基于Boost變換器的線圈電磁炮儲能與發(fā)射電路設(shè)計

周航

基于Boost變換器的線圈電磁炮儲能與發(fā)射電路設(shè)計

周航

（武漢理工大學(xué) 信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

基于Boost變換器拓撲結(jié)構(gòu)，結(jié)合線圈電磁炮的充放電回路，給出了一種簡單可控的低壓驅(qū)動線圈炮電路設(shè)計方案。將低壓電源經(jīng)Boost變換器升壓后，直接接加速線圈再經(jīng)IGBT到地，簡化了線圈電磁炮的充放電回路。同時Boost變換器輸出電壓采樣反饋給單片機形成閉環(huán)控制，單片機PI調(diào)節(jié)輸出相應(yīng)PWM信號來改變輸出電壓高低，實現(xiàn)發(fā)射距離可控，改變IGBT的通斷即可控制發(fā)射。同時電路中加入多重保護措施，使整個設(shè)計的安全與可靠性能較高，設(shè)計過程軟硬結(jié)合。

Boost變換器；IGBT；電磁感應(yīng)；線圈電磁炮

1 引言

線圈炮是電磁炮的一種，根據(jù)磁場相互作用原理產(chǎn)生的洛倫茲力將磁性物體彈射出去。比較常見的是先給電容充電，然后對加速線圈放電，瞬間產(chǎn)生的大電流會引起鐵磁體彈丸感應(yīng)磁場的產(chǎn)生，與加速線圈產(chǎn)生的磁場相互作用，從而推動彈丸發(fā)射。因其原理相對簡單，無論是用作教具，還是電子愛好者DIY、競賽實物設(shè)計都會涉及該線圈電磁炮的制作。

然而，市面及網(wǎng)絡(luò)上大多數(shù)簡易電磁炮電路設(shè)計的安全性較低，對高電壓或高電流沒有處理措施。從相關(guān)學(xué)科競賽制作過程中選手選擇的方案來看，大部分僅達到成功發(fā)射的效果，沒有考慮系統(tǒng)整體方案的合理性，比如放電開關(guān)用普通機械開關(guān)或繼電器，導(dǎo)致頻繁損壞開關(guān)觸點，以及采用市電等高壓供電方案等。在保證安全可靠情況下，本設(shè)計提供了一種相對簡單可行的方法。

2 總體方案設(shè)計

為實現(xiàn)電路安全可靠和簡單可行，在低壓供電的情況下首先需要先對電壓進行升壓變換，保證彈丸能夠正常彈射到足夠距離。一般有兩種方案可供選擇：在彈道上加入多級加速線圈；提高發(fā)射時電壓。前者控制較為復(fù)雜，不符合設(shè)計簡單可行的設(shè)計思路。因此，本設(shè)計采用后者，將提供的低壓經(jīng)DC-DC升壓變換后再用于發(fā)射。

為保證炮彈發(fā)射位置穩(wěn)定，需要使Boost變換器輸出電壓能穩(wěn)定，因此需要加入輸出反饋形成閉環(huán)控制。反饋有硬件反饋和軟件反饋兩種方式。常見的用于硬件反饋的器件UC3824，實現(xiàn)過程原理較復(fù)雜。軟件反饋是指用單片機AD采樣輸出電壓與設(shè)定電壓比較，來改變輸出PWM信號占空比。能夠充分發(fā)揮軟件的優(yōu)勢，相比于硬件反饋更方便靈活。因此選用后者。

線圈炮實現(xiàn)可控一般有兩種途徑：調(diào)整炮管仰角，但仰角精度控制對硬件平臺要求較高；改變彈丸初速度。本設(shè)計采用后者，實現(xiàn)起來相對容易。通過單片機控制電壓大小來改變彈丸初速度，降低了硬件成本，后期通過實測來擬合關(guān)系曲線，實現(xiàn)精確控制。

