CN108759558A - 一种基于开关时序的微型磁阻式线圈炮弹丸射速控制方法 - Google Patents

一种基于开关时序的微型磁阻式线圈炮弹丸射速控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电磁发射技术领域，具体涉及一种基于开关时序的微型磁阻式线圈炮弹丸射速控制方法，通过对电磁发射进行有限元分析得出弹丸在线圈磁场的运动状态曲线，通过运动状态曲线获取每一时刻点对应的弹丸速度，利用单片机输出控制脉冲控制全控型开关器件，实现发射电路的通断，达到控制线圈磁场的产生与消失的目的，进而控制弹丸在线圈磁场的运动时间，达到控制弹丸出口速度的目的。

Description

一种基于开关时序的微型磁阻式线圈炮弹丸射速控制方法
技术领域
本发明涉及电磁发射技术领域，具体涉及一种基于开关时序的微型磁阻式线圈炮弹丸射速控制方法。
背景技术
电磁发射技术是继化学能发射之后出现的一种新概念动能发射技术，按结构和原理的不同，可分为电磁轨道式和电磁线圈式两种。前者可以理解为一个单匝直线电动机，后者可以理解为圆筒状电动机，其实质都是按照电动机原理工作。电磁发射技术自1845年，英国物理学家查尔斯﹒惠斯通设计出第一台基于电磁发射的磁阻型直线电机以来，经过一个多世纪的发展，电磁发射技术由实验室走向了实际应用领域，尤其是军事领域。2015年BAE公司对为美国海军所研制的电磁炮进行了测试，其速度、精度以及打击效果与传统火炮相比，有着显著的优势。然而，电磁发射技术应用远不止军事领域等大型场合，将电磁发射装置小型化、微型化，便可将其应用领域扩展到工业、医学、农业以及实验仪器设计等方方面面，具有极高的应用价值。
然而，电磁发射装置的小型化以及微型化势必对发射弹丸的速度以及其具有的能量有着极高的要求，同时随着装置的小型化，必然衍生出易受于外界环境干扰导致发射效率以及精度下降等负面影响，给控制系统的设计带来一系列的困难。
由于电磁发射器的广阔应用前景，电磁发射技术成为国内外研究的热点问题，诸如舰载机电磁弹射技术以及电磁炮技术等获得了充分地研究与发展。然而国内外对电磁发射技术的工作及研究重心大多集中于提高大型电磁发射器工作效率以及打击效果上，对小型电磁发射器的相关研究相对较少，小型磁阻式线圈炮的速度控制研究更是不多见。
发明内容
本发明的目的在于克服现有磁阻式线圈炮控制技术的不足，提供一种基于开关时序的磁阻式线圈炮弹丸射速的控制方法，通过设计合理的控制电路，达到弹丸射速稳定可控的目的。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种基于开关时序的微型磁阻式线圈炮弹丸射速控制方法，包括以下步骤：
1)对磁阻式线圈炮进行电磁场建模
磁阻式线圈炮模型包括铁磁质弹丸、多匝线圈、弹丸运动域与求解域四个部分，其中，所述弹丸运动域的直径大于铁磁质弹丸的外径，所述多匝线圈套设在铁磁质弹丸及弹丸运动域的外周，所述求解域的直径大于多匝线圈的外径；
2)对磁阻式线圈炮进行电磁场有限元分析
设置有限元分析求解方式为瞬态，将作为激励源的外部电路与多匝线圈连接，设置外部电路的线圈感值、电路中等效电阻、电容组容量以及初始电压值的参数；
有限元分析结果：零时刻时，铁磁质弹丸处于静止状态；然后开始进行加速运动，0.001s时刻铁磁质弹丸前端部分已经被磁化，受多匝线圈磁场力牵引做做加速度增大的变加速运动，随着铁磁质弹丸继续运动，铁磁质弹丸进一步被磁化，待铁磁质弹丸离开多匝线圈，磁场逐渐消失，被磁化的铁磁质弹丸开始逐渐恢复为磁化前的状态，其磁感应强度逐渐降为零；铁磁质弹丸整个运动过程中，其受力不断变化，随着铁磁质弹丸继续运动，磁场力将有驱动性质转化为制动性质，阻碍铁磁质弹丸继续向前运动，并随着磁场的消失逐渐降为零；
3)从有限元分析结果中输出铁磁质弹丸运动速度在时间域的变化曲线；
