CN114056528A - 一种循环电磁射流装置的控制系统及控制方法 - Google Patents

一种循环电磁射流装置的控制系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

一种循环电磁射流装置的控制系统，属于水下动力技术领域，所述控制系统包括电源模块，所述电源模块为微控制单元和依次连接的升压模块、电容充放电模块与线圈功率放大模块充电，所述微控制单元还连接按键模块和显示模块，控制系统控制连接循环电磁射流装置的电磁线圈。本申请的循环电磁射流装置的控制系统通过多进水管、多级电磁推进方式，相对其它推进方式，可形成连续动态射流，推进效率更高，瞬间可使水流获得较大动能，且无其它复杂传动机构，无需复杂的电气设备，噪音更小，使用方便。

Description

一种循环电磁射流装置的控制系统及控制方法
技术领域
本发明属于水下动力技术领域，更具体地，涉及一种循环电磁射流装置的控制系统及控制方法。
背景技术
目前推进器有螺旋桨推进、泵喷推进和磁流体推进等方式。螺旋桨推进效率较低，需要转轴带动桨叶，还会产生额外的扭矩；作动时易产生空泡，从而产生很大的噪声，影响其推力和巡航速度。泵喷推进装置的传动机构复杂、体积庞大，制造时对材料和工艺有很高的要求，且后期拆卸、检修复杂。磁流体推进器噪音较小，但功耗非常大，成本高，速度比较慢。
如公开号为CN205469739U，名为一种基于移动磁场的射流推进器的专利，包括电磁缸体、管路、电磁换向阀、喷管、运动线圈、活塞、加速线圈组，由环绕于缸体外的一系列固定的加速线圈与缸体内的活塞运动之间互感时产生的电磁力作为活塞的加速力，经过多级加速线圈的加速，逐级把活塞加速到高速，从而以高速推出水流，产生反向推力，从而推动水下机器人、船舶等设备行进。该推进器利用电磁感应原理推动活塞运动从而使水流挤出产生推力，但该推进器只有一个进水管，活塞往复运动切换需要时间，使得高速水流出现断续，不能形成连续射流，严重影响系统的工作效能。
发明内容
针对上述存在的技术问题，本发明提出一种循环电磁射流装置的控制系统及控制方法，旨在通过多进水管、多级电磁推进方式，提供连续稳定强大的射流能力。
本发明采用以下具体的技术方案：
一种循环电磁射流装置的控制系统，所述控制系统包括电源模块，所述电源模块为微控制单元和依次连接的升压模块、电容充放电模块与线圈功率放大模块充电，所述微控制单元还连接按键模块和显示模块，控制系统控制连接循环电磁射流装置的电磁线圈。
优选的，所述循环电磁射装置包含两根尾端交汇于汇流喷管的进水管，所述进水管外部分别设置若干电磁线圈、内部分别设置一个软磁活塞。
优选的，两根所述进水管的尾端交汇处可转动的连接切换阀板的一侧，控制汇流喷管与进水管之间的开通。
优选的，所述电磁线圈按间隔独立的缠绕在进水管外周。
优选的，所述微控制单元可采用单片机、DSP或FPGA实现。
优选的，所述电容充放电模块的电路包括并联的充放电电容与反向设置的二极管，所述升压模块的输出电压给充放电电容充电。
优选的，所述线圈功率放大模块的电路为由若干个四个功率开关管组成的H桥构成，所述H桥的输出接电磁线圈。
优选的，所述按键模块发送升压指令、电容充/放电指令和打开/闭合线圈功率放大模块中对应功率开关管的指令。
一种基于上述所述控制系统的循环电磁射流装置控制方法，包括以下步骤：
S0：设两软磁活塞起始时均位于两根进水管的最左侧；
S1：先将一根进水管中的软磁活塞由左至右输送，使水流推开切换阀板从汇流喷管喷出：
S1.1：通过按键模块发送指令使控制系统对该进水管最左侧电磁线圈正向通电，软磁活塞从左至右穿过最左侧电磁线圈；
S1.2：软磁活塞从左至右穿过最左侧电磁线圈后，立即对S1.1中的电磁线圈断电；
