王代興，彭春雨

(安徽大學(xué)電子信息工程學(xué)院，安徽　合肥　230601)

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便攜式電磁炮電源的設(shè)計(jì)

王代興，彭春雨

(安徽大學(xué)電子信息工程學(xué)院，安徽合肥230601)

摘要：利用電磁感應(yīng)線圈炮的原理制造小型化的便攜式電磁炮，該電磁炮具備集成化、可連續(xù)發(fā)射、自動(dòng)充電等特點(diǎn)。與傳統(tǒng)的電磁炮設(shè)計(jì)相比，本設(shè)計(jì)采用18650型鋰電池和ZVS逆變器升壓取代市電作為電源，為便攜提供了基礎(chǔ)。同時(shí)，采用金屬傳感器，避免了光電傳感器對(duì)紅外光、顏色、距離、反光程度的敏感的缺點(diǎn)，使得精度得到極大的提高。此外，炮彈在加速過程中采用三級(jí)加速原理，每一級(jí)均由單片機(jī)控制，利用金屬傳感器探測(cè)子彈的位置并進(jìn)行單片機(jī)控制電容的放電時(shí)間，從而準(zhǔn)確的控制加速時(shí)間，達(dá)到能量轉(zhuǎn)換的最大效率。

關(guān)鍵詞：電磁炮；ZVS電路；金屬傳感器；單片機(jī)

各國(guó)軍備競(jìng)賽中積極研究新型武器，老式火炮由于造價(jià)高、發(fā)射成本高、藥彈質(zhì)量和炮管要求高以及理論速度限制，導(dǎo)致老式的火炮無(wú)法滿足現(xiàn)今的技術(shù)革新，而且當(dāng)今的裝甲材料日新月異，這也大大增加了研究新式火炮的必要性[1]。電磁炮有著不受聲速限制，速度和射程都優(yōu)于傳統(tǒng)的火炮[2]，所以電磁炮的研究受到各國(guó)的重視。電磁炮的諸多優(yōu)點(diǎn)無(wú)疑讓它成為武器研究中的主角[3]。2010年12月12日，在美國(guó)海軍試射中，電磁炮以音速5倍的極速，擊向200公里外目標(biāo)，射程為海軍常規(guī)武器的10倍，且破壞力驚人，是至今試射的最佳成績(jī)。美軍目標(biāo)在8年內(nèi)進(jìn)行海上實(shí)測(cè)，并于2025年前正式配備于軍艦上[4]。2014年10月24日英國(guó)航空航天系統(tǒng)公司發(fā)表聲明：電磁軌道炮在今后數(shù)年將不會(huì)僅為美國(guó)海軍所用。但現(xiàn)階段由于電磁炮的基座較大較笨重，且瞬間需大量的能量，所以不能像現(xiàn)在的火炮一樣可以隨意的移動(dòng)和安裝。本文通過改進(jìn)電磁炮的電源裝置達(dá)到電磁炮像現(xiàn)階段火炮一樣可以攜帶和安裝的效果。由于涉及到人身安全，所以在制作過程中對(duì)電磁炮的威力進(jìn)行了限制。

1原理分析

其中：

螺線管磁場(chǎng)的空間分布成馬鞍形(見圖1)。

炮彈在炮管里所受摩擦力與磁場(chǎng)產(chǎn)生的作用力相比十分微小可以忽略不計(jì)，即炮彈在水平方向上只受螺線管對(duì)其的拉力F。所用炮彈為鐵磁質(zhì)材料，屬于強(qiáng)磁性介質(zhì)順磁材料，磁化率xm?0。所以炮彈形成的磁場(chǎng)與螺線管形成的磁場(chǎng)方向相同，等效為兩個(gè)異性磁鐵相互吸引產(chǎn)生引力F[5]237：

M為磁化強(qiáng)度，則

僅在水平x軸方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)炮彈的作用有效，即：

由此可見，當(dāng)炮彈通過螺線管中心后，炮彈的受力方向與運(yùn)動(dòng)方向相反，產(chǎn)生向后的拉力導(dǎo)致速度減小，因此在炮彈經(jīng)過螺線管中心后必須切斷電容放電。若不考慮LC電路中能量損耗，則儲(chǔ)存在電容內(nèi)的能量全部轉(zhuǎn)化成炮彈的動(dòng)能。每一級(jí)加速有四個(gè)680 μf耐壓值為450 V的電容并聯(lián)，電容的實(shí)際充電電壓為400 V左右，電容儲(chǔ)能[5]65為