根據(jù)方案設(shè)計，系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

3 電路設(shè)計計算

3.1 升壓及檢測電路

在Boost基本拓撲結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，增加輸出電壓的測量電路，具體電路如圖2所示。設(shè)計給出的具體設(shè)計參數(shù)達到效果：在+12～+18 V供電下，升壓能達到80 V最大彈射，距離可達到5 m的低壓可控線圈電磁炮方案。根據(jù)實際效果大小及需求可適當改變參數(shù)大小。

圖2 升壓及檢測電路

注：Gate-Driver為Boost變換器PWM脈沖信號輸入端；ADC為Boost變換器輸出電壓檢測端；2和3為輸出電壓采樣的分壓電阻。

Boost變換器拓撲中電感和電容參數(shù)設(shè)計較為重要，Boost變換器工作處于CCM模式。輸出電容容量決定了彈丸彈射能量的上限，但容量太大則會造成線圈放電時間過長，可能導(dǎo)致彈丸反拉回彈，需要在彈丸被吸引到線圈中心之前，釋放完電容電量，防止反作用力的產(chǎn)生。所以，為提高能量，不能盲目提高電容容量。一般最大為千微法級，其中1為限流電阻，防止充電時沖擊電流對電路產(chǎn)生影響，阻值可選0.1～5 Ω的錳銅絲或康銅絲，阻值過大會影響變換效率。開關(guān)管選用開關(guān)速度快的MOSFET場效應(yīng)管，MOS管要耐壓值足夠大和導(dǎo)通電阻盡量小。續(xù)流二極管1反向恢復(fù)速度越快越好，需要注意其最大電流和反向承受電壓的限制。

1為Boost變換器儲能電感，可用鐵粉、鐵硅鋁或者鐵氧體磁環(huán)繞制，電感的設(shè)計至關(guān)重要。根據(jù)選用的開關(guān)管，PWM信號頻率設(shè)為20 kHz。電感參數(shù)計算如下，占空比計算如下：

電感值計算如下：

為留有一定余量，本設(shè)計中電感為鐵硅鋁磁環(huán)，感值約500 μH。輸入電容為2 200～4 700 μf，50 V耐壓，輸出電容為1 000 μf，耐壓250 V。MOSFET選用IRF3205，開關(guān)頻率設(shè)為20 kHz。續(xù)流二極管1選用SS36。

3.2 驅(qū)動線圈充放電回路

該單元為本設(shè)計的主要特色部分。簡化了獨立的充放電回路，直接將驅(qū)動線圈接到Boost變換器的輸出上，輸出電容同時也是線圈炮的充電電容，在Boost基本拓撲結(jié)構(gòu)電路后級直接并聯(lián)發(fā)射線圈和IGBT組成的放電回路，通過IGBT開關(guān)控制線圈放電來發(fā)射炮彈。具體電路如圖3所示。

圖3 驅(qū)動線圈充放電回路

圖3中2為線圈炮驅(qū)動線圈。該線圈應(yīng)同方向繞制在發(fā)射管外表面，且距離底部稍留一點余量。線圈用漆包線繞制，保證大電流能安全通過，同時避免線徑太粗不方便繞制。發(fā)射管應(yīng)使用非導(dǎo)電性、弱磁性且內(nèi)壁盡量較光滑的材料，以減少發(fā)射過程因摩擦而造成的能量損耗，同時在炮管硬度達到的前提下管壁盡量薄，以減少電磁損耗。發(fā)射的彈丸須選取鐵磁體材料，否則需在外部包裹線圈才能與驅(qū)動線圈進行磁耦合。

驅(qū)動線圈2兩端并上二極管續(xù)流，當加速線圈磁能沒有放完時，由于IGBT的反向二極管導(dǎo)通，可能造成電路振蕩。續(xù)流二極管后可以形成一個放電回路，將剩下的磁能消耗完。續(xù)流二極管用大電流、耐高壓肖特基二極管更好。

