CN204594329U - 小钢球电磁弹射系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种小钢球电磁弹射系统，该系统包括小球、轨道、加速线圈、传感器、充电电路、放电电路和控制电路，所述小球、传感器和加速线圈放置在轨道上，所述控制电路与充电电路连接，所述放电电路分别与放电电路、控制电路和加速线圈连接，所述控制系统与加速线圈连接。所述加速线圈和放电电路为两组，充电电路和控制电路分别与两组加速线圈和放电电路连接。所述加速线圈采用漆包线绕制，480匝，内阻10欧姆，两线圈的间距为44cm。所述小球采用铁质的实芯的金属球，直径2cm。所述放电电路的可控硅连接用于驱动可控硅的高速继电器来驱动。本系统具有精确的射程，可变的多级射程以及发射的瞬间提速的有益效果。

Description

小钢球电磁弹射系统

技术领域

本实用新型涉及小钢球电磁弹射系统，特别涉及一种以通电线圈产生磁场磁化小铁球，产生强烈的吸引力，实现对小钢球的电磁加速的系统

背景技术

随着科学技术的进步,目前的小规模发射装置已不能满足人们对发射能力的更高要求。精确的射程，可变的多级射程以及发射的瞬间提速已经成为人们的新需求。而早先的电磁加速技术摩擦力大，结构复杂，且需要推进设备；驱动电源技术一致性较差，小球的弹射速度难以达到要求；开关切换技术开关速度不够好。处理控制技术比较复杂，且有较高的成本。因此，提供一种方便快捷、操作简单、成本低廉、性能卓越的设备成为亟待解决的重要技术问题。例如中国专利CN201220566703，调节了发射角度的问题，但忽视了电磁加速精准性。在发射不够精准的情况下，没法实现精准的角度调试。例如中国专利CN202501798U，是一种电磁管炮和轨道炮结合的线圈加速式电磁轨道炮，其电磁炮初始加速度由可控硅的触发端通过按钮控制，但是其充电截止电压和发射电压均不可控，导致其发射距离无法精确控制。

发明内容

根据以上现有技术的不足，本实用新型提出小钢球电磁弹射系统，解决了现有技术中处理控制技术比较复杂，且有较高的成本的技术问题，本系统精确的射程，可变的多级射程以及发射的瞬间提速。

本实用新型的技术方案为：一种小钢球电磁弹射系统，该系统包括小球、轨道、加速线圈、传感器、充电电路、放电电路和控制电路，所述小球、传感器和加速线圈放置在轨道上，所述控制电路与充电电路连接，所述放电电路分别与放电电路、控制电路和加速线圈连接，所述控制系统与加速线圈连接。所述加速线圈和放电电路为两组，充电电路和控制电路分别与两组加速线圈和放电电路连接。所述加速线圈采用漆包线绕制，480匝，内阻10欧姆，两线圈的间距为44cm。所述小球采用铁质的实芯的金属球，直径2cm，重量32.67g。所述放电电路的可控硅连接用于驱动可控硅的高速继电器来驱动。所述传感器光电传感器，传感器为两个，两传感器的间距为31cm。

本实用新型有如下积极效果:本实用新型系统以MCS51单片机作为主控，通过读取布置在轨道上的光电传感器，获取小球的移动位置，从而通过单片机控制可控硅导通，依次接通和关闭布置在轨道上的两个线圈电源，实现对小钢球的不断加速。系统采用中断方式，有效提高时间的控制精度，经过反复测试。本实用新型工作稳定；加速小球落点受发球点影响明显；加速小球落点受小球材质影响较大；充放电电压变化对小球落地影响较小。本实用新型采用速度更快的单片机，提高控制精度；采用更多的光电传感器，一方面测量小球的运动速度，另一方面可以控制线圈电流的精确开关时间；开关直接使用可控硅，提高开关速度，且解决了系统在强电磁场下的电磁兼容问题。本实用新型通过选择同类产品集成度和可靠性较高的电子元器件，同时经过精心的布局，有效的减少了单片机控制的电磁加速器体积，同时提高了其安全性与可靠性。本实用新型的优点是精确的射程，可变的多级射程以及发射的瞬间提速：布局合理、安全性高、方便快捷、操作简单、成本低廉、性能卓越，弥补了以往电磁加速器结构复杂，充电截止电压和发射电压均不可控，导致其发射距离无法精确控制的不足。

