電磁軌道發(fā)射系統(tǒng)電樞膛內(nèi)速度實(shí)時(shí)檢測(cè)方法研究

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(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第二十七研究所，鄭州 450047；2.華中科技大學(xué) 強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074)

0 引言

電樞出口速度的穩(wěn)定性是電磁軌道發(fā)射系統(tǒng)的關(guān)鍵性能指標(biāo)[1]。電磁發(fā)射試驗(yàn)過程中對(duì)電樞進(jìn)行實(shí)時(shí)速度檢測(cè)并實(shí)施反饋控制是提高這一關(guān)鍵指標(biāo)的有效方法[2]。對(duì)電樞運(yùn)動(dòng)速度實(shí)施反饋的前提是對(duì)電樞的膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量[3]。

從20世紀(jì)60年代起，B探針在等離子體內(nèi)部磁場(chǎng)測(cè)量等大電流設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。1986年，Bauer等在電磁發(fā)射實(shí)驗(yàn)中將測(cè)得的B探針信號(hào)表示成位移有關(guān)的常微分方程，結(jié)合電流波形測(cè)得了連續(xù)的電樞位置和速度[4]。目前對(duì)電樞在膛內(nèi)的運(yùn)動(dòng)速度的測(cè)量方法一般采用在發(fā)射器中預(yù)埋B探針，利用模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片對(duì)B探針的感應(yīng)電壓波形進(jìn)行采樣，通過算數(shù)運(yùn)算計(jì)算出電樞經(jīng)過B探針的時(shí)刻，最后計(jì)算出電樞的速度[5]。這種方法必須得到電樞膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)的全部有效信息后，才能通過數(shù)字信號(hào)分析處理得出電樞的運(yùn)動(dòng)速度，不是對(duì)電樞速度的實(shí)時(shí)檢測(cè)，不能滿足電樞速度閉環(huán)控制的需求[6]。

本文采用差分式B探針作為電樞在發(fā)射器膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)速度檢測(cè)的傳感器，運(yùn)用運(yùn)算放大器、電壓比較器以及門電路組成實(shí)時(shí)檢測(cè)模塊和脈寬比較模塊，提取電樞經(jīng)過B探針的時(shí)刻并實(shí)時(shí)判斷電樞速度是否達(dá)到所設(shè)定的閾值。整個(gè)處理過程延時(shí)不超過2微秒，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電樞運(yùn)動(dòng)速度的實(shí)時(shí)檢測(cè)，可作為電磁軌道發(fā)射電樞速度反饋控制決策的依據(jù)。

1 差分B探針工作原理

B探針是由纏繞在絕緣材質(zhì)骨架上的銅漆包線支撐，是較小的導(dǎo)體環(huán)線圈。線圈和支撐桿組成一個(gè)B探針裝置。由于被測(cè)磁場(chǎng)變化，該線圈內(nèi)的磁通會(huì)產(chǎn)生變化，從而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，即該感應(yīng)電壓與通過線圈的磁通變化率成正比[7-8]。B探針根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理工作，磁場(chǎng)隨電樞運(yùn)動(dòng)而向前擴(kuò)展，變化的磁場(chǎng)在B探針中感應(yīng)出變化信號(hào)，因此B探針信號(hào)的變化特征能夠反映出電樞的位置。其感應(yīng)電壓[9]遵循式(1)所示：

(1)

其中:V是線圈兩端感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，Ф是通過線圈的磁通，A是線圈的面積，n是線圈的匝數(shù)。其原理如圖1所示。

圖1 B探針的工作原理圖

差分磁探針組件包括印制板骨架和差分磁探針，如圖2所示。每一個(gè)差分磁探針包括兩個(gè)磁探針和印制板骨架，印制板骨架分為若干布線層，通過印制板印刷工藝在多個(gè)布線層上繞制兩個(gè)多匝線圈，而且兩個(gè)磁探針的繞線方向相反。

圖2 單個(gè)差分磁探針組件組成圖

將差分探針?biāo)桨惭b在電磁炮導(dǎo)軌面正上方，如圖3所示。當(dāng)電樞經(jīng)過差分探針的幾何中心時(shí)對(duì)應(yīng)的感應(yīng)電壓過零，以此作為電樞到達(dá)該位置的標(biāo)志，通過間距已知的一組差分探針來確定電樞的速度。這種差分探針的方法可以有效排除電磁干擾等對(duì)輸出波形的影響，得到良好的波形，從而達(dá)到良好的測(cè)速效果，可用于單軌或多軌增強(qiáng)型電磁軌道炮。