根據(jù)動(dòng)能定理，則有

2設(shè)計(jì)和改進(jìn)過程

2.1　電源部分

現(xiàn)階段電磁炮設(shè)計(jì)通常采用220 V的市電或者利用市電經(jīng)變壓后做為電源。雖市電電量充足容易獲取，但是在要求電磁炮可移動(dòng)、可攜帶的場(chǎng)合，這種電源就暴露了它的不足。除此之外市電經(jīng)過整流后其電壓的值大約為300 V，在電容不變的情況下，電磁炮的儲(chǔ)能與電壓的二次方成正比，即相對(duì)來說采用市電做電源，電磁炮的儲(chǔ)能降低。

通過對(duì)電源進(jìn)行改進(jìn)達(dá)到在儲(chǔ)能不變的情況下，體積和重量大大縮小，且適合攜帶。電源采用18650型號(hào)的鋰電池，其放電電壓為3.7 V，放電電流可達(dá)2 400 mA。根據(jù)18650電池的參數(shù)，在3.7 V電壓放電且輸出2 400 mA電流可工作1小時(shí)。

鋰電池與市電主要關(guān)注點(diǎn)之間的對(duì)比如表1所示。由于電磁炮內(nèi)部電路包含金屬傳感器及主控電路模塊，且金屬傳感器與主控電路分別使用12 V直流電和4.5V～5.5 V的直流電。這些電壓在無(wú)其它電路的基礎(chǔ)上，市電是無(wú)法直接提供的。同時(shí)，市電具有較大的危險(xiǎn)性，相比之下，鋰電池有著較大的優(yōu)越之處。

表1　18650鋰電池與市電對(duì)比

除此之外18650鋰電池還具備其他優(yōu)點(diǎn)，如正常使用可循環(huán)1 000次以上；具備短路保護(hù)、過流保護(hù)、過壓保護(hù)、電池反接保護(hù)功能；過沖過放都不會(huì)造成爆炸、漏液，并且能夠大倍率的充、放電，充電電流在2倍標(biāo)稱容量和放電電流在10倍標(biāo)稱容量時(shí)，不會(huì)發(fā)生發(fā)燙、爆炸、漏液的現(xiàn)象并且不會(huì)影響壽命。

與普通鋰電池相比，18650型鋰電池能量密度比普通鋰電池高30%；單元的排列方式安全性更高，熱失控下不影響其他電池源；成本也更低[6]。與市電相比，18650鋰電池的工作溫度在-20 ℃到50 ℃之間，與人體舒適溫度相當(dāng)。綜合以上優(yōu)點(diǎn)，采用18650型號(hào)鋰電池比市電更安全、便捷。

2.2　ZVS升壓電路

單節(jié)電池的輸出電壓只有3.7 V，采用4節(jié)電池串聯(lián)的方法可使電池的實(shí)際輸出電壓達(dá)到14左右。由于電容的儲(chǔ)能與電壓的平方成正比，且電容兩端的耐壓值為450 V，所以可以采用加大充電電壓的方法來提高電容的能量。本設(shè)計(jì)采用ZVS逆變器電路來達(dá)到升壓的目的(見圖2)。

ZVS逆變器本質(zhì)為振蕩器，此振蕩器是一個(gè)零電壓開關(guān)電路(zero-voltage switching ZVS)，這意味著MOS管將在其兩端電壓為零時(shí)關(guān)斷，因此開關(guān)損耗可以降到最低，效率更高。MOS管在承受應(yīng)力比較低的時(shí)候進(jìn)行開關(guān)動(dòng)作，因此不再需要像硬開關(guān)變換器那樣使用巨大散熱器。

1) 上電時(shí)L1通入的電流為零，電源通過R1、R2，Q1、Q 2導(dǎo)通，L1電流逐漸增加，由于兩個(gè)開關(guān)管特性差異，將導(dǎo)致流入兩個(gè)開關(guān)管的電流不同，假設(shè)Q1電流大于Q2電流，T1將產(chǎn)生b為正，a為負(fù)的感應(yīng)電壓，于是通過T1形成正反饋，使Q1導(dǎo)通，Q2截止。完成啟動(dòng)過程過程。

