基于STM32的多级电磁加速器设计与实现

孙越胜

(电子工程学院， 安徽 合肥 230037)



基于STM32的多级电磁加速器设计与实现

孙越胜

(电子工程学院， 安徽 合肥 230037)

本文以电磁感应原理为基础，研究以铁磁质金属小球为抛体的多级电磁加速器。实验中采用大电容充放电，获得较大的瞬时脉冲电流，磁化抛体，使其加速。研究了抛体初始相对位置、放电时序选择与控制等对抛体出射速度的影响，并通过STM32单片机控制，实现了多级电磁接力加速。

多级电磁加速器；时序选择与控制；STM32单片机

目前，用于军事的发射能源大体可分为三类：机械能、化学能和电磁能。弓箭、弩、抛石机等的发射能源是机械能，利用某种机械装置将势能转化为动能，使抛体获得一定的初速度。由于受发射能源低储能密度和机械装置能量传递效率的限制，抛体只能获得有限的发射速度。14世纪初，中国发明了火药。通过火药的爆炸，将化学能转化为抛体的动能。相比机械能发射能源，化学能发射能源使抛体初速度至少提高2个数量级以上。能源的更替，意味着军事技术发生质的飞跃[1]。目前的电磁炮[2]主要有轨道炮和线圈炮。本文着重讨论线圈炮。

1 单级线圈电磁加速器

单级线圈电磁加速器结构示意图如图1所示，主要由炮筒、单级励磁线圈(长直螺线管，图中上下阴影矩形表示)、大容量充电电容器、电容器充放电触发控制开关、抛体等部分组成。

1.1 基本原理

设螺线管内径R、长度l、单位长度匝数n。螺线管磁场具有相对中心点左右对称的特点，建立如图1所示的坐标轴，坐标原点为螺线管左、右端口。当螺线管中通有电流i时，螺线管内部磁场均匀，磁感应强度

B=μ0ni

(1)

螺线管两端口附近磁场发散，端口外侧附近点P(x,r)的磁感应强度[3]

(2)

(3)

其中，x是点P(x,r)到端口的轴向距离，r是P(x,r)点到轴线的径向距离。

设铁磁质金属小球球心相对端口初始位置为x，若x远小于螺线管的长度l，则抛体处磁场强度可近似为[4]

(4)

穿过抛体截面的磁通量

(5)

根据磁通连续定理和电感的定义，螺线管的电感

(6)

系统总能量

(7)

根据虚功原理，抛体沿轴向的相互作用力

(8)

(6)、(7)、(8)式联立，可得

(9)

负号表示抛体所受的力为吸引力。如果将抛体放在螺线管中心，存在

(10)

说明抛体在螺线管中心时，所受轴向力为0。

1.2 电路设计

电容器充放电电路图如图2所示。通过控制充放电触发控制开关，使电容器充电，储存能量；再控制电容器放电，有瞬时脉冲大电流通过励磁线圈，产生瞬态强磁场，将铁磁质材料抛体小球磁化。抛体和线圈之间产生相互吸引的力，使小球获得向前的速度。

单级电磁加速器电路中与线圈并联的续流二极管的作用是，当电容放电到电压为零时，由于电磁感应，线圈中的电流不会立刻消失，反向电流会给电容充电，续流二极管可全部分担反向电流，保护电容器的安全。

2 抛体初始位置与时序选择

受电容器储能和励磁线圈脉冲电流的限制，单级电磁加速器中抛体获得的初速度有限。要获得较大的初速度，必须使用多组电容器依次放电、多级励磁线圈接力加速的方式。

由于抛体相对励磁线圈的初始相对位置不同，励磁线圈对抛体的吸引力和所做的功均不同，抛体的加速效果也不同。因此，研究抛体相对励磁线圈位置与抛体获得的初速度之间的关系，选择恰当的次级电容放电时机，对多级电磁加速器设计具有至关重要的意义。

表1是单级电磁加速器中抛体出口初速度与初始位置之间关系的实验测量数据。

表1 单级电磁加速器抛体出口初速度与初始位置关系

说明：表中初始位置(例如-3cm)中的负号表示小球的初始位置在左坐标原点的右侧(螺线管内部)，距左坐标原点的距离是3cm。

实验结论：

(1)励磁线圈长度为8cm，抛体在中心点所受轴向力为0，静止不动。与理论分析相同。

(2)存在抛体发射最佳的初始位置。在本实验中，抛体放置在端口外侧1cm处时，抛体初速度最大，发射效率最高。

(3)根据抛体的初速度和传感器的响应时间，设计控制电路时序，确定次级励磁线圈的电容器放电触发控制传感器位置，实现最佳接力加速。

3 基于STM32的控制电路设计

以二级电磁加速器设计展示多级电磁加速器设计原理及系统控制。

3.1 STM32单片机

单片机是本系统的核心，系统要求瞬时放电响应时间短、功耗低、抗干扰性能好等。本设计选择STM32F103C8T6单片机，除满足上述特点外，还具有资源配置丰富灵活、数据处理快、供电时引脚电平不跳变、运行稳定、性价比高等优点。

3.2 红外传感器

考虑响应时间短，便于时序设计和单片机控制实现等因素，实验中选择红外探测器进行第二级励磁线圈放电电容的外触发开关控制。该探测器紧贴炮筒放置，能克服其探测精度偏低的缺点。红外探测器小巧，便于在炮筒上安装。

红外探测器探测电路如图3所示。

电磁继电器驱动电路如图4所示。

3.3 多级电磁加速器设计

多级电磁加速器结构示意图如图5所示。ai是红外传感器到第i+1级励磁线圈左端口的轴向距离。若抛体经过第i级线圈加速后的出口速度为vi，第i+1级线圈红外传感器响应时间和电磁继电器驱动响应时间之和为τi+1，则

ai=l0+viτi+1

(11)

基于STM32的控制流程框图如图6所示。

本设计中电容量为2000μF、最高可充电电压为300V；抛体为铁磁质小球，质量为66.8g。将小球放在螺线管左端口外侧1cm处。改变电容器充电电压，得到单级线圈电磁加速器在不同充电电压下小球初速度的实验数据，如表2所示。

表2 单级电磁加速器抛体初初速度与充电电压关系

实验中两级励磁线圈的电容器充电电压相等。改变电容器充电电压，得到二级线圈电磁加速器在不同充电电压下小球初速度的实验数据，如表3所示。

表3 二级电磁加速器抛体出口初速度与充电电压关系

4 结论

(1)利用电磁感应原理，设计并实现了以铁磁质小球为抛体的二级电磁加速器。

(2)研究了抛体初始位置与出口速度之间的关系，为多级电磁加速时序控制奠定了理论基础。

(3)基于STM32单片机，实现了二级电磁加速器控制。以二级电磁加速器展示了多级电磁加速器设计与实现。

(4)多级电磁加速器时序控制科学合理，级间励磁加速线圈转换效率高。

(5)多级电磁加速器系统工作稳定。

[1] 李立毅，李小鹏. 电磁发射的历史及发展趋势[J].微电机，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]梁灿彬，秦光戎，梁竹建. 电磁学[M].北京：高等教育出版社，1985.

[4]潘彩娟，覃焕昌，黄红强. 电磁炮基本原理的教学与实验模拟[J].广西民族学院学报：自然科学版，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

孙越胜(1965-)，男，安徽省合肥市人，硕士，副教授，主要从事应用光学技术、嵌入式系统开发研究。

TL5

A

1673-8772(2015)04-0042-05