电磁炮设计笔记（2019全国大学生电子设计竞赛H题）

全文框架

1.硬件笔记

1.1充放电回路

电容充电电路采用继电器对充电电路部分的通断进行控制，放电电路部分通过70TPS12单向可控硅对电路开关进行控制。由此实现单片机对各部分开关的控制，
D2作用为释放线圈多余能量。
三极管Q1放大输入信号，使其能驱动继电器

1.2 数字电位器电路

数字电位器用于控制ZVS的电压输出大小

芯片资料：（控制程序在后面）

数字电位器选用具有100抽头的X9C503芯片，可调电阻范围为0-50k欧，可以通过单片机调节数字电位器进而对ZVS升压模块输出电压进行控制，电路图如图所示。

1.3 ZVS模块

原理：
它通常被用于产生高频正弦波的场合，电磁炮中这个电路可用于逆变升压，整流后的高压电可以给电容充电。
这里有一个简化版的ZVS，以说明其原理。

当电源电压作用于 V+，电流开始同时通过两侧的初级并施加到 MOS 的漏极（D）上。电压会同时出现在 MOS 的门极（G）上并开始将 MOS 开启。因为没有任何两个元件是完全一样的，一个 MOS 比另一个开的快一些，更多的电流将流过这个 MOS 。通过导通侧初级绕组的电流将另一侧 MOS 的门极电压拉低并开始关断它。图中电容和初级的电感发生 LC 谐振并使电压按正弦规律变化。如果没有这个电容，通过 MOS 的电流会一直增大，直到器件损坏。
假设 Q1 首先开启。当 Z 点电压跟着 LC 谐振的半个周期上升到峰值再回掉时， Y 点电压会接近 0。随着 Z 点电压下降到 0， Q1 的门极（G）电压消失， Q1 关闭。同时 Q2 开启，此时 Y 点电压开始上升。 Q2 的导通把 Z 点电压拉低到接近地，这可以确保 Q1 完全关断。 Q2完成 LC 振荡的半周后会重复同样的过程，此振荡器继续循环工作。为了防止本电路从电源拉取巨大的峰值电流而损坏，增加了 L1 在变压器抽头处和 V+之间作为缓冲。 LC 阻抗限制着实际的电流（L1只是减少峰值电流，因为电感有续流作用）。
此振荡器是一个零电压开关电路（ zero-voltage switching ZVS ），这意味着 MOS 将在其两端电压为零时关断。这对 MOS 有好处，因为它允许 MOS 在承受应力比较低的时候进行开关动作，这意味着不再需要像硬开关变换器那样的巨大散热器。

原理图及器件选型

原理分析：
上电瞬间，假设 Q1 通得多那么一点， T1 的感应电流使 B 点之电动势略高于 A 点，而且 Q2 处于有一点导通的状态，这些条件都是有利于彻底关断 Q2 的，那么 Q2 就关断， Q1 导通，T1 的感应电流彻底把 C1 充成 B+ 、 A- ，
然后，C1 放电完（或者 A 点电位有那么一点点的正），而且 Q1 处于导通状态，马上 Q1 之 G 极通过D4 ， C1， Q1 被拉到相当低的电位而截止， Q2 之 G 极自然被 R4 拉到 5V 而导通，完成了在零电压状态时的切换，然后 T1 的感应电流彻底把 C1 充成 A+ 、 B- ，之后 C1 放电完毕又致 Q1 导通 Q2 截止。如此循环下去。
原理图中器件作用：
1.R1为驱动电阻，阻值较小，用于防止震荡；R2为GS电阻，阻值较大，用于结电容放电，加快开关速度。
2. 稳压二极管将MOS的门极（G）的电压限制在稳压二极管（12V、15V、18V）的击穿电压之内
3. 当一侧MOS导通时，UF4007将另一侧MOS的门极（G）电压拉低
4.谐振部分电容耐压要高，最好选电磁炉电容。
5.mos管耐压要四倍的输入电压以上

