解释一下标题:
一个仅依靠开关延时(时序)控制的、无传感器的磁阻炮,在理想条件下取得标准出速。通过适当地调整时序,弹丸速度能够在有限扰动(如加速度、电压偏差、容量偏差、温度变化)的情况下自动地趋近于标准出速。并且适用于单级/多级磁阻炮。
1. 背景
采用时序控制方案的磁阻炮在论坛内并不罕见,如网友vcasm[1]、天蓝[2]的作品。在以往,许多人认为时序控制方案是不稳定的(我算一个...),“微小的速度误差会被逐级放大,级数越多越不稳定”是常见的看法。并且迄今为止,论坛内没有数据充分且可靠、能够证实时序控制方案能够稳定出速的实验/作品。
网友“三水合番”从弹丸位置-受力曲线的角度,给出了“脉波方案采用时序控制能够实现磁阻炮速度负反馈”的结论[3],这是令人振奋的突破。但脉波方案在机械尺寸等方面约束严格,不容易在常见的小口径磁阻炮上应用。
2. 原理
此处试图从“弹丸在每级获得速度增量”的角度来简单分析负反馈的过程。
某单级磁阻炮,给定弹丸、线圈、电路参数,令线圈以固定时序控制开启/关闭。
赋予弹丸不同初速度,使弹丸在线圈放电过程中间时刻与线圈相对位置不同,通过脑补,可绘制相对位置-弹丸速度增量曲线图。
情况①:放电过早或速度过低,放电时弹丸还未解决线圈,故速度增量趋近于0且大于0
情况②:放电时,弹丸处于适当位置,被充分加速,此时速度增量大于0
情况④:弹丸受到反拉,且加速-反拉相抵消,速度不变,此时速度增量=0
......
由于曲线必然连续,显然在②-④之间,存在一个递减区间。在此区间内,若弹丸初速偏快,则放电时更接近线圈,获得的速度增量变小;反之弹丸初速偏慢,则放电时更远离线圈(更接近动能增量最大的位置),获得的速度增量变大。在区间范围内、且速度修正幅度适当的情况下,输入一组离散程度较高的注入初速,能够获得一组离散程度较小的发射出速。将此称作“速度负反馈特性”。
磁阻炮在发射过程中的速度增量关系无法得出解析解,故使用这样“直观”的推导方法。通过静态情况下的弹丸位置-受力曲线、放电电流波形曲线,使用类似卷积运算的方法,简化后得到伴随着放电电流变化情况下的弹丸位置-受力曲线,也能得到相似的动能增量曲线趋势。
3. 仿真验证
3.1 仿真环境
为验证上述猜测,使用Ansys Maxwell进行瞬态仿真。
坐标系:二维极坐标系,以Z为极轴。
边界条件:极轴:Vector Potential(磁通量=0);其余三个边界:Balloon。
弹丸:Φ8×10mm 实心圆柱弹丸;1010钢;质量4g。
线圈:内径Φ8.8 外径Φ20 高15mm;多级线圈的外部机械尺寸相同;级与级线圈中心间隔16mm。
驱动电路:“半桥”拓扑,90V电容供电,带能量回收,由固定时序触发。“半桥”拓扑介绍同样参见[3]。
使用的线圈简化建模:线圈在仿真中简化为实心矩形截面,设置其内部具有多匝导体,匝数与实际线圈相同,任一匝导体被视为内部电流均匀。 这样的线圈绕组具有与实际线圈接近的电感量,但这样的线圈为无内阻的理想电感,所以在驱动电路中串入电阻以模拟实际线圈。
(此方法为简化建模,已证实仿真中的线圈电感与实际线圈电感接近,涡流造成的影响是否符合实际,尚不明确,望坛友指正)
3.2 注入初速-速度增量曲线
Ansys仿真文件,版本2018.0
Half Bridge.zip
6.18MB
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设定一单级磁阻炮,线圈以固定时序控制,弹丸与线圈中心在t=0时具有30mm间距。
设定线圈绕组具有90匝导体,电路中串入电阻阻值为109.4mΩ。以模拟下述实际线圈,数据来源[4]。
线圈内径 | 线圈外径 | 线圈高度 | 漆包线外径 | 漆包线铜直径 | 层数 | 每层圈数 | 总匝数 | 线圈电感(uH) | 线圈内阻(mOhm) |
8.8 | 19.9 | 15.1 | 0.96 | 0.9 | 6 | 15 | 90 | 54.9 | 109.4 |
线圈由以下电路激励,使用矩形波信号源+压控开关的方式模拟实际使用的开关器件。上桥臂开启时间500-800us,下桥臂开启时间500-820us。图中一些看起来没用的电阻是为了稳定网络电位,软件特性如此。
令弹丸以0-80m/s的初速向线圈方向发射,仿真获得不同初速下的速度增量,绘制曲线如图,与开头的猜想图较为接近。
可见速度增量曲线上存在一段增量大于零的递减区间,即负反馈区间。在此区间内,指定一个标准初速,如32m/s,此时对应速度增量约4m/s。当发生扰动,弹丸注入初速降低,将获得更大的速度增量,从而弥补速度缺失。反之,弹丸初速偏高,获得的速度增量会减少。由此实现弹丸速度的自动负反馈。
