电磁轨道炮信号控制处理系统的研究

第26卷第9期　　　　　　华　中　理　工　大　学　学　报　　　　　　　Vol.26　No.91998年　9月　　　　　　　J.HuazhongUniv.ofSci.&Tech.　　　　　　　Sep.　1998

电磁轨道炮信号控制处理系统的研究

秦实宏　邹积岩　何俊隹　扈志宏

(华中理工大学电力工程系)

摘　要　对电磁轨道炮实验系统信号控制与采集进行了描述.利用开关型光耦和线性光耦等元件,进行了信号系统和计算机控制系统隔离与传输的研究.采用BorlandC++W和VB语言开发了具有Windows界面特点的软件系统应用集成平台.

关键词　电磁轨道炮;信号控制;数据采集;光隔;软件集成平台分类号　TJ3;TP273

　　在电磁轨道炮的实验研究中,有许多要控制和采集的信号.在本实验过程中,控制信号有8路,数据的采集处理有8路.系统的控制信号是通过带有光隔的16路I/O输入输出PC总线卡实现的,数据的采集由8位、8通道、256kRAM、8M晶振PC总线A/D卡(采样速度为2󰀁s)来完成.本信号控制处理系统用BorlandaC++W[1]编制DLL动态库文件实现信号的控制与采样.实验过程的控制、实验数据的分析及结果的存取和输出是通过软件系统平台所提供的菜单及相应的控制按钮键来完成的.该软件系统应用平台具有Windows[2]界面的特点,操作灵活方便.

电磁轨道炮信号控制处理的研究,为进一步

研究弹丸在膛内的运动速度、轨道电流和等离子体电枢电流的分布、等离子体电枢电弧长度及电枢与轨道的相互作用、轨道电极材料的烧蚀等研究工作提供了实用的基础工具.

1　实验装置、信号分析及控制处理

1.1　实验原理

图1为实验系统的原理示意图.

电磁轨道炮是利用等离子体电枢作媒介,将电能转化为弹丸动能的新型发射装置.炮膛由上下导电轨道和两侧的绝缘子组成,并固定在基座上.其原理可用直线电机模型来描述.构成导电回

图1　实验原理、信号控制与采集系统示意图

收稿日期:1998-04-13.

秦实宏,男,19年生,博士研究生;武汉,华中理工大学电力工程系(430074).76　　　　　　　　　　　　　　　　华　中　理　工　大　学　学　报　　　　　　　　　　　　　1998年

路的各连接部分(连接母排、上下导电轨道和等离子体电枢)分别受到电动力和Lorentz力的作用,使整个回路向外扩张.实际的结构中导电回路有三边是固定的,而等离子体电枢是没有固定的.固定的上下导电轨道相当于电机的定子.等离子体电枢受轨道电流磁场作用力的方向是沿轨道轴线的,因此等离体电枢作直线运动.等离子电枢运动的前方被弹丸挡住,当等离子体电枢受力向前运动时,弹丸在轨道内被加速,获得一定的出口速度.这种发射装置有许多优点,如加速的能量可以控制、被加速的物体可以达到极高的速度等.图1中,由计算机发出控制信号D3,导通触发控制回路1中的可控硅SCR1,使触发开关1接通,于是弹丸在前级炮里被预加速,经过时间t(一般在若干ms,由软件延时控制)后,计算机发出控制信号D6,导通触发控制回路2中的可控硅SCR2,使触发开关2接通,等离子体电枢开始工作,弹丸在主炮被加速.

1.2　信号分析及控制处理

控制信号的可靠性,特别是控制两触发开关的可控硅,不能出现误动作和触发不可靠的情形;由于实验是在高压大电流条件下进行的,各种信号都是通过所使用的板卡与计算机相连,信号系统与计算机系统的隔离是关键.因此必须采用相应的隔离措施.本实验系统除用UPS给计算机供电外,还采用光隔等措施,保证了实验系统的控制信号和采集信号与计算机系统没有直接电的联系.

1.2.1　控制信号

控制信号用16位I/O卡(带光隔,开关量输入/输出)来实现.共用了8路输出,其中轨道电流的测量用罗柯夫斯基线圈.其电子积分器用了I/O卡的D7位作为电子开关,来控制电子积分器,测量时电子开关处于分的状态,测量前处于合的状态,以达到抑制电子积分器零点漂移的目的.A/D卡的外触发输出用了I/O卡的D8位,作为电子开关来控制A/D卡的外触发输入.两个触发控制开关的触发控制电路各需3路.

图2为触发控制回路1的原理电路,其中K1和K2分别为电容C1和C2的手动充电开关,T为手动触发控制按钮,PT为高压脉冲变压器,Da为整流桥,R为充电电阻,Db和Dc为高压硅堆.继电器J1和J2分别受I/O卡的D1位和D2位的输出信号控制.可控硅SCR1由I/O卡的D3位来控制.触发开关2的触发控制电路与图2基本相同.

