模拟电磁曲射炮
目錄
1 實訓(xùn)任務(wù)
2 設(shè)計內(nèi)容
3 設(shè)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(yōu)點：
3.2 穩(wěn)壓電路
3.2.1穩(wěn)壓電路的優(yōu)點：
3.2.2穩(wěn)壓電路缺點：
3.3 線圈電磁炮理論分析及參數(shù)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(tǒng)硬件設(shè)計
4 電路測試與調(diào)試
4.1 電路中器件
4.2?調(diào)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(jié)
?
?
1 實訓(xùn)任務(wù)
設(shè)計：自行設(shè)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(diào)節(jié)，用電磁力將彈丸射出，擊中目標(biāo)環(huán)形靶（見圖 3），發(fā)射周 期不得超過 30 秒。電磁炮由直流穩(wěn)壓電源供電，電磁炮系統(tǒng)內(nèi)允許使用容性儲 能元件。
2 設(shè)計內(nèi)容
根據(jù)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(zhǔn)目標(biāo)進行打擊。以線圈炮設(shè)計為基礎(chǔ)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(diào)節(jié)。將加速線圈固定在炮管中，當(dāng)它通入交變電流時，產(chǎn)生的交變磁場就會在彈丸線圈中，產(chǎn)生感應(yīng)電流產(chǎn)生洛倫磁力。感應(yīng)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(fā)射擊中目標(biāo)。如圖1.1所示。
圖1.1電磁曲射炮設(shè)計圖
??????圖1.2 電磁炮工作原理圖
3 設(shè)計原理
3.1 電磁曲射炮電路
為了更好地實現(xiàn)模擬電磁曲射炮，本設(shè)計采用了單管自激振蕩電路和穩(wěn)壓電路。
單管自激振蕩電路圖參見圖2.1；
?穩(wěn)壓電路圖參見圖2.2。
3.1.1單管自激振蕩電路的優(yōu)點：
單管自激振蕩升壓電路：電源經(jīng)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(qū)，R1,R2構(gòu)成基極分壓式偏制電路，集電極線圈產(chǎn)生的信號通過變壓器反饋給基極線圈，產(chǎn)生自激振蕩，從而使次級線圈得道數(shù)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(zhuǎn)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(wěn)壓電路
3.2.1穩(wěn)壓電路的優(yōu)點：
穩(wěn)壓電路是在輸入電網(wǎng)電壓波動或負載發(fā)生改變時仍能保持輸出電壓基本不變的電源電路。當(dāng)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(wěn)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(wěn)壓電路缺點：
當(dāng)輸入與輸出電壓相差較大時,調(diào)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(shù)計算
如果線圈中只有持續(xù)的恒定電流通過，彈丸受洛倫茲力會在磁場中做往復(fù)運動，為了彈丸可以成功發(fā)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(dāng)彈丸接近運動到炮管的中點時，電容放電基本完成，根據(jù)慣性彈丸繼續(xù)運動發(fā)射出去。則電磁炮設(shè)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(shù)，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(biāo) d 控制電磁炮發(fā)射，在實際中具有更廣泛的應(yīng)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(shù)對繪制出的圖像采集大量坐標(biāo)點后，polyfit()函數(shù)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(shè)彈丸從距離地面高度為 h 處發(fā)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(fā)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(fā)射方式的速度關(guān)系：
?
整理得到以f為自變量,d為因變量的函數(shù)：
?
得到?jīng)Q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(shù)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(tǒng)硬件設(shè)計
硬件設(shè)計的思路為：彈丸從固定長度的彈道中發(fā)射，彈丸的垂直發(fā)射角度由炮臺控制。利用6V電源對電路供能，電流流經(jīng)電感線圈時候，其實質(zhì)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(gòu)成單管自激振蕩電路，將6V直流電轉(zhuǎn)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(jīng)整流二極管成直流后給儲能電容充電。
利用arduino開發(fā)板，對炮管設(shè)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(diào)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(wěn)壓管，穩(wěn)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(guān)，但觸發(fā)端G加上正電壓時,A,K相當(dāng)于一個開關(guān)閉合，如圖5.1所示，從而產(chǎn)生強大的磁場，將能夠?qū)Т诺呐趶棸l(fā)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(diào)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(wěn)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(wěn)壓二極管。
三極管：與電感線圈構(gòu)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(chǎn)生巨大的磁場。
?
表6.1 ?器件清單
| 名稱 | 型號 | 數(shù)量 | 作用 |
| 電池 | 南孚5號 | 4 | 電源 |
| 電阻1 | 510Ω | 1 | 調(diào)節(jié)電流電壓 |
| 電阻2 | 2KΩ | 1 | 調(diào)節(jié)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(gòu)成升壓電路 |
| 穩(wěn)壓二極管 | HER305 DO-27 | 1 | 穩(wěn)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(dāng)發(fā)射物 |
4.2?調(diào)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(chǎn)生的強大磁場還達不到預(yù)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(fā)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(dǎo)致8550三極管被擊穿，應(yīng)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(diào)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(dāng)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(shè)計總電路圖
?
?
5 實驗總結(jié)
本次設(shè)計的裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、易于操作、低成本等優(yōu)點。但識別目標(biāo)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(guān)系時采用的模型較簡單，因此打靶精度會受影響。
實訓(xùn)是培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)知識發(fā)現(xiàn)提出分析和解決實際問題鍛煉實踐能力的重要環(huán)節(jié)。通過實訓(xùn)提升學(xué)生的自主學(xué)習(xí)與實踐動手能力，百利而無一害。在實訓(xùn)過程中，學(xué)生要學(xué)會運用課本知識，使之與實踐相結(jié)合。理論與實踐相結(jié)合才是學(xué)生的正確道路。
對于理論，大多數(shù)時候都停留在書本的認識層面。以前在書本上學(xué)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(shè)計然后進行操作的樂趣 。但是在這次是實訓(xùn)，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(jié)合的同時要發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)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(xùn)過程遇到了各種問題，但每當(dāng)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(shè)計與自動化控制的發(fā)展一定要面向工業(yè)生產(chǎn)一線，面向市場需求，做到設(shè)計工作的精準(zhǔn)性和務(wù)實性，做到自動化控制的可靠性和穩(wěn)定性，不斷滿足工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)的新的需求，為國家整個工業(yè)提供保障。
在實訓(xùn)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(shè)計的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對以前所學(xué)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(xué)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(dǎo)致射出的距離有所偏差，有些無法控制的誤差，另外開發(fā)板與舵機相連可以控制電磁炮的方向，從而實現(xiàn)擊中目標(biāo)。
最后，本次大學(xué)生電子設(shè)計項目不僅鍛煉了我們大學(xué)生們解決實際問題的能力，而且，在電子信息類專業(yè)課程，特別是對實踐課的建設(shè)和教學(xué)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(diào)試過程中解決。
細心和耐心是相當(dāng)重要的。在你如何的調(diào)試都得不到預(yù)想的結(jié)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(xùn)這個契機，鍛煉自己各個方面的能力為將來就業(yè)投崗打下堅實基礎(chǔ)。
總結(jié)
- 上一篇： java坦克大战爆炸效果_Java坦克大
- 下一篇： 软件项目验收测试报告-软件项目验收流程