负反馈的抗干扰能力是有限的,当扰动过大,初速低于最大速度增量对应的初速时(图中约28m/s),速度偏差将被放大,出现“失步”现象。
速度增量与稳定性不可兼得,比如设定标准初速靠近负反馈区间中间位置时,将获得更好的抗干扰性能,但同时牺牲了加速能力与效率。
3.3 抗干扰能力
Ansys仿真文件(四级磁阻炮),版本2018.0
Half Bridge multistage.zip
1.06MB
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设定某四级磁阻炮,线圈以固定时序控制,验证扰动情况下是否能够保持速度稳定。
四级线圈的参数如下,绕组内导体数量已作对应设置。
级数 | 线圈内径 | 线圈外径 | 线圈高度 | 漆包线外径 | 漆包线铜直径 | 层数 | 每层圈数 | 总匝数 | 线圈电感(uH) | 线圈内阻(mOhm) |
1 | 8.8 | 19.2 | 14.9 | 0.6 | 0.55 | 9 | 23 | 207 | 284 | 649.1 |
2 | 8.8 | 19.6 | 15.2 | 0.8 | 0.74 | 7 | 18 | 126 | 105.4 | 222.6 |
3 | 8.8 | 19.6 | 15.2 | 0.8 | 0.74 | 7 | 18 | 126 | 105.4 | 222.6 |
4 | 8.8 | 19.9 | 15.1 | 0.96 | 0.9 | 6 | 15 | 90 | 54.9 | 109.4 |
电路单元与3.2节相似,每级使用的驱动电路相同,均并联在同一储能电容上,原理图与时序参见下图。其中Stagex_Delay代表本级与上一级的开启时间差,Stagex_On代表本级的上下桥臂同时导通时长,下桥臂会在上桥臂之后20us关断。
外力扰动测试:对弹丸施加+-1500mN的外力,以不施加外力作为对照,保持其余变量不变,获得速度-时间曲线。
可见弹丸经过四级加速后达到了26.5m/s的速度,外力扰动使弹丸速度出现了明显偏差,但被负反馈特性修正,第二级加速尤其明显。1.5N外力会在4g弹丸上产生375m/s2的加速度,在现实中是不容易出现的情况......
此过程中电容电压曲线是这样的,可见"半桥"拓扑的能量回收效果。弹丸运动的影响耦合到了电路中,导致电压曲线有所差异,符合直觉地,受到阻力的情况下消耗了更多能量。
电容容差测试:默认电容容量5000uf,对电容设置20%容差,即对容量4000uf、6000uf两种情况进行测试,保持其余变量不变,获得速度-时间曲线。
可见弹丸速度没有出现明显偏差,容量偏小时,电压下降更快,容易导致“失步”。
磁阻炮常见的扰动包括但不限于:外力、初始位置、初始速度、电容容差、器件发热,造成的影响基本可以等效归结到上述对比测试中。应当理解,小于测试项目扰动的情况,如10%容差,仿真结果将处于包络之中,即小偏差更容易被稳定。
4. 结语
线圈的机械尺寸、电路的拓扑结构、弹丸速度、使用的时序参数等因素均影响负反馈效果,且负反馈的速度修正过多的情况下可能造成级与级之间速度振荡,具体分析待以后补充。
可以作出猜测,以往采用时序控制方案的作品,偶尔出现速度偏差的原因是:系统未工作在负反馈区间、稳定性不足以应对扰动、系统配置与时序不适宜。重新修改时序,也许能重获新生。
从仿真结果来看,负反馈方案的抗干扰能力能够抵御实际环境中的扰动,并且能够在常见线圈尺寸、布局条件下使用。应用在磁阻炮中,能够省去光电传感器,大幅简化工艺、降低成本、提高线圈安装密度。并且通过调整时序、屏蔽加速级,理论上能够实现发射速度的连续调整。
写得比较匆忙,内容有疏漏还请指正XD
参考
[1]vcasm,线圈炮低压方案研究&实验数据,XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/t/59558
[2]天蓝,全自动便携性磁阻式电磁加速器...,XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/t/74018
[3]三水合番,磁阻式电磁炮的脉波加速方案以及一种低成本工程实现,XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/t/81534
[4]Ma3.02的守望 ,磁阻炮用线圈参数选型表...,XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/t/84939
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