2) 由穩(wěn)態(tài)Q1導(dǎo)通時(shí)(t0～t1時(shí)間)，由于上個(gè)周期T1電流為a到c，并且C 1兩端電壓為零(見圖3)。由于電流不能突變，T1電流將對(duì)C1充電，C1逐漸為a負(fù)c正的電壓，并且正弦變大，T1電流正弦變小。此時(shí)a電壓被Q1下拉到0V，所以C點(diǎn)電壓正弦變大，Q1柵極電壓被D3穩(wěn)壓管鉗位，Q1時(shí)鐘保持導(dǎo)通。

3) 當(dāng)T1中電流下降為零(t1時(shí)間)，其能量全部釋放到C1，此時(shí)C1電壓達(dá)到最大值。

4) C1開始通過T1由c到a放電(t1～t2時(shí)間)，C1電壓即c點(diǎn)電壓正弦變小，T1電流由c到a正弦變大。

5) 當(dāng)C1能力基本放完時(shí)(t2時(shí)間)，c點(diǎn)電壓下降到MOS管閥值電壓左右，將通過D2使Q1進(jìn)入放大區(qū)。此時(shí)C1對(duì)T1繞組由c到a放電電流達(dá)到最大值。同時(shí)由于Q1進(jìn)入放大區(qū)，a點(diǎn)電壓逐漸上升，同時(shí)通過D1使Q2也進(jìn)入放大區(qū)。

6) C1放電完畢(t2時(shí)間)，T1繞組由c到a電流達(dá)到最大值，將像C 1充電，使C1充電為a正c負(fù)的電壓，同時(shí)C1兩端電壓正弦變大。此時(shí)兩個(gè)MOS管同時(shí)進(jìn)入放大區(qū)。

7) 由于T1對(duì)C1的持續(xù)充電，C1上電壓為a正c負(fù)，通過兩個(gè)二極管使Q2柵極電壓升高，Q1柵極逐漸下降，同時(shí)正反饋形成，Q2導(dǎo)通，Q1截止。

8) Q2導(dǎo)通與Q1導(dǎo)通過程類似。L1電感值比T1大，整個(gè)震蕩周期中L1電流基本不變。震蕩過程中L1持續(xù)為L(zhǎng)C振蕩器補(bǔ)充電能。

為了防止本電路從電源拉取巨大的峰值電流而損壞，增加了L1在變壓器抽頭處和V+之間作為緩沖。LC阻抗限制著實(shí)際的電流(L1只是減少峰值電流，因?yàn)殡姼杏欣m(xù)流作用)。

由于電容具有通交流、阻直流的特性，所以在對(duì)電容充電的過程中必須使用直流電。將450 V交流電轉(zhuǎn)換成直流電，可以采用橋式整流電路。交流電整流過后不含有負(fù)值電壓，經(jīng)電容濾波后電壓值穩(wěn)定在450 V，實(shí)際測(cè)量的值為400 V左右，并且由測(cè)量可以看出，電容電壓隨時(shí)間上升最終穩(wěn)定在400 V左右，比市電有很大幅度的提高，從而各級(jí)的電容存儲(chǔ)能量也顯著提高。

2.3　傳感器改進(jìn)

與傳統(tǒng)的光電傳感器不同的是采用電感式接近型金屬傳感器來檢測(cè)跑彈的位置。電感式接近型金屬傳感器由高頻振蕩、檢波、放大、觸發(fā)及輸出電路等組成(見圖4)。振蕩器在傳感器檢測(cè)面產(chǎn)生一個(gè)交變電磁場(chǎng)，當(dāng)金屬物體接近傳感器檢測(cè)面時(shí)，金屬中產(chǎn)生渦流。這個(gè)渦流反作用于接近開關(guān)，使振蕩減弱停振[7]。振蕩器振蕩及停振這二種狀態(tài)，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)整形放大轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制開關(guān)信號(hào)，經(jīng)功率放大后輸出。信號(hào)經(jīng)單片機(jī)檢測(cè)后，進(jìn)行控制電路的開端。

金屬傳感器可以接10~30 V的電壓，四節(jié)鋰電池的串聯(lián)電壓在14 V左右，金屬傳感器可直接并聯(lián)在電池組兩端。

表2　金屬傳感器與光電比較

金屬傳感器和光電傳感器以每50次檢測(cè)為基數(shù)在不同環(huán)境中檢測(cè)合格的平均值如表2所示，炮彈的顏色、表面光滑程度和外界光強(qiáng)度對(duì)金屬傳感器的影響較小，但對(duì)光電傳感器的影響較大。當(dāng)炮彈顏色、粗糙程度和外界變化時(shí)傳感器的靈敏度也相應(yīng)的變化，當(dāng)炮彈的為黑色有強(qiáng)光照射并且表面不光滑時(shí)，光電對(duì)管的靈敏度大大下降。但是電磁炮的使用環(huán)境是不確定的，手動(dòng)調(diào)節(jié)光電對(duì)管，過程復(fù)雜程度高，并且準(zhǔn)確度低。