附图说明

图1是本实用新型的系统结构图；

图2是本实用新型的小球受力随距离变化仿真结果图；

图3是本实用新型的充电电路图；

图4是本实用新型的放电电路图；

图5是本实用新型的继电器驱动可控硅控制电路图；

图6是本实用新型的升压电路图；

图7是本实用新型的控制流程图。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，本实用新型的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本实用新型的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

小球：采用铁质的实芯的金属球，具有铁磁性特点，直径2cm，重量约32.67g。

加速线圈：采用漆包线绕制，480匝，内阻10欧姆左右，两线圈的间距为44cm。

放电电路：采用了导通电流为35A的可控硅TPS1600，但由于可控硅的控制电流要求较高，单片机不能直接驱动，同时由于是高压、大电流工作，单片机直接驱动可控硅会产生强烈的电磁干扰，电磁兼容难以实现，本实用新型在可控硅前加了一个小型高速继电器来驱动可控硅，即二次驱动方案，这有效解决了电磁兼容问题。

充电电路：在普通加速情况下，充电采用220V交流电整流后，对4个并联的、耐压为480V、电容560μF进行充电，充电电压达到320V，放电电流在30A左右，之所以采用并联是为了提高放电时间，使得放电的τ＝22.4ms，满足加速的时间。在进行打靶时，为了有更高的射击精度，因此需要达到更高的充电电压，产生更大的瞬时磁场，此时采用升压电路，使得充电电压达到750V，充电电容采用2个串联为一组，用6组并联来实现更高的充电电压和更大的放电电流。

传感器电路：传感器采用光电传感器实现，在轨道上布置2个光电传感器，以有效实现对实验中对小球速度的测量和放电电路的准确控制，两传感器的间距为31cm。

控制电路：控制电路采用51单片机最小系统来实现，它一方面读取小球通过光电传感器的时间，另一个作用就是控制第二个线圈的接通放电时间。

一、理论分析与设计

1.磁场力计算公式的推导

知道载流导体和导磁材料在磁场中会受到力的作用，把这种力的作用称为磁场力。经典电磁理论认为，导磁材料在磁场中所受的力可归结为分子电流所受的力。小铁球在磁场中被磁化后，内部存在磁化电流，材料表而存在表而磁化电流，其磁化电流体密度和表面磁化电流面密度分别为

等效的体磁化电流和面磁化电流分别为：

J_m＝▽×M  (1)

J_sm＝M×n  (2)

其中，M为介质磁化强度，n是介质表面的外法向矢量。则磁场对小铁球的作用力为：

式中B为磁感应强度。对于各向同性介质有：

F＝∫∫∫_V[(▽×M)×B]dv  (4)

又小铁球在外加磁场作用下，产生的磁化强度为

$M=\frac{{\mathrm{\μ}}_r-1}{{\mathrm{\μ}}_r{\mathrm{\μ}}_0}B---\left(5\right)$

μ₀为真空磁导率，μ_r为小铁球的相对磁导率，通常对铁磁性材料μ_r＞＞1。将式(5)代入(4)，并利用下式

经过化简得，

假设忽略小球后面的磁场，且小球前面磁场均匀，则

r₀为小球的半径，由毕奥-萨伐尔定律，通电的圆形线圈在其轴线上产生的磁感应强度为：

$B\left(r\right)=\frac{{\mathrm{\μ}}_0\mathrm{NI}{a}^2}{2{(a^2+r^2)}^{3/2}}{e}_r---\left(9\right)$

式中a为线圈的半径，r为离线圈口面的垂直距离，μ₀为真空磁导率，N为线圈的圈数，I为线圈的流过的电流，e_r表示磁场沿轴线方向。将(9)式代入(8)，化简得

$F\≈\frac{1}{2{\mathrm{\μ}}_0}\frac{{\left({\mathrm{\μ}}_0\mathrm{NI}{a}^2\right)}^2}{4{(a^2+r^2)}^3}\mathrm{\π}{r}_0^2{e}_f=\frac{{\mathrm{\π\μ}}_0{N}^2{I}^2{a}^4{r}_0^2}{8{(a^2+r^2)}^3}{e}_r---\left(10\right)$