S1.3：按照从左至右的顺序依次对该进水管外的电磁线圈重复S1.1—S1.2中通电/断电的操作，直至软磁活塞到达该进水管的右端；
S2：再将另一根进水管中的软磁活塞由左至右输送，使水流推开切换阀板从汇流喷管喷出，重复上述S1.1—S1.3的操作；
S3：当S1中的软磁活塞到达进水管的右端时，将该进水管的软磁活塞由右至左反推：
S3.1：通过按键模块发送指令使控制系统对该进水管最右侧电磁线圈反向通电，软磁活塞从右至左穿过最右侧电磁线圈；
S3.2：软磁活塞从右至左穿过最右侧电磁线圈后，立即对S3.1中的电磁线圈断电；
S3.3：按照从右至左的顺序依次对该进水管外的电磁线圈重复S3.1—S3.2中反向通电/断电的操作，直至软磁活塞到达该进水管的左端；
S4：当S2中的软磁活塞到达进水管的右端时，将该进水管的软磁活塞由右至左反推，重复上述S3.1—S3.3的操作；
S5：循环上述S1—S4的操作，直至控制系统暂停或关闭。
优选的，所述正向通电为打开电磁线圈对应的线圈功率放大模块中相应H桥的两对角功率开关管，向该电磁线圈施加正向电流；所述反向通电为打开电磁线圈对应的线圈功率放大模块中相应H桥的另外两对角功率开关管，向该电磁线圈施加反向电流。
本发明的有益效果为：
(1)本发明采用多级电磁推进方式，相对其它推进方式，推进效率更高，瞬间可使水流获得较大动能。
(2)本发明可兼容多个进水管道，多个进水管依次加速推进，相对其它推进方式，可形成连续动态射流。
(3)本发明传动装置采用电磁推进方式，电磁线圈紧密环绕在进水管道周围，相对其它推进方式，机构更简单、体积更小、维护更方便。
(4)本发明传动装置采用电磁推进方式，无其它复杂传动机构，相对其它推进方式，噪音更小，更适合于对噪声要求苛刻的水下动力场合。
(5)本发明传动装置采用电磁推进方式，无需复杂的电气设备，通过升压装置，将锂电池等蓄电池快速充满推进器的储能电容，并支持多次发射，使用方便。
附图说明
图1为本发明优选实施例的循环电磁射流装置的结构组成示意图；
图2为本发明循环电磁射流装置的控制系统结构框图；
图3为本发明循环电磁射流装置的控制系统为任一个电磁线圈放电的电路原理图。
1、2、3、4、7、8、9、10：电磁线圈；5：切换阀板；6：汇流喷管；11、14：软磁活塞；12、13：进水管；15、控制系统。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明。除非特别说明，本发明实施例中采用的原料和方法为本领域常规市购的原料和常规使用的方法。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“侧向”、“长度”、“宽度”、“高度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“侧”等指示的方位或位置关系为基于附图1所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域技术人员而言，可视具体情况理解上述用语在本发明中的具体含义。
实施例1
一种循环电磁射流装置，如图1所示，它包括电磁线圈(1、2、3、4、7、8、9、10)、切换阀板(5)、汇流喷管(6)、软磁活塞(11、14)、进水管(12、13)和控制系统(15)。
电磁线圈(1、2、3、4、7、8、9、10)，以一定间隔独立地缠绕在进水管(13、12)周围(还可根据需求增加电磁线圈的数量，电磁线圈增加，可提高水流出口速度)。控制系统(15)按照一定时间顺序，分别给每个电磁线圈通电时，电磁线圈在进水管内部产生磁场。