圖3 差分式B探針在軌道炮的安裝位置

在電樞移動(dòng)的過程中，假設(shè)電樞速度相對(duì)于差分探針兩個(gè)線圈的值很大，感應(yīng)過程中的電流視為恒定值，則軌道的電流和電樞的電流由于電樞位置的變動(dòng)都會(huì)在兩個(gè)線圈內(nèi)產(chǎn)生磁通的變化，進(jìn)而感應(yīng)出電壓[10]，將兩個(gè)線圈的電壓反向串聯(lián)并輸出到示波器，得到差分電壓的波形。通過理論推導(dǎo)及仿真分析得到差分探針感應(yīng)電壓波形如圖4所示。

圖4 差分探針感應(yīng)電壓波形圖

圖4中的x軸表示電樞位置，y軸表示電樞經(jīng)過該探針時(shí)的感應(yīng)差分電壓。在x=0位置，即電樞經(jīng)過差分探針兩個(gè)線圈的物理中心點(diǎn)時(shí)，y軸差分電壓值為0?？梢詸z測(cè)上升沿過零點(diǎn)和最大值至最小值過零點(diǎn)兩種方法來判斷電樞是否經(jīng)過探針，本文為了能夠快速檢測(cè)并反饋電樞狀態(tài)，采用檢測(cè)上升沿過零點(diǎn)來判斷電樞是否經(jīng)過該探針位置。因此檢測(cè)輸出電壓從過零點(diǎn)到最大值，這個(gè)過零點(diǎn)時(shí)刻即為電樞經(jīng)過探針時(shí)刻。沿著軌道面上方隔一定距離布置一系列的差分探針時(shí)，就可以得到電樞運(yùn)動(dòng)速度并得到其速度變化情況。通過差分方法消除了干擾磁場(chǎng)信號(hào)，使得信號(hào)的特征點(diǎn)更為清晰和明確，解決了發(fā)射器膛內(nèi)速度測(cè)量精度差、特征點(diǎn)不明顯等問題。

2 膛內(nèi)速度實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

膛內(nèi)速度實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)由序列差分式B探針線圈、實(shí)時(shí)檢測(cè)模塊以及脈寬比較模塊三部分構(gòu)成，組成示意圖如圖5所示。

圖5 膛內(nèi)速度實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)組成圖

差分式B探針線圈放置于電磁軌道發(fā)射器的預(yù)留位置，當(dāng)電樞到達(dá)該線圈所在位置時(shí)，線圈上感生出電壓信號(hào)通過屏蔽線傳輸?shù)缴仙剡^零點(diǎn)實(shí)時(shí)檢測(cè)模塊；上升沿過零點(diǎn)實(shí)時(shí)檢測(cè)模塊對(duì)線圈感應(yīng)電壓波形進(jìn)行放大、變換、壓縮后輸入到脈寬比較電路；脈寬比較電路將兩路B探針之間的時(shí)間差與設(shè)定的時(shí)間進(jìn)行比較，如果B探針時(shí)間差小于設(shè)定時(shí)間，則輸出觸發(fā)脈沖。

2.1 序列差分式磁探針線圈設(shè)計(jì)

序列差分式磁探針線圈放置于發(fā)射器預(yù)留位置，該位置相距一般為0.1～0.2 m，位置示意如圖5所示。B探針長(zhǎng)度可根據(jù)發(fā)射器進(jìn)行調(diào)整，原則上盡可能接近發(fā)射器中心位置。探針插入發(fā)射器的測(cè)量孔內(nèi)，其底座部分通過BNC連接器與發(fā)射器固連，避免發(fā)射器沖擊振動(dòng)對(duì)設(shè)備造成影響。B探針線圈由漆包線繞制而成，線圈接頭通過雙絞線的方式引入骨架內(nèi)孔，并經(jīng)由套管內(nèi)的細(xì)孔連結(jié)至接線端子，線圈骨架及套管采用絕緣性能良好的四氟材料。