發(fā)射開關(guān)需要能夠承受大電流的器件，絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）是比較好的選擇。競賽測試中發(fā)現(xiàn)用物理開關(guān)、繼電器、MOSFET的電路開關(guān)會頻繁損壞，原因是線圈放電瞬間產(chǎn)生的大電流超過器件承受范圍。IGBT基極驅(qū)動方式和MOS管柵極驅(qū)動類似。

本設(shè)計中加速線圈選用1 mm線徑漆包線繞制。發(fā)射管為內(nèi)徑1 cm的PVC管，彈丸選用直徑略小于1 cm的小鋼珠。續(xù)流二極管型號為SR5100。

3.3 柵極驅(qū)動電路

柵極驅(qū)動采用分立元件搭建，電路相對簡單，成本較低，同時驅(qū)動效果良好。具體電路如圖4所示。

圖4 柵極驅(qū)動

單片機輸出信號經(jīng)光耦隔離后驅(qū)動互補三極管，進而驅(qū)動MOS管柵極或IGBT基極。其中7為限流保護電阻，一般取200 Ω即可。對管驅(qū)動能力較強。2、3、VDZ1為儲能電容和穩(wěn)壓二極管，保證驅(qū)動電路的供電電源正常。

LAUNCH端為發(fā)射電平輸入端，高電平時驅(qū)動IGBT導(dǎo)通，配合單片機輸出的PWM信號，使發(fā)射線圈放電觸發(fā)彈丸發(fā)射。如果IGBT開通時間過長，發(fā)熱嚴重或者IGBT損壞，可將7適當減小。

本設(shè)計中三極管選為8050和8550組合。隔離光耦采用高速光耦TLP-521。

4 控制軟件算法設(shè)計

Boost變換器輸出電壓可以通過改變柵極驅(qū)動PWM控制信號的占空比發(fā)生變化，由電感1的伏秒平衡可得（Boost變換器處于CCM狀態(tài)）：

in+（in－out）（1－）=0

用AD采樣Boost電路輸出電壓，具體采用電阻分壓方

式進行。將采樣值與設(shè)定值進行誤差比較后調(diào)節(jié)占空比，基本方法為PI反饋控制。

根據(jù)實際效果可加入PID反饋調(diào)節(jié)。

5 系統(tǒng)測試

本設(shè)計實測中炮管與地面夾角均為45°。Boost變換器輸出電壓與發(fā)射距離如表1所示。由表1可知，Boost變換器輸出電壓高低與彈丸彈射距離大致成線性關(guān)系。通過線性擬合數(shù)據(jù)后軟件控制發(fā)射距離。

表1 Boost變換器輸出電壓與發(fā)射距離

電壓/V304050607090 距離/m2.242.983.353.774.314.82

測試發(fā)現(xiàn)線圈與彈丸起始位置、線圈繞制的匝數(shù)均影響彈丸的彈射效果，根據(jù)實測效果微調(diào)即可。

6 結(jié)束語

通過多次測試效果達到預(yù)期設(shè)計。彈丸彈射距離與Boost變換器輸出電壓可以線性擬合，精準控制彈丸落點。整體電路方案安全可靠，為小型線圈電磁炮儲能與發(fā)射電路設(shè)計提供了很大的參考價值。

本設(shè)計的創(chuàng)新之處：將線圈炮發(fā)射線圈充電回路與Boost電路相結(jié)合，簡化線圈炮的充放電回路，提供了一種基于Boost變換器簡單可行的線圈電磁炮設(shè)計方案。

［1］趙忠彪.基于有源網(wǎng)絡(luò)的后級聯(lián)型BOOST變換器［J］.電源學(xué)報，2019（9）：11.

［2］趙良炳.現(xiàn)代電力電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1995.

［3］張海燕.線圈炮電磁過程動態(tài)仿真技術(shù)研究［D］.哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2005.

TJ399

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.24.008

2095－6835（2019）24－0020－02

〔編輯：嚴麗琴〕