软磁活塞(11、14)分别置于进水管(12、13)内部。当控制系统(15)向所属软磁活塞外部的电磁线圈(1或2或3或4或7或8或9或10)通电时，软磁活塞将在进水管内加速运动。
切换阀板(5)，布置在汇流喷管(6)前方。当软磁活塞(11、14)推动水流加速运动时，高速水流将推开切换阀板(5)一侧转动至C或D点，由汇流喷管(6)喷出。
汇流喷管(6)布置在进水管(12、13)出口交汇处。进水管(12、13)的水流流动至汇流喷管(6)时，加速流出。
控制系统(15)，同时连接电磁线圈(1、2、3、4、7、8、9、10)。按照既定程序，依次向电磁线圈通电，可形成连续磁场，推动磁性活塞向一个方向加速运动。同时，也可改变电磁线圈电流方向，形成反向连续磁场，推动磁性活塞向反方向运动。正推时，水流将切换阀板推开；软磁活塞至最右侧时，另一侧高速水流喷出时，将把该切换阀板关闭。同时降低反推速度，避免出现将水流高速反推回来。
本实施例的循环电磁射流装置运动原理是控制系统(15)对电磁线圈(1或2或3或4或7或8或9或10)瞬间放电时，电磁线圈(1或2或3或4或7或8或9或10)在进水管(13或12)内产生瞬变强磁场，进而在软磁活塞(14或11)表面感应出涡流，感应出来的涡流在瞬变磁场中受到洛伦兹力的作用，推动软磁活塞(14或11)加速运动。经过多极电磁线圈的连续加速，软磁活塞(11、14)将水流高速推开切换阀板(5)，进而喷出汇流喷管(6)，产生的反向推力，推动水下机器人、船舶等设备行进。
实施例2
在上述实施例的基础上，本实施例作为优选的，循环电磁射流装置包括电磁线圈、汇流喷管、三个软磁活塞、三根进水管和控制系统，并设置两个切换阀板(在中间进水管尾端两侧)。较实施例1的进水管增加，可以使得高速水流连续不断。
电磁线圈同样的，分别以一定间隔独立地缠绕在三根进水管周围。控制系统按照一定时间顺序，分别给每个电磁线圈通电时，电磁线圈在进水管内部产生磁场。
三个软磁活塞分别置于三根进水管内部。当控制系统向所属软磁活塞外部的电磁线圈通电时，软磁活塞将在对应进水管内加速运动。
汇流喷管布置在三根进水管出口交汇处。进水管的水流流动至汇流喷管时，加速流出。
控制系统同时连接所有电磁线圈。按照既定程序，依次向电磁线圈通电，可形成连续磁场，推动磁性活塞向一个方向加速运动。同时，也可改变电磁线圈电流方向，形成反向连续磁场，推动磁性活塞向反方向运动。
本实施例的循环电磁射流装置运动原理是控制系统对电磁线圈瞬间放电时，电磁线圈在进水管内产生瞬变强磁场，进而在软磁活塞表面感应出涡流，感应出来的涡流在瞬变磁场中受到洛伦兹力的作用，推动软磁活塞加速运动。经过多极电磁线圈的连续加速，软磁活塞将水流高速推开切换阀板，进而喷出汇流喷管，产生的反向推力，推动水下机器人、船舶等设备行进。
实施例3
在上述实施例的基础上，本实施例公开循环电磁射流装置的控制系统的具体结构。
如图2所示，控制系统包括电源模块，电源模块为微控制单元和依次连接的升压模块、电容充放电模块与线圈功率放大模块充电，微控制单元还连接按键模块和显示模块，控制系统控制连接循环电磁射流装置的所有电磁线圈。
微控制单元可采用单片机、DSP或FPGA实现。负责接收按键输入，输出显示模块需要的驱动信息，控制电容充放电模块的充电或放电，打开或闭合线圈功率放大模块。
升压模块将直流低电压升压至直流高电压。
如图3所示，电容充放电模块的电路包括并联的充放电电容C1与反向设置的二极管D1，升压模块的输出电压VDD给充放电电容C1充电。
如图3所示，线圈功率放大模块的电路为由若干个四个功率开关管组成的H桥构成，H桥的输出接电磁线圈。
按键模块采用急停按键，可发送升压指令、电容充/放电指令和打开/闭合线圈功率放大模块中中对应功率开关管的指令等。
显示模块采用LED显示屏，可显示充放电电容C1两端电压、电磁线圈的通电状态等。