4)根据铁磁质弹丸在时间域的运动速度曲线设计磁阻式线圈炮的开关时序控制电路，包括：
a、让全控器件的控制引脚通过隔离光耦与单片机输出引脚相连，以控制全控型开关器件，并在输出开启电平使开始定时计数，记录铁磁质弹丸开始运动时间；
b、根据铁磁质弹丸在时间域的运动曲线中速度与时间的一一对应关系，在所需速度对应的时刻点让单片机输出全控器件关断电平使电路关断，获得对应的出口速度。
其中，所述多匝线圈为铜质线圈。
其中，所述外部电路包括串联的储能电容和等效电阻，所述储能电容和等效电阻的一端分别通过导线与多匝线圈的两端连接，所述储能电容和等效电阻的另一端接地。
其中，所述步骤2)中对磁阻式线圈炮进行电磁场有限元分析前设置求解规则，采用的计算方式为矩阵运算，最大迭代次数大于10，误差小于1％，每次迭代加密剖分单元比例大于50％，设置好模型网络剖分以及涡流效应，求解步长设为0.0001s，仿真总时间设为0.02s。
作为优选的，所述步骤1)通过有限元分析软件对磁阻式线圈炮进行电磁场建模。
作为优选的，所述铁磁质弹丸呈圆柱状或棒状。
相对于现有技术，本发明的有益效果为：
本发明提供一种基于发射电路开关时序的磁阻式线圈炮弹丸射速控制方法，通过对电磁发射进行有限元分析得出弹丸在线圈磁场的运动状态曲线，通过运动状态曲线获取每一时刻点对应的弹丸速度，利用单片机输出控制脉冲控制全控型开关器件，实现发射电路的通断，达到控制线圈磁场的产生与消失的目的，进而控制弹丸在线圈磁场的运动时间，达到控制弹丸出口速度的目的。
附图说明
图1为本发明的磁阻式线圈炮模型示意图。
图2为本发明的外部电路示意图。
图3为零时刻时铁磁质弹丸磁感应强度分布示意图。
图4为0.001s时刻时铁磁质弹丸磁感应强度分布示意图。
图5为铁磁质弹丸速度变化示意图。
图6为开关时序控制电路示意图。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述。
实施例1。
如图1所示，本实施例提供一种基于开关时序的微型磁阻式线圈炮弹丸射速控制方法，包括以下步骤：
1)对磁阻式线圈炮进行电磁场建模
磁阻式线圈炮模型包括铁磁质弹丸1、多匝线圈2、弹丸运动域3与求解域4四个部分，其中，所述弹丸运动域3的直径大于铁磁质弹丸1的外径，所述多匝线圈2套设在铁磁质弹丸1及弹丸运动域3的外周，所述求解域4的直径大于多匝线圈2的外径；
2)对磁阻式线圈炮进行电磁场有限元分析
设置有限元分析求解方式为瞬态，将作为激励源的外部电路与多匝线圈2连接，如图2所示，所述外部电路包括串联的储能电容5和等效电阻6，所述储能电容5和等效电阻6的一端分别通过导线与多匝线圈2的两端连接，所述储能电容5和等效电阻6的另一端接地，设置外部电路的线圈感值、电路中等效电阻6、电容组容量以及初始电压值的参数；
如图3所示，有限元分析结果：零时刻时，铁磁质弹丸1处于静止状态；然后开始进行加速运动，如图4所示，0.001s时刻铁磁质弹丸1前端部分已经被磁化，受多匝线圈2磁场力牵引做做加速度增大的变加速运动，随着铁磁质弹丸1继续运动，铁磁质弹丸1进一步被磁化，待铁磁质弹丸1离开多匝线圈2，磁场逐渐消失，被磁化的铁磁质弹丸1开始逐渐恢复为磁化前的状态，其磁感应强度逐渐降为零；铁磁质弹丸1整个运动过程中，其受力不断变化，随着铁磁质弹丸1继续运动，磁场力将有驱动性质转化为制动性质，阻碍铁磁质弹丸1继续向前运动，并随着磁场的消失逐渐降为零；
3)如图5所示，从有限元分析结果中输出铁磁质弹丸1运动速度在时间域的变化曲线；
4)如图6所示，根据铁磁质弹丸1在时间域的运动速度曲线设计磁阻式线圈炮的开关时序控制电路，包括：
a、让全控器件D13的控制引脚通过隔离光耦与单片机输出引脚相连，以控制全控型开关器件Q2，并在输出开启电平使开始定时计数，记录铁磁质弹丸1开始运动时间；