2.部分代码（STM32）

2.1 数字电位器控制代码

//片选信号PB6
#define CS_H GPIO_SetBits(GPIOE,GPIO_Pin_4)
#define CS_L GPIO_ResetBits(GPIOE,GPIO_Pin_4)
//方向选择引脚PB7
#define UD_H GPIO_SetBits(GPIOE,GPIO_Pin_5)
#define UD_L GPIO_ResetBits(GPIOE,GPIO_Pin_5)
//脉冲信号引脚PB8
#define INC_H GPIO_SetBits(GPIOE,GPIO_Pin_6)
#define INC_L GPIO_ResetBits(GPIOE,GPIO_Pin_6)/*X9C103初始化*/
void x9c_init(void)
{IO_Init();x9c_dec_step(99);x9c_inc_step(1);
}
/*递增*/
void x9c_inc_step(unsigned char num)
{unsigned char i=0;UD_H;CS_L;for(i=num;i>0;i--){INC_H;delay_us(20);INC_L;delay_us(100);}INC_H;CS_H;
}
/*递减*/
void x9c_dec_step(unsigned char num)
{unsigned char i=0;UD_L;CS_L;for(i=num;i>0;i--){INC_H;delay_us(20);INC_L;delay_us(100);}INC_H;CS_H;
}

2.2舵机控制代码

void setHorizontalAngle(int angle)
{uint32_t compare=0;//if(angle>30) angle=30;//if(angle<-30) angle=-30;if(angle>=0)compare = 1.515*40000/20+(2.48-1.515)*40000*angle/20/135;elsecompare = 1.515*40000/20-(1.515-0.49)*40000*(-angle)/20/135;TIM_SetCompare3(TIM4,compare);
}
void setVerticalAngle(int angle)
{uint32_t compare=0;if(angle>90) angle=90;if(angle<0) angle=0;if(angle>=0)compare = 2.14*40000/20-(2.14-0.57)*40000*angle/20/225;elsecompare = 2.14*40000/20+(2.5-2.14)*40000*(-angle)/20/45;TIM_SetCompare4(TIM4,compare);
}
void Servo_Reset(void)
{setHorizontalAngle(0);setVerticalAngle(42);
}void Servo_cruise(){uint16_t delta = 2574;uint8_t dir = 0;setHorizontalAngle(-30);USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);while(1){TIM_SetCompare3(TIM4, delta);if(dir==0){if(x_pos<-2&&x_pos>-5) break;delta += 4;}else if(dir == 1){if(x_pos>2&&x_pos<5) break;delta -= 4;}if(dir==0&&delta>=3445){dir = 1;delay_ms(50);}else if(dir==1&&delta<=2574){dir = 0;delay_ms(50);}delay_ms(5);}USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, DISABLE);
}

2.3 PID控制代码

PID pid_A;
PID pid_B;Float speed1;
Float speed2;
float kp = 0.17/2;// 0.05
float ki = 0.15/2;//0.05
float kd = 0.2/2;
/*float kp = 0.35;
float kd = 0.5;*/
//float kp = 0.000175f;
//float kd = 0.00025f;void PID_init(void){pid_A.exception = 0;pid_A.cur_error = 0;pid_A.last_error = 0;pid_A.last_last_error = 0;pid_A.Kp = kp;pid_A.Ki = ki;pid_A.Kd = kd;pid_A.deltaU = 0;pid_A.U = 0;
}void PID_setException_A(float exception){pid_A.exception = exception;
}
void PID_setException_B(float exception){
}
void PID_cal_A(void){pid_A.cur_error = x_pos - pid_A.exception;pid_A.deltaU = pid_A.Kp*(pid_A.cur_error-pid_A.last_error) + pid_A.Ki*pid_A.cur_error + pid_A.Kd*(pid_A.cur_error-2*pid_A.last_error+pid_A.last_last_error);pid_A.U += pid_A.deltaU;pid_A.last_last_error = pid_A.last_error;pid_A.last_error = pid_A.cur_error;PWM_limitAmp_A();
}
void PID_cal_B(void){
}
void PWM_limitAmp_A(void){if(pid_A.U >= 1000)pid_A.U = 1000;if(pid_A.U <= -1000)pid_A.U = -1000;
}
void PWM_limitAmp_B(void){
}
void PID_setMotor_A(void){TIM_SetCompare3(TIM4, 3000+pid_A.U);
}
void PID_setMotor_B(void){
}

实物图