除此之外，反射式光電開關(guān)的紅外發(fā)射管的電流在2～10 mA之間時(shí)發(fā)光強(qiáng)度與電流的線性最佳，若電流太大紅外發(fā)射管的光衰時(shí)間增長(zhǎng)，影響工作壽命；在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮這點(diǎn)安裝焊接時(shí)，反射式光電開關(guān)的引腳根部與焊盤的最小距離不得小于5 mm，否則焊接時(shí)易損壞管芯，或引起管芯性能的變化，焊接時(shí)間應(yīng)小于4 s。而金屬傳感器側(cè)面全部屏蔽強(qiáng)力抗電磁干擾，在線圈產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)依然能夠正常工作；采用電感式設(shè)計(jì)，適用于檢測(cè)鐵、不銹鋼、銅、鋁、鋅等金屬物體并且自帶短路保護(hù)、過載保護(hù)、反極性保護(hù)，多重保護(hù)安全放心，工作壽命大于1 000萬(wàn)次。

相對(duì)來說金屬傳感器是量產(chǎn)化的集成模塊，不需要人為的進(jìn)行調(diào)節(jié)也不會(huì)產(chǎn)生焊接過程的誤差，所以金屬傳感器是最佳選擇。

2.4　控制部分

主控芯片采用STC89C52單片機(jī)，供電電源采用四節(jié)1.5 V干電池，給單片機(jī)供電時(shí)串聯(lián)1N4007二極管。1N4007二極管導(dǎo)通壓降為1.0，這樣單片機(jī)電壓可達(dá)到5.0 V左右，此電壓下單片機(jī)可正常工作。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖5所示，干電池可用于觸發(fā)可控硅。可控硅開關(guān)控制采用繼電器當(dāng)做開關(guān)，繼電器與單片機(jī)相連，通過單片機(jī)來控制繼電器開斷。除第一級(jí)采用人為觸發(fā)外，二三級(jí)采用金屬檢測(cè)器檢測(cè)炮彈軌跡用單片機(jī)觸發(fā)。

圖5系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

當(dāng)啟動(dòng)電磁炮和打開保險(xiǎn)開關(guān)時(shí)電磁炮自動(dòng)進(jìn)行充電；手動(dòng)裝填炮彈；按下發(fā)射按鈕，炮彈一級(jí)加速；傳感器檢測(cè)炮彈位置，進(jìn)行二級(jí)加速；傳感器檢測(cè)炮彈位置，進(jìn)行三級(jí)加速；自動(dòng)進(jìn)行充電并裝填炮彈(見圖6)。

在炮彈發(fā)射過程中單片機(jī)一直檢測(cè)傳感器信號(hào)，當(dāng)金屬材質(zhì)炮彈經(jīng)過傳感器時(shí)，由于金屬炮彈影響傳感器內(nèi)部電路導(dǎo)致傳感器輸出端有高低電平變化。單片機(jī)對(duì)傳感器電壓進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)電壓變化時(shí)認(rèn)為炮彈經(jīng)過，由此控制線圈放電。并且持續(xù)檢測(cè)炮彈位置，當(dāng)炮彈經(jīng)過線圈中點(diǎn)時(shí)停止放電。經(jīng)過第三極時(shí)重復(fù)上述過程。并且在發(fā)射完成后自動(dòng)充電準(zhǔn)備下一次發(fā)射。

3測(cè)試結(jié)果及誤差分析

3.1　單級(jí)線圈的作用力及炮彈速度

炮彈在軌道內(nèi)的受力過程及速度變化如圖7所示，炮彈在加速過程中受力先增加后減小(見圖7a)，甚至出現(xiàn)反向作用力。原因是螺線管的磁場(chǎng)分布為馬鞍形，當(dāng)炮彈經(jīng)過螺線管的中點(diǎn)時(shí)磁場(chǎng)對(duì)距離的導(dǎo)數(shù)為負(fù)值，在炮彈上的作用力與炮彈的運(yùn)動(dòng)方向相反。所以當(dāng)炮彈經(jīng)過螺線管的中點(diǎn)時(shí)必須切斷電容放電，盡量減小螺線管的反拉作用，保持炮彈在螺線管的前半部分加速運(yùn)動(dòng)，防止炮彈經(jīng)過中點(diǎn)后出現(xiàn)的減速運(yùn)動(dòng)(見圖7b)。