b、根据铁磁质弹丸1在时间域的运动曲线中速度与时间的一一对应关系，在所需速度对应的时刻点让单片机输出全控器件关断电平使电路关断，获得对应的出口速度。
其中，所述多匝线圈2为铜质线圈。
其中，所述步骤2)中对磁阻式线圈炮进行电磁场有限元分析前设置求解规则，采用的计算方式为矩阵运算，最大迭代次数大于10，误差小于1％，每次迭代加密剖分单元比例大于50％，设置好模型网络剖分以及涡流效应，求解步长设为0.0001s，仿真总时间设为0.02s。
作为优选的，所述步骤1)通过有限元分析软件对磁阻式线圈炮进行电磁场建模。
作为优选的，所述铁磁质弹丸1呈圆柱状或棒状。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于开关时序的微型磁阻式线圈炮弹丸射速控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)对磁阻式线圈炮进行电磁场建模
磁阻式线圈炮模型包括铁磁质弹丸、多匝线圈、弹丸运动域与求解域四个部分，其中，所述弹丸运动域的直径大于铁磁质弹丸的外径，所述多匝线圈套设在铁磁质弹丸及弹丸运动域的外周，所述求解域的直径大于多匝线圈的外径；
2)对磁阻式线圈炮进行电磁场有限元分析
设置有限元分析求解方式为瞬态，将作为激励源的外部电路与多匝线圈连接，设置外部电路的线圈感值、电路中等效电阻、电容组容量以及初始电压值的参数；
3)从有限元分析结果中输出铁磁质弹丸运动速度在时间域的变化曲线；
4)根据铁磁质弹丸在时间域的运动速度曲线设计磁阻式线圈炮的开关时序控制电路，包括：
a、让全控器件的控制引脚通过隔离光耦与单片机输出引脚相连，以控制全控型开关器件，并在输出开启电平使开始定时计数，记录铁磁质弹丸开始运动时间；
b、根据铁磁质弹丸在时间域的运动曲线中速度与时间的一一对应关系，在所需速度对应的时刻点让单片机输出全控器件关断电平使电路关断，获得对应的出口速度。
2.根据权利要求1所述的基于开关时序的微型磁阻式线圈炮弹丸射速控制方法，其特征在于，所述多匝线圈为铜质线圈。
3.根据权利要求1所述的基于开关时序的微型磁阻式线圈炮弹丸射速控制方法，其特征在于，所述外部电路包括串联的储能电容和等效电阻，所述储能电容和等效电阻的一端分别通过导线与多匝线圈的两端连接，所述储能电容和等效电阻的另一端接地。
4.根据权利要求1所述的基于开关时序的微型磁阻式线圈炮弹丸射速控制方法，其特征在于，所述步骤2)中对磁阻式线圈炮进行电磁场有限元分析前设置求解规则，采用的计算方式为矩阵运算，最大迭代次数大于10，误差小于1％，每次迭代加密剖分单元比例大于50％，设置好模型网络剖分以及涡流效应，求解步长设为0.0001s，仿真总时间设为0.02s。
5.根据权利要求1所述的基于开关时序的微型磁阻式线圈炮弹丸射速控制方法，其特征在于，所述步骤1)通过有限元分析软件对磁阻式线圈炮进行电磁场建模。
6.根据权利要求1所述的基于开关时序的微型磁阻式线圈炮弹丸射速控制方法，其特征在于，所述2)中有限元分析结果：
零时刻时，铁磁质弹丸处于静止状态；然后开始进行加速运动，0.001s时刻铁磁质弹丸前端部分已经被磁化，受多匝线圈磁场力牵引做做加速度增大的变加速运动，随着铁磁质弹丸继续运动，铁磁质弹丸进一步被磁化，待铁磁质弹丸离开多匝线圈，磁场逐渐消失，被磁化的铁磁质弹丸开始逐渐恢复为磁化前的状态，其磁感应强度逐渐降为零；铁磁质弹丸整个运动过程中，其受力不断变化，随着铁磁质弹丸继续运动，磁场力将有驱动性质转化为制动性质，阻碍铁磁质弹丸继续向前运动，并随着磁场的消失逐渐降为零。
7.根据权利要求1所述的基于开关时序的微型磁阻式线圈炮弹丸射速控制方法，其特征在于，所述铁磁质弹丸呈圆柱状或棒状。
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