采用Matlab对小球受力进行了仿真计算。以线圈半径为a＝0.012米，N＝480圈，小球半径r₀＝0.01米，电流I＝30A，Matlab计算线圈对小球的吸引力随距离的变化情况为如图2所示。

从图中可以看出，距离口面2厘米时，作用力为190.83牛顿，距离为3厘米时，作用力为15.5牛顿，距离为5厘米时，只有0.9567牛顿。以直径2厘米小铁球计算，其质量为

所以在5厘米处获得的加速度为

a＝F/m＝0.9567/0.03267＝29.2837(m/s²)  (11)

在3厘米处获得的加速度为

a＝F/m＝15.5/0.03267＝474.44(m/s²)  (12)

尽管加速度很大，但由于加速的时间非常短暂，只是在线圈前的几厘米范围得到很好的加速。虽然这里的计算有一定的近似性，但为在为达到不同的弹射距离，设置小球的初始位置提供了理论依据。

2.投射速度的计算

小球在1米高的桌面上弹射的距离要能够达到4米以上，因此根据平抛原理，小球空中飞行的时间为

$t=\sqrt{\frac{2h}{g}}=\sqrt{\frac{2\×1}{9.8}}=0.4517s=451.7\mathrm{ms}---\left(13\right)$

因此小球的初速度为

$V_0=\frac{S}{t}=\frac{4}{0.4517}=8.86m/s---\left(14\right)$

考虑到空气阻力和留有一定裕量，设计时以10m/s初速度来设计相关结构和电路。

二、电路与程序设计

1.电路的设计

1.1充电电路设计

充电电路如图3所示，充电电路由大功率整流桥KBPC510对市电220V整流后，对耐压为480V、560μF电容充电。整流后充电电压在324V到331V之间。

1.2放电电路设计

放电电路如图4所示，放电电路通过继电器控制1.5V电池使TPS1600可控硅导通，向串联线圈释放大电流产生瞬间磁场。

1.3控制电路设计

控制电路由最小系统MCU，光电传感器和继电器和可控硅电路组成。采用MCS51单片机完成相关控制功能。

考虑到单片机输出电流不足以驱动可控硅的导通，同时也考虑高压强电流下可控硅会产生对控制器电路的强烈干扰，因此在控制器与可控硅之间增加了小型电池驱动的继电器，进一步驱动可控硅的导通。经实践结果证明，在布局合理的前提下使用继电器控制小电流导通可控硅未受强电影响。采用继电器驱动可控硅控制电路如图5所示。

1.4升压电路设计

升压电路是为打靶专门设计的，具体如图6所示。为完成精确打靶，则要求瞬间磁场提供更大的加速度，才能保证弹道在3米处下降较小，从而有更高的射击精度，因此需要达到更高的充电电压，产生更大的瞬时磁场。本课题采用两个高压电容串联后再并联，实现高电压充电，故采用直流升压电路对12V供电电路进行升压，完成升压后的电路电压为750V。经测试，加速后的小球速度达到25m/s。

2.程序的设计

2.1程序功能描述与设计思路

接受光电传感器的检测结果信号并跟据两传感器的检测结果来判断小球到达相对二级线圈适当加速距离的时间并开启二级线圈。

为了避免单片机执行主函数程序存在的延时，提高控制精度。将两传感器的信号接收设为下降沿触发外部中断0和外部中断1，并由定时器0计时。传感器间距31cm，小球若要完成两米定点则在距离二级4cm位置加速。

2.2程序流程图

控制程序的流程图如图7所示。

三、测试方案与测试结果

1.测试方案

1.1硬件测试

在硬件测试部分，主要有四个部分组成，分别是整流模块测试，电磁弹射模块测试，放电模块测试，控制模块测试。

根据系统搭建的次序，检测次序依次从整流到放电，再到电磁弹射，最后是控制模块。

整流模块的输入端有400W灯泡串入，可为电路检测做简单视觉指示。经过镇流后被充电的电容电压应有相应变化，通过万用表测量电容两端电压值也可以直观检测出电路是否正常工作。

放电模块必须直接通过电容对线圈放电来验证功能。分别测量放电前的电容电压值和放电后的电容电压值，比较两结果来得出放电电路是否正常工作。同时也可以将小球置于线圈附近观察是否被吸入来视觉指示。这样，电磁弹射模块与放电模块一并同时检测。

