等外界因素，则弹丸在垂直方向上只受到重力作用而作匀加速运动.令重力加速度为g，则可以推算出弹丸在离开炮口时的速度.设弹丸获得的初始速度为v0，射出炮管t时刻后高度为h，水平运动距离为x，则有

将式(6)代入式(5)得

3 线圈式电磁发射器设计

设计中炮管采用的是直径为20mm的PVC管，在外管壁上采用直径为0.85mm的漆包铜线绕制了两级线圈.经计算测试，第一级线圈绕8层，长30mm，最底下第一层33匝，第二层32匝，以上各层依次递减，共236匝，第二级线圈缠绕5层，共124匝.采用电容组对两级线圈放电，产生一个大电流脉冲，使线圈产生强大持续时间短的变化磁场.发射炮弹采用直径20mm的铁球.所设计的二级线圈式电磁发射器如图2所示.

图2 二级线圈式电磁发射器示意图

为便于携带，采用电池或其它低压直流电源供电，经逆变器转化为高频交流电，然后进行升压整流对电容充电.电源电路原理图如图3所示，SG3525利用反馈电流调节脉宽生成PWM波，经过MC33883驱动MOS管全桥，产生高频交流电.

图3 电源电路原理图

全桥输出的高频交流电经过升压变压器升压得到较高的电压值，并经过整流、滤波后对电容进行充电，如图4.

图4 升压、整流和滤波电路

采用ATmega328P单片机的23引脚连接储能电容，用来探测电容的电压，并通过TM1638驱动数码管L1和L2，实时显示充电过程中电容的电压大小.此外，为精确控制发射电压，将引脚PD0-PD7及PB8连接选择开关，用以选择设定好的发射电压.这样通过事先设定和实时显示电容电压，可以大大提高电磁发射器精度.

为避免电容同时处于充电和放电状态，设计中采用了继电保护模块器，见图5.S2未按下时，继电器为常闭状态，当S1按下后，OUT1输出高电压给电容组充电；S2按下后，电流经过R1与C1和K1汇合于GND流出，继电器K1线圈有电流流过，产生磁电效应，衔铁在电磁力作用下被吸合向铁芯，并由OUT2向可控硅输出高电压，使电容组放电.

图5 继电保护电路

图6 一级线圈驱动电路

一级驱动线圈触发控制电路的工作原理如图6所示，运用可控硅宽范围的电流和电压控制能力来实现器件的开启或关闭.当单级可控硅管的CSR_G端接收到高电平时，C1对线圈瞬间放电，形成一个大的脉冲电流，产生强磁场驱动弹丸.当电容放电结束时，可控硅截断.续流二极管D2用来防止可控硅截断时的反向电流，避免损坏电路.

二级驱动线圈触发控制电路的工作原理如图7所示.常态下，光电对管的发射管D1发出的光束直接照射接收管D2，使得D2的电阻减小.于是，LM358的引脚7输出为高电平，使得三极管Q1截止，OUT输出为低电平，使可控硅截断.当弹丸通过时，遮挡住D1直接照射到D2的光束，D2电阻变高，导致LM358输出为低电平，从而使得三极管Q1饱和，OUT输出高电平到可控硅G端，导通可控硅使得电容组放电，形成的强脉冲电流流过线圈产生强磁场，继续推动弹丸增加运动速度.二级线圈及后面的多级线圈采用光电对管检测控制可以实现自动触发，从而便于级联更多级的驱动线圈来实现更高的发射速度.

图7 二级线圈驱动电路

4 发射器精度实验测试

为测试线圈式电磁发射器的发射精度，下面主要从发射器的射击距离和打靶准确度两方面来测量.经整流、滤波后给电容充电的交流电的频率和电压幅值，可以通过PMW脉宽调制器调节输出再经MOS管全桥和变压器升压产生.因此，首先对SG3525控制电压与输出脉冲占空比进行了测试，以便选择合适的输入电压，测试结果如图8所示.从图中可以看出，当输入电压超过3.2V之后，占空比基本上保持不变.

图8 SG3525控制电压与脉冲占空比关系

为了便于测量，对于射击距离和打靶准确度的测试，选择距离分别为2米和4米，目标靶距离3米，靶心高度为64cm.电压值的大小决定了弹丸发射速度的不同，因而也就使得弹丸射击的水平距离不同.一般电压值越大，水平距离越远.为了初略了解电压与距离的关系，试选择了不同电压进行射击，得出的结果见图9.由图可知，为了使射击距离精确为2米和4米，后面的实验测试分别选择191V和257V电压.

图9 发射电压与水平距离之间关系

实际发射过程中，有多种客观情况对弹丸的发射距离产生影响，如风力大小、空气湿度等.为了了解线圈式电磁发射器自身因素对发射距离精度的影响，下面分别将发射电压设置为191V和257V，并都进行了10次实验，实验结果如图10所示.

图10 十次射击距离结果

由于固定了目标靶位置及靶心，为测试打靶情况，首先通过实验确定在不同的发射电压下，弹丸击中目标靶的位置，经过射击实验得到的发射电压与弹丸击中靶的高度如图11所示.据此，选择打靶的发射电压为254V，打中靶的位置高度如图12所示.从图中可以看出，弹丸击中靶的位置基本上都落在靶心位置，误差在-5~5mm以内，可见所设计的电磁发射器具有较高的准确度.

图12 二十次射击目标靶高度结果

5 结论

本文运用AVR单片机进行精确控制，设计实现了一个两级线圈式电磁发射器.为了携带方便，运用低压直流电源供电，通过改变PMW脉宽调制器SG3525输入调节输出的频率和电压幅值，再经过MC33883驱动MOS管全桥产生高频交流电，以及变压器升压、整流、滤波之后，对电容进行充电.还可以通过手动开关选择设定发射电压，且充电电压通过AVR单片机采集并输出经数码管显示.第一级线圈采用可控硅控制触发，第二级线圈利用光电对管检测弹丸的通过情况进行控制可控硅实现触发.最后经过实际射击测试，得到的数据显示发射器具有较高的精度.

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