线圈功率放大模块可向电磁线圈正向放电，或者反向放电。
实施例3
一种基于实施例1的循环电磁射流装置的控制方法，包括以下步骤：
S0：设两软磁活塞起始时均位于两根进水管的最左侧；
S1：先将一根进水管中的软磁活塞由左至右输送，使水流推开切换阀板从汇流喷管喷出：
S1.1：通过按键模块发送指令使控制系统对该进水管最左侧电磁线圈正向通电，软磁活塞从左至右穿过最左侧电磁线圈；
S1.2：软磁活塞从左至右穿过最左侧电磁线圈后，立即对S1.1中的电磁线圈断电；
S1.3：按照从左至右的顺序依次对该进水管外的电磁线圈重复S1.1—S1.2中通电/断电的操作，直至软磁活塞到达该进水管的右端；
S2：再将另一根进水管中的软磁活塞由左至右输送，使水流推开切换阀板从汇流喷管喷出，重复上述S1.1—S1.3的操作；
S3：当S1中的软磁活塞到达进水管的右端时，将该进水管的软磁活塞由右至左反推：
S3.1：通过按键模块发送指令使控制系统对该进水管最右侧电磁线圈反向通电，软磁活塞从右至左穿过最右侧电磁线圈；
S3.2：软磁活塞从右至左穿过最右侧电磁线圈后，立即对S3.1中的电磁线圈断电；
S3.3：按照从右至左的顺序依次对该进水管外的电磁线圈重复S3.1—S3.2中反向通电/断电的操作，直至软磁活塞到达该进水管的左端；
S4：当S2中的软磁活塞到达进水管的右端时，将该进水管的软磁活塞由右至左反推，重复上述S3.1—S3.3的操作；
S5：循环上述S1—S4的操作，直至控制系统暂停或关闭。
正向通电为打开电磁线圈对应的线圈功率放大模块中相应H桥的两对角功率开关管(Q1、Q3)，向该电磁线圈施加正向电流；反向通电为打开电磁线圈对应的线圈功率放大模块中相应H桥的另外两对角功率开关管(Q2、Q4)，向该电磁线圈施加反向电流。
实施例4
一种基于实施例2的循环电磁射流装置的控制方法，包括以下步骤：
S0：设三个软磁活塞起始时均位于三根进水管的最左侧；
S1：先将第一根进水管中的软磁活塞由左至右输送，使水流推开切换阀板从汇流喷管喷出：
S1.1：通过按键模块发送指令使控制系统对该进水管最左侧电磁线圈正向通电，软磁活塞从左至右穿过最左侧电磁线圈；
S1.2：软磁活塞从左至右穿过最左侧电磁线圈后，立即对S1.1中的电磁线圈断电；
S1.3：按照从左至右的顺序依次对该进水管外的电磁线圈重复S1.1—S1.2中通电/断电的操作，直至软磁活塞到达该进水管的右端；
S2：将第二根进水管中的软磁活塞由左至右输送，使水流推开切换阀板从汇流喷管喷出，重复上述S1.1—S1.3的操作；
S3：再将第三根进水管中的软磁活塞由左至右输送，使水流推开切换阀板从汇流喷管喷出，重复上述S1.1—S1.3的操作；
S4：当S1中的软磁活塞到达进水管的右端时，将该进水管的软磁活塞由右至左反推：
S4.1：通过按键模块发送指令使控制系统对该进水管最右侧电磁线圈反向通电，软磁活塞从右至左穿过最右侧电磁线圈；
S4.2：软磁活塞从右至左穿过最右侧电磁线圈后，立即对S4.1中的电磁线圈断电；
S4.3：按照从右至左的顺序依次对该进水管外的电磁线圈重复S4.1—S4.2中反向通电/断电的操作，直至软磁活塞到达该进水管的左端；
S5：当S2中的软磁活塞到达进水管的右端时，将该进水管的软磁活塞由右至左反推，重复上述S4.1—S4.3的操作；
S6：当S3中的软磁活塞到达进水管的右端时，将该进水管的软磁活塞由右至左反推，重复上述S4.1—S4.3的操作；
S7：循环上述S1—S6的操作，直至控制系统暂停或关闭。