控制模块主要是由最小系统、传感器、控制继电器组成。对控制模块的测量部分检测以光电传感器为主。光电传感器能否稳定检测到透明管内运动的小球是关键。将电路接通后，用通条抵住小球使其从光电门前移动，观察光电传感器的检测指示灯是否点亮，并根据观察结果不断调试传感器的测量距离及强度。直到保证小球以任何方式通过可以被稳定检测到。

1.2硬件软件联调

硬件软件联调，主要分为以下两个部分。

第一部分是程序控制单个光电门实现简单功能，使单片机在接收到单个光电传感器的信号时，通过控制继电器来实现对线圈的通断电。

第二部分是结合两个光电门实现高级测试功能。一方面实现在调试过程中对小球速度的测量，另一方面是在同时控制两级加速中依据测得小球的速度控制二级电路加速时间，即控制小球加速点。

2.测试条件与仪器

测试条件：影响电路正常工作的主要条件为外部光照，光电传感器在不同的光照环境下检测效果不同。考虑测试场地为自然光照场地，故选取光照较好的地段测试。

测试仪器：万用表，卷尺，三角尺。

3.测试结果及分析

3.1测试结果

对系统性能进行了测试，具体测试结果如表一所示。

设计的电磁加速器要求金属小球首先处于静止状态，当启动加速电路后金属小球应能运动，并在脱离轨道运动后，准确感知小球在轨道内的位置，实现对小球的可控加速及定点投射，设计还要求金属小球能够击中距离轨道终端指定距离的靶心；

设计的电磁加速器要求第一只金属小球首先处于静止状态，当启动加速电路后金属小球应能运动，并在接近轨道终端时，击中放置在轨道终端处第二只金属小球，此时要求第一只金属小球静止与轨道终端，第二只金属小球被抛射。

表一基本要求二与发挥要求三定点测试

表二发挥要求二打靶测试

3.2测试分析与结论

根据上述测试数据，本组所设计的电磁式加速器在充电电压325-326V时，采用非光滑小球、光滑小球在距加速器2.5cm左右能定点4m落点；在充电325V光滑小球在距加速器2.7cm可定点2m落点。经升压后的充放电电路测试可加速在3m内保持9cm下降高度。由此可以得出以下结论：(1)该线圈电磁加速器工作稳定；(2)加速小球落点受发球点影响明显；(3)加速小球落点受小球材质影响较大；(4)充放电电压变化对小球落地影响较小。

本实用新型以通电线圈产生磁场磁化小铁球，产生强烈的吸引力，实现对小钢球的电磁加速的系统设计。系统以MCS51单片机作为主控，通过读取布置在轨道上的光电传感器，获取小球的移动位置，从而通过单片机控制可控硅导通，依次接通和关闭布置在轨道上的两个线圈电源，实现对小钢球的不断加速。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种小钢球电磁弹射系统，其特征在于,该系统包括小球、轨道、加速线圈、传感器、充电电路、放电电路和控制电路，所述小球、传感器和加速线圈放置在轨道上，所述控制电路与充电电路连接，所述放电电路分别与放电电路、控制电路和加速线圈连接，所述控制系统与加速线圈连接。

2.根据权利要求1所述的小钢球电磁弹射系统，其特征在于，所述加速线圈和放电电路为两组，充电电路和控制电路分别与两组加速线圈和放电电路连接。

3.根据权利要求2所述的小钢球电磁弹射系统，其特征在于，所述加速线圈采用漆包线绕制，480匝，内阻10欧姆，两线圈的间距为44cm。

4.根据权利要求1所述的小钢球电磁弹射系统，其特征在于，所述小球采用铁质的实芯的金属球，直径2cm，重量32.67g。

5.根据权利要求1所述的小钢球电磁弹射系统，其特征在于，所述放电电路的可控硅连接用于驱动可控硅的高速继电器来驱动。

6.根据权利要求1所述的小钢球电磁弹射系统，其特征在于，所述传感器光电传感器，传感器为两个，两传感器的间距为31cm。

7.根据权利要求1所述的小钢球电磁弹射系统，其特征在于，所述控制电路包括最小系统、传感器、控制继电器。