電磁發(fā)射過程中的電磁場(chǎng)很強(qiáng)，所以B探針線圈可以做到很小。在線圈設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量減小線圈的尺寸，以減小對(duì)發(fā)射器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度造成的影響。為了正確測(cè)試變化的磁場(chǎng)，B探針線圈設(shè)計(jì)應(yīng)該從以下4個(gè)方面的因素進(jìn)行綜合考慮：

1)B探針的分布密度直接影響了速度變化曲線的精度。由于B探針采用位移與時(shí)間的比值測(cè)得平均速度，所以B探針的密度越高，速度測(cè)量的精度越好；

2)B探針信號(hào)采集設(shè)備采樣速率越高，對(duì)峰值時(shí)刻或過零點(diǎn)時(shí)刻采樣的準(zhǔn)確度越高，計(jì)算所得的速度值誤差越??；

3)B探針尺寸要盡量小，使其空間分辨率更高，同時(shí)不影響發(fā)射器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；

4)B探針靈敏度要足夠高，即要求線圈匝數(shù)多，線圈截面積大，從而速度曲線的波峰越陡，以利于快速檢測(cè)。

2.2 實(shí)時(shí)檢測(cè)模塊

本文采用B探針感應(yīng)電壓的上升沿過零點(diǎn)實(shí)時(shí)檢測(cè)，包括兩級(jí)信號(hào)放大電路、波形變換電路和脈寬壓縮電路。

2.2.1 兩級(jí)信號(hào)放大電路

信號(hào)放大電路將B探針感應(yīng)到的信號(hào)幅值進(jìn)行放大，根據(jù)前端B探針感應(yīng)幅值及后端處理電路輸入來確定放大倍數(shù)，本文采用兩級(jí)放大，由放大器A1和A2組成，放大器采用低噪聲快速運(yùn)放THS4551，THS4551是美國(guó)德州儀器公司的新型快速放大器，具有低失真、高斜率、低噪聲和超過2 GHz的增益帶寬積。該電路的放大倍數(shù)由(R3/R2)×(R6/R5)決定，本文采用放大倍數(shù)k=10。兩級(jí)信號(hào)放大電路如圖6所示，第一運(yùn)算放大器A1對(duì)差分B探針感應(yīng)電壓Vin進(jìn)行反向比例放大。第二運(yùn)算放大器處于飽和放大狀態(tài)，第二運(yùn)算放大器的輸出信號(hào)為F2。

圖6 兩級(jí)信號(hào)放大電路

2.2.2 波形變換電路

波形變換電路通過比較器將正弦波變換為脈沖信號(hào)，以便后續(xù)電路準(zhǔn)確檢測(cè)波形上升沿。波形變換電路如圖7所示。第一級(jí)變換電路為負(fù)電壓比較電路，由比較器L1和反向器N1組成。比較器采用LM311，該比較器是一款靈活性較高的電壓比較器，能工作于5 V到30 V的寬電壓范圍，此靈活性使之可以驅(qū)動(dòng)DTL、RTL、TTL或CMOS等邏輯電路。比較器L1的反相輸入端為圖6放大器A2的輸出F2，L1的同相輸入端為負(fù)比較電壓，本文取-1.5 V；L1的輸出信號(hào)接反相器N1，N1的輸出信號(hào)為F2-PFPY。第二級(jí)變換電路為正電壓比較電路，由比較器L2和反向器N2組成。比較器L2的正相輸入端為圖6放大器A2的輸出F2，L2的反相輸入端為正比較電壓，本文取1.5 V；L2的輸出信號(hào)接反相器N2，N2的輸出信號(hào)為F2+PFPY。比較器L2的輸出F2+P預(yù)留到下一步脈寬壓縮電路使用。

此模塊分別輸出兩個(gè)方波F2+PFPY和F2-PFPY。F2+PFPY在差分B探針信號(hào)小于1.5 V時(shí)為高電平，在差分B探針信號(hào)大于1.5 V時(shí)為低電平。F2-PFPY在差分B探針信號(hào)大于-1.5 V時(shí)為高電平，在差分B探針信號(hào)小于-1.5 V時(shí)為低電平。