正向通电为打开电磁线圈对应的线圈功率放大模块中相应H桥的两对角功率开关管(Q1、Q3)，向该电磁线圈施加正向电流；反向通电为打开电磁线圈对应的线圈功率放大模块中相应H桥的另外两对角功率开关管(Q2、Q4)，向该电磁线圈施加反向电流。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种循环电磁射流装置的控制系统，其特征在于，所述控制系统包括电源模块，所述电源模块为微控制单元和依次连接的升压模块、电容充放电模块与线圈功率放大模块充电，所述微控制单元还连接按键模块和显示模块，控制系统控制连接循环电磁射流装置的电磁线圈。
2.根据权利要求1所述的一种循环电磁射流装置的控制系统，其特征在于，所述循环电磁射装置包含两根尾端交汇于汇流喷管的进水管，所述进水管外部分别设置若干电磁线圈、内部分别设置一个软磁活塞。
3.根据权利要求2所述的一种循环电磁射流装置的控制系统，其特征在于，两根所述进水管的尾端交汇处可转动的连接切换阀板的一侧，控制汇流喷管与进水管之间的开通。
4.根据权利要求2所述的一种循环电磁射流装置的控制系统，其特征在于，所述电磁线圈按间隔独立的缠绕在进水管外周。
5.根据权利要求1所述的一种循环电磁射流装置的控制系统，其特征在于，所述微控制单元可采用单片机、DSP或FPGA实现。
6.根据权利要求1所述的一种循环电磁射流装置的控制系统，其特征在于，所述电容充放电模块的电路包括并联的充放电电容与反向设置的二极管，所述升压模块的输出电压给充放电电容充电。
7.根据权利要求1所述的一种循环电磁射流装置的控制系统，其特征在于，所述线圈功率放大模块的电路为由若干个四个功率开关管组成的H桥构成，所述H桥的输出接电磁线圈。
8.根据权利要求1所述的一种循环电磁射流装置的控制系统，其特征在于，所述按键模块发送升压指令、电容充/放电指令和打开/闭合线圈功率放大模块中对应功率开关管的指令。
9.一种基于上述权利要求1-8任一一项所述控制系统的循环电磁射流装置控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S0：设两软磁活塞起始时均位于两根进水管的最左侧；
S1：先将一根进水管中的软磁活塞由左至右输送，使水流推开切换阀板从汇流喷管喷出：
S1.1：通过按键模块发送指令使控制系统对该进水管最左侧电磁线圈正向通电，软磁活塞从左至右穿过最左侧电磁线圈；
S1.2：软磁活塞从左至右穿过最左侧电磁线圈后，立即对S1.1中的电磁线圈断电；
S1.3：按照从左至右的顺序依次对该进水管外的电磁线圈重复S1.1—S1.2中通电/断电的操作，直至软磁活塞到达该进水管的右端；
S2：再将另一根进水管中的软磁活塞由左至右输送，使水流推开切换阀板从汇流喷管喷出，重复上述S1.1—S1.3的操作；
S3：当S1中的软磁活塞到达进水管的右端时，将该进水管的软磁活塞由右至左反推：
S3.1：通过按键模块发送指令使控制系统对该进水管最右侧电磁线圈反向通电，软磁活塞从右至左穿过最右侧电磁线圈；
S3.2：软磁活塞从右至左穿过最右侧电磁线圈后，立即对S3.1中的电磁线圈断电；
S3.3：按照从右至左的顺序依次对该进水管外的电磁线圈重复S3.1—S3.2中反向通电/断电的操作，直至软磁活塞到达该进水管的左端；
S4：当S2中的软磁活塞到达进水管的右端时，将该进水管的软磁活塞由右至左反推，重复上述S3.1—S3.3的操作；
S5：循环上述S1—S4的操作，直至控制系统暂停或关闭。
10.根据权利要求9所述的循环电磁射流装置控制方法，其特征在于，所述正向通电为打开电磁线圈对应的线圈功率放大模块中相应H桥的两对角功率开关管，向该电磁线圈施加正向电流；所述反向通电为打开电磁线圈对应的线圈功率放大模块中相应H桥的另外两对角功率开关管，向该电磁线圈施加反向电流。
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