可控硅SCR2的触发信号由I/O卡的D6位来图2　触发开关1的触发控制电路

控制,触发时间比SCR1延时t(ms).时间t由前级炮将弹丸注入主炮的时间确定,通过软件来实现延时,该信号控制系统软件延时的精度为1.38󰀁s.

1.2.2　信号采集

为了研究等离体电枢电弧能量、弹丸在膛内的运动速度、等离子体电枢电弧的长度、等离子体电枢电流和轨道电流的分布等与轨道烧蚀的关系,以及测量弹丸的出膛速度等,信号控制处理系统利用8位256kRAM8通道的A/D卡(单通道采样速度为0.25󰀁s,8通道时,每通道为2󰀁s),分别用以下测量器件进行相应信号的测量与采集:外积分方式罗柯夫斯基线圈用于对轨道电流的测量;一系列B-dot磁探针测量元件用于对轨道电流、

电枢电流及弹丸在膛内

运动速度的测量.在距轨图3　轨道轴截面与探针道轴线中心垂直平面25mm处(如图3所示),沿轨道轴线方向放置了9

位置示意图1—轨道电极,2—磁探针

3—轨道绝缘子

个B-dot磁探针(在图1里,探针的实际空间位置比在图3中反映得更为清楚).图3中探针轴线垂直于炮膛轴线,用于对轨道电流的测量.当探针轴线平行于炮膛轴线时,用于测量等离子体电枢的电流.通过对探针信号进行分析和数学变换处理,可以得到弹丸在轨道内的运动速度、等离子体电枢电弧在轨道内的长度以及轨道电流和等离子体电枢电流的分布等信息.分别用分压器和钨丝门开关采集炮口电弧电压和弹丸的出膛速度.1.2.3　可控硅的可靠控制、信号系统与计算机系

统的隔离

实验系统中触发开关的触发是由可控硅控制的.I/O卡每一位输出的最后一级采用开关管驱动,当开关管处在断开状态时,由于I/O卡开关管漏电流过大,容易使可控硅误触发.另外高频脉冲干扰也是可控硅误触发的原因,对此采取了相第9期　　　　　　　　　　秦实宏等:电磁轨道炮信号控制处理系统的研究　　　　　　　　　　　　　77

应的措施保证可控硅触发可靠.通过采用与电源系统没有电接触的传感器和光耦器件等,完全实现了信号系统与计算机系统的隔离.罗柯夫斯基线圈和B-dot探针为与电源系统无接触的传感器件,用于A/D卡外触发的开关型光耦和用于炮口电弧电压测量的线性光耦器件等也均有优良的隔离与绝缘性能.

前级炮0.8ms.该图是通过使用软件应用平台进行数据采集后,直接用菜单中的打印命令打印的结果.

3　实验结果与讨论

实验证明本文介绍的实验系统控制可靠,完全实现了信号系统与计算机系统的隔离,保证了高压大电流实验条件下设备的安全.通过软件延时的方法,实现了主炮的触发时刻可控,延过时间控制精度为1.38󰀁s.所开发的具有Windows界面的软件系统应用平台具有模块化和集成化的特点.除通过菜单上的按钮键能对实验过程中的控制信号直接操作外,还具有多通道记忆示波器的特点.通过模块的扩充,可以满足对多路信号的控制和数据采集的要求.

参

考

文

献

2　软件系统应用集成平台的开发

W和VB语言开发了具有

Windows界面特点的软件系统应用平台.主程序通过调用DLL动态数据库实现A/D卡的数据采集和I/O卡各位输出的控制.该平台功能强.按下主控界面上的按钮键,即可进入下一级操作界面或实现按钮键所要实现的相应功能.通过系统软件平台既能实现控制信号的操作,又能进行实验数据分析、存取、实验结果的屏幕显示和打印.图4为主炮和前级炮触发时间控制图,主炮延时

使用BorlandC

++

1　周志国,洪定明.BorlandC++ObjectWindows程序设

计实例.北京:北京航空航天大学出版社,1995.2　康奈尔C.VisualBasic4.0forWindows95手册.黄玲

隹译.北京:科学出版社,1996.　　　　

图4　主炮(b)、前级炮(a)触发时间

AStudyofSignalControlandDataAcquiringSystem

oftheElectromagneticRailgun

QinShihong　ZouJiyian　HeJunjia　HuZhihong

Abstract　Thesignalcontrolanddataacquisitionoftherailgunexperimentalsystemareintroduced.Astudyismadeofisolatingandconnectingofthesignalsystemfromandtothecomputercontrolsys-temusingphotoelectroniccoupledandlinearisolationswitches.TheintegratedsoftwareplatformcharacterizedbytheWindowsinterfacearedeveloped.Theexperimentalprocedurecontrolling,datarecording,resultsanalyzingandoutputting,aswellasdatasavingcanbecarriedoutontheplatform.Keywords　electromagneticrailgun;signalcontrol;dataacquisition;photoelectronicisolation;soft-wareintegratedplatform

QinShihong　DoctoralCandidate;Dept.ofElec.PowerEng.,HUST,Wuhan430074,China.