圖7 波形變換電路

2.2.3 脈寬壓縮電路

脈寬壓縮電路將波形變換電路所得到的脈沖信號(hào)進(jìn)一步壓縮，以免后續(xù)脈寬比較模塊的輸入出現(xiàn)重疊波形的情況。脈寬壓縮電路如圖8所示，由RS觸發(fā)器R1和異或門電路XOR1組成。RS觸發(fā)器采用三態(tài)RS觸發(fā)器集成電路CD4044B，該電路在使能狀態(tài)下，低電平觸發(fā)有效。F2+PFPY與F2-PFPY分別作為R1的S端和R端的輸入信號(hào)，R1的輸出為F2PULSE。F2PULSE在差分B探針電壓小于0時(shí)為高電平，在差分B探針電壓大于0時(shí)為低電平。

圖8 脈寬壓縮電路

異或門XOR1的兩個(gè)輸入信號(hào)分別為F2+P、F2PULSE，F(xiàn)2+P在差分B探針感應(yīng)電壓小于零時(shí)為高電平，在差分B探針電壓大于零時(shí)為低電平。異或門XOR1的輸出為Speedpulse。差分B探針電壓大于零而小于1.5 V/10時(shí)Speedpulse為高電平，其他時(shí)刻Speedpulse為零。Speedpulse的上升沿時(shí)刻與差分B探針的上升沿過零點(diǎn)時(shí)刻相同，1.5 V/10越小，Speedpulse的脈沖寬度越小。

2.3 脈寬比較電路

在兩路差分B探針距離一定的情況下，速度與電樞通過兩路探針的時(shí)間差呈反比。假設(shè)彈丸達(dá)到速度閾值時(shí)，彈丸經(jīng)過兩路探針的時(shí)間差為Δt0，如果彈丸經(jīng)過兩路探針的時(shí)間差t大于Δt0，則速度小于閾值；如果彈丸經(jīng)過兩路探針的時(shí)間差t小于Δt0，則速度大于閾值。

脈寬比較電路圖如圖9所示，由或門OR1、計(jì)數(shù)器JS、異或門XOR2和與門AND1組成。計(jì)數(shù)器JS采用CD74HCT4020，該計(jì)數(shù)器是14態(tài)脈沖計(jì)數(shù)器，能夠快速靈活地對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。脈寬比較電路的處理邏輯為假設(shè)兩路差分B探針上升沿過零點(diǎn)檢測(cè)模塊的輸出信號(hào)分別為脈沖A，脈沖B。脈沖A，脈沖B分別為或門OR1的輸入信號(hào)，OR1的輸出信號(hào)為脈沖C，脈沖C的前后兩個(gè)上升沿分別與脈沖A和脈沖B的上升沿時(shí)刻一致。脈沖C為二進(jìn)制計(jì)數(shù)器JS的輸入，JS會(huì)在脈沖的上升沿時(shí)刻發(fā)生狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，則二進(jìn)制計(jì)數(shù)器的輸出脈沖E的脈寬為彈丸經(jīng)過兩路差分B探針的時(shí)間差。

圖9 脈寬比較電路圖

標(biāo)準(zhǔn)脈沖REF的脈寬為Δt0，脈沖E與標(biāo)準(zhǔn)脈沖REF作為異或門XOR2的輸入信號(hào)，XOR2的輸出信號(hào)為脈沖F，F(xiàn)與REF作為與門AND1的輸入信號(hào)，AND1的輸出為信號(hào)G。

當(dāng)脈沖E的脈寬比脈沖REF的脈寬大時(shí)，信號(hào)G會(huì)一直維持低電平狀態(tài)，代表彈丸運(yùn)行速度沒有超過閾值，時(shí)序如圖10所示。

當(dāng)脈沖E的脈寬比脈沖REF的脈寬小時(shí)，信號(hào)G會(huì)在t2時(shí)刻輸出一個(gè)上升沿脈沖，代表彈丸運(yùn)行速度已經(jīng)超過閾值。第二與門AND2的輸出信號(hào)G可作為反饋環(huán)節(jié)的觸發(fā)信號(hào)，時(shí)序如圖11所示。

