虛感應式線圈炮的方法以及設計對應的控制器方案

電磁炮這一未來的軍事武器，本就是一件小眾的事情。于我而言，對于電磁炮技術有些許了解也是在2019年電子設計大賽之時。在這之前，關于它的信息全部來自于新聞報道，對于它的認識也就是一個模糊的印象。

在2019年電子設計大賽之時，查閱了大量的期刊文獻，從見到了電磁炮發(fā)展的歷史、演變的方向。也開始關注各國電磁炮技術的進展。作為大型軍事武器，電磁炮大多采用電樞和軌道組成電磁軌道炮；作為手持玩具，一些愛好者采用線圈制作感應線圈炮。在這類我將介紹感應式線圈炮的原理，推導它的數(shù)學表達式、分析其中的物理含義。以及，介紹制作虛感應式線圈炮的方法以及設計對應的控制器。

電磁炮簡介

目前，電磁發(fā)生器存在三種不同的形式，分別為軌道炮、線圈炮、重接炮。三者的性能對比如下。

?三種電磁發(fā)生器的比較

下面介紹線圈炮。 線圈炮是由固定線圈和彈丸線圈兩部分組成，采用普通直流電動機的原理，電磁力是靠同軸線圈作用的互感梯度產生。其中固定線圈作為炮管，若有電流通過時將會產生一個強磁場，同時彈丸線圈中形成感應電流，這樣炮彈就可用被由磁場和感應電流間產生的電磁力以超高的速度發(fā)射出去。其基本原理概括起來就是帶電導體或磁性物體在磁場中受到電磁力的作用而被推動前進。如下圖。

?線圈炮原理圖

線圈炮中的彈丸與炮膛不直接接觸，因而兩者之間無摩擦，能量利用率高；此外還有加速度大、需要的電流更小，從而使開關裝置簡化等優(yōu)點，因此更適合發(fā)射初速度較低、容積和質量更大的炮彈。

下圖線圈炮實物模型。

?線圈炮實物模型

1.單級感應線圈炮

單級線圈炮包含控制器、能量轉換電路兩部分。能量轉換電路指的是能夠存儲大容量電能的電容元件以及定子線圈和鐵質拋體。工作基本原理如下，

電路狀態(tài)1：電容元件充電儲能、開關K斷開，定子線圈中無電流、拋體裝備在預定位置。

電路狀態(tài)2：開關K打開，電路導通，電容放電，定子線圈電流瞬間增大、周圍產生變化磁場，鐵質導體產生感應電流，受電磁力作用，開始運動。直至射出炮口。

電磁狀態(tài)3：拋體射出，關斷開關K。電路續(xù)流二極管導通，續(xù)流二極管支路電阻消耗能量，直至消耗結束。然后進入電路狀態(tài)1。當然為了節(jié)省時間，可以讓電容在這個階段就開始充電。

?單級線圈炮示意圖

上圖為單級線圈炮原理示意圖。

?單級線圈炮工作
電路圖

一般開關選擇晶閘管或者IGBT元件。電路圖中給電容充電部分電路未畫出來。

式4為電磁炮電路微分方程、式5為電磁炮拋體運動微分方程。

單級線圈炮硬件系統(tǒng)搭建

單級線圈炮由下圖所示電路和主控電路組成。硬件系統(tǒng)搭建也包含這幾部分。接下來分步論述。

單級線圈炮電路圖

1. 單級線圈炮硬件電路

單級線圈炮包含儲能電容、開關元件、二極管、電阻、定子線圈、炮管。其中儲能電容、開關元件、二極管、電阻都是完整元件，可以通過購買獲得。開關元件這里選擇晶閘管，二極管額定電流一般設定為定子線圈最大電流的1.4至1.8倍，電阻應該選擇能承受大電流的瓦片電阻，儲能電容根據(jù)需求選擇。定子線圈可以在網上購買，也可以自己購買1mm左右直徑銅線，然后自己纏繞。至于纏繞方法，可查看網絡上資料。炮管可使用塑料管裁切而成。

1.1儲能電容電路

一般使用電解電容，根據(jù)具體選擇的電解電容型號，可以考慮選擇將電解電容并聯(lián)。

電解電容

并聯(lián)電解電容電路可以參考如下。

并聯(lián)電解電路圖

1.2 定子線圈制作

定子線圈采用層級繞制而成。每一層匝數(shù)固定，且每一層需要使用電膠布纏繞，起到相鄰兩層電感繞組隔離。見下圖。

定子線圈示意圖

2.控制電路設計

線圈炮控制電路有多種分類方式。以開關觸發(fā)方式可分類為，可分為電控式、機械控制式。

機械控制式指的是開關觸發(fā)方式采用物理式觸發(fā)；電控式指的是開關觸發(fā)方式采用電力控制。后者觸發(fā)方式優(yōu)于前者。在這里，主要介紹電控式控制電路。

電磁炮控制電路最基本的功能是控制開關電路。開關關閉時，電容放電。開關開啟時，電容充電。選用8051即可實現(xiàn)該功能。如果需要在這基礎之上完成更多功能，可以考慮換用功能更強大的控制芯片。

線圈式電磁炮等效仿真電路

上圖中程序控制邏輯可用下表表示。理論上，開關開斷邏輯可以使用邏輯芯片實現(xiàn)。

開關開斷邏輯

以上基本是電磁炮硬件搭建方法。想要完成其它更加復雜的功能，需要加入其它傳感器。