3.2　數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表3所示，各級(jí)加速過程中的電容存儲(chǔ)能量相同。炮彈逐級(jí)經(jīng)過螺線管時(shí)能量和速度均逐漸增加，但是能量的轉(zhuǎn)化率卻逐級(jí)的降低。炮彈經(jīng)螺線管多級(jí)加速，速度逐級(jí)增加。當(dāng)炮彈經(jīng)過螺線管的前半部分的時(shí)間在減小，當(dāng)螺線管到達(dá)中點(diǎn)時(shí)螺線管的放電量在減小。所以多級(jí)加速時(shí)，放電量逐級(jí)減小轉(zhuǎn)化效率逐級(jí)減小。

表3　三級(jí)加速過程的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

3.3　誤差分析

1) 選用的炮彈與炮管不能理想貼合，導(dǎo)致不能完全的磁耦合，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)換效率的降低。

2) 炮彈的材質(zhì)選為鐵磁質(zhì)材質(zhì)，炮彈內(nèi)的金屬組成對(duì)磁場(chǎng)作用力的大小有影響。

3) 炮管內(nèi)不是光滑的，炮彈發(fā)射過程中受到摩擦力和空氣阻力。

4) 在多級(jí)加速中，隨著速度的增加，炮彈經(jīng)過線圈的時(shí)間變小。當(dāng)速度較大時(shí)，通過線圈時(shí)LC放電回路并未放完電，從而產(chǎn)生反拉的力導(dǎo)致速度減小。

5) 炮彈的初始位置對(duì)磁場(chǎng)耦合有很大的影響。試驗(yàn)中采用3 cm的炮彈，當(dāng)炮彈深入線圈1 cm時(shí)效果最佳[9-10]。

4結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)現(xiàn)今電磁炮的電源、傳感器方面的改進(jìn)，在電源方面簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)的市電，采用了大容量的鋰電池和ZVS升壓系統(tǒng)；傳感器方面采用金屬傳感器從而避免了外界環(huán)境對(duì)傳感器的影響。除此之外，加入單片機(jī)控制系統(tǒng)，通過程序控制炮彈的精確加速。從測(cè)試結(jié)果可以看出，電磁炮的能量轉(zhuǎn)化的效率很低。其中，電容的儲(chǔ)能、炮彈與線圈的耦合以及速度過快與加速時(shí)間變短的矛盾都是轉(zhuǎn)化效率遍地的原因。在提高轉(zhuǎn)化效率后電磁炮的速度將大大增加并且使用的方面更加廣泛。

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9-31.

(責(zé)任編輯：何學(xué)華，吳曉紅)

Design of Power Supply for Portable Electromagnetic Guns

WANG Dai-xing, PENG Chun-yu

(School of Electronics and Information Engineering, Anhui University, Hefei Anhui 230601, China)

Abstract:The principle of electromagnetic induction coil gun was used to manufacture small portable electromagnetic gun, which has the characteristics of integration, continuous emission and automatic charging.Compared with the traditional design of electromagnetic gun, this design is improved by using type 18650 lithium battery and by voltage boosting with inverter ZVS, instead of commercial electricity to supply power, which provides the portable basis. At the same time, the metal sensor was utilized to avoid the shortcomings of photoelectric sensor from sensitivity to infrared light, color, distance, and reflective degree, so that the accuracy is greatly improved. In addition, in the process of the shells acceleration the three-level acceleration principle was adopted, in which each level is controlled by single-chip microcomputer, and position of the bullet is detected by metal sensor and the discharge time of capacitor is controlled by the single-chip microcomputer, thus the acceleration time is accurately controlled to achieve the maximum efficiency of energy conversion.

Key words:electromagnetic guns; ZVS circuit; metal sensor; MCU

作者簡(jiǎn)介：王代興(1992-)，男，河北滄州人，在讀學(xué)士，研究方向：微電子集成電路。

基金項(xiàng)目：安徽省教育廳高校自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 ( KJ2013A006).

收稿日期：2015-03-01

中圖分類號(hào)：TJ866

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-1098(2015)04-0034-06