圖10 電樞速度未達(dá)到設(shè)定值時(shí)序圖 圖11 電樞速度達(dá)到設(shè)定值時(shí)序圖

2.4 延遲時(shí)間分析

由上述可知，整個(gè)處理電路由2級(jí)放大電路、1級(jí)比較電路、1級(jí)反向門電路、1級(jí)RS觸發(fā)電路、2級(jí)異或門電路、1級(jí)或門電路、1級(jí)計(jì)數(shù)器電路和1級(jí)與門電路組成。各種門電路的典型延遲時(shí)間如表1所示。可知整個(gè)處理電路的延遲時(shí)間為1.149 s。假設(shè)電樞速度為2000 m/s，那么在反饋延遲時(shí)間內(nèi)電樞僅行進(jìn)了2.3 mm，滿足實(shí)時(shí)控制的要求。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

按照本文圖5搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，采用4通道泰克示波器MSO3034采集各個(gè)節(jié)點(diǎn)波形，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖12～14所示。

表1 門電路典型延遲時(shí)間

圖12中，CH1為差分式B探針原始感應(yīng)電壓波形，波形接近于正弦波，幅值為1.2 V；CH2是經(jīng)過放大電路的B探針感應(yīng)電壓波形，幅值為12 V；CH3為波形變換電路輸出波形，通過比較器將正弦波變換為矩形波脈沖；CH4為脈寬壓縮電路輸出波形，進(jìn)一步壓縮波形以避免脈沖重疊現(xiàn)象發(fā)生。從圖中可以看出，所設(shè)計(jì)的電路能夠有效進(jìn)行上升沿過零實(shí)時(shí)檢測(cè)。

圖13 波形比較電路輸出波形圖

圖12 放大電路/波形變換/脈寬壓縮電路輸出波形圖

圖13中，CH1為脈寬壓縮電路輸出波形，對(duì)應(yīng)圖11中的波形C，即序列B探針感應(yīng)電壓的過零點(diǎn)時(shí)刻脈沖；CH2為脈寬比較電路JS計(jì)數(shù)器的輸出，對(duì)應(yīng)圖11和圖12中的波形E，即相鄰兩個(gè)B探針過零點(diǎn)時(shí)刻差值；CH3為輸入?yún)⒖济}寬，對(duì)應(yīng)圖11和圖12中的波形REF，可根據(jù)速度控制情況自行設(shè)定；CH4為輸出觸發(fā)電路，對(duì)應(yīng)圖12中的波形G，該輸出可作為速度實(shí)時(shí)控制電路的輸入。該結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的電路能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)速度并輸出觸發(fā)脈沖給控制電路。

圖14中，CH1為差分式B探針原始感應(yīng)電壓波形，CH2為輸出觸發(fā)波形。經(jīng)過放大，可以看出B探針原始波形的過零點(diǎn)到輸出觸發(fā)波形的上升沿之間時(shí)間差，即延遲時(shí)間差為1.14 μs，與計(jì)算值相一致。

圖14 延遲時(shí)間波形圖

4 結(jié)論

1)分析了序列差分式B探針工作原理并給出了初步設(shè)計(jì)。這種差分探針的方法可以有效排除電磁干擾等對(duì)輸出波形的影響，得到良好的波形，從而達(dá)到良好的測(cè)速效果，可用于單軌或多軌增強(qiáng)型電磁軌道發(fā)射裝置。

2)采用運(yùn)算放大器、電壓比較器、門電路構(gòu)成的實(shí)時(shí)檢測(cè)模塊和脈寬比較模塊來檢測(cè)電樞的運(yùn)動(dòng)速度并判斷是否達(dá)到所設(shè)定的閾值，延遲時(shí)間不超過2 μs。

3)本文采用的過零點(diǎn)實(shí)時(shí)檢測(cè)模塊的輸出脈沖為窄脈沖，且脈寬可調(diào)，即使多個(gè)B探針密集布置，也不會(huì)發(fā)生輸出脈沖重疊的情況，有利于對(duì)彈丸在膛內(nèi)的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行多點(diǎn)連續(xù)監(jiān)控。

4)本文采取較多的模擬電路實(shí)現(xiàn)了電樞運(yùn)動(dòng)速度的實(shí)時(shí)檢測(cè)。為了提高整體電路的擴(kuò)展性，后續(xù)考慮在保證延遲時(shí)間的基礎(chǔ)上，采用以FPGA為核心的可編程硬件電路來實(shí)現(xiàn)電磁軌道發(fā)射系統(tǒng)電樞膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)速度的實(shí)時(shí)檢測(cè)。