便携式电磁炮电源的设计

王代兴，彭春雨

(安徽大学电子信息工程学院，安徽　合肥　230601)



便携式电磁炮电源的设计

王代兴，彭春雨

(安徽大学电子信息工程学院，安徽合肥230601)

摘要：利用电磁感应线圈炮的原理制造小型化的便携式电磁炮，该电磁炮具备集成化、可连续发射、自动充电等特点。与传统的电磁炮设计相比，本设计采用18650型锂电池和ZVS逆变器升压取代市电作为电源，为便携提供了基础。同时，采用金属传感器，避免了光电传感器对红外光、颜色、距离、反光程度的敏感的缺点，使得精度得到极大的提高。此外，炮弹在加速过程中采用三级加速原理，每一级均由单片机控制，利用金属传感器探测子弹的位置并进行单片机控制电容的放电时间，从而准确的控制加速时间，达到能量转换的最大效率。

关键词：电磁炮；ZVS电路；金属传感器；单片机

各国军备竞赛中积极研究新型武器，老式火炮由于造价高、发射成本高、药弹质量和炮管要求高以及理论速度限制，导致老式的火炮无法满足现今的技术革新，而且当今的装甲材料日新月异，这也大大增加了研究新式火炮的必要性[1]。电磁炮有着不受声速限制，速度和射程都优于传统的火炮[2]，所以电磁炮的研究受到各国的重视。电磁炮的诸多优点无疑让它成为武器研究中的主角[3]。2010年12月12日，在美国海军试射中，电磁炮以音速5倍的极速，击向200公里外目标，射程为海军常规武器的10倍，且破坏力惊人，是至今试射的最佳成绩。美军目标在8年内进行海上实测，并于2025年前正式配备于军舰上[4]。2014年10月24日英国航空航天系统公司发表声明：电磁轨道炮在今后数年将不会仅为美国海军所用。但现阶段由于电磁炮的基座较大较笨重，且瞬间需大量的能量，所以不能像现在的火炮一样可以随意的移动和安装。本文通过改进电磁炮的电源装置达到电磁炮像现阶段火炮一样可以携带和安装的效果。由于涉及到人身安全，所以在制作过程中对电磁炮的威力进行了限制。

1原理分析

其中：

螺线管磁场的空间分布成马鞍形(见图1)。

炮弹在炮管里所受摩擦力与磁场产生的作用力相比十分微小可以忽略不计，即炮弹在水平方向上只受螺线管对其的拉力F。所用炮弹为铁磁质材料，属于强磁性介质顺磁材料，磁化率xm≫0。所以炮弹形成的磁场与螺线管形成的磁场方向相同，等效为两个异性磁铁相互吸引产生引力F[5]237：

M为磁化强度，则

仅在水平x轴方向的磁感应强度对炮弹的作用有效，即：

由此可见，当炮弹通过螺线管中心后，炮弹的受力方向与运动方向相反，产生向后的拉力导致速度减小，因此在炮弹经过螺线管中心后必须切断电容放电。若不考虑LC电路中能量损耗，则储存在电容内的能量全部转化成炮弹的动能。每一级加速有四个680 μf耐压值为450 V的电容并联，电容的实际充电电压为400 V左右，电容储能[5]65为

根据动能定理，则有

2设计和改进过程

2.1　电源部分

现阶段电磁炮设计通常采用220 V的市电或者利用市电经变压后做为电源。虽市电电量充足容易获取，但是在要求电磁炮可移动、可携带的场合，这种电源就暴露了它的不足。除此之外市电经过整流后其电压的值大约为300 V，在电容不变的情况下，电磁炮的储能与电压的二次方成正比，即相对来说采用市电做电源，电磁炮的储能降低。

通过对电源进行改进达到在储能不变的情况下，体积和重量大大缩小，且适合携带。电源采用18650型号的锂电池，其放电电压为3.7 V，放电电流可达2 400 mA。根据18650电池的参数，在3.7 V电压放电且输出2 400 mA电流可工作1小时。

锂电池与市电主要关注点之间的对比如表1所示。由于电磁炮内部电路包含金属传感器及主控电路模块，且金属传感器与主控电路分别使用12 V直流电和4.5V～5.5 V的直流电。这些电压在无其它电路的基础上，市电是无法直接提供的。同时，市电具有较大的危险性，相比之下，锂电池有着较大的优越之处。

表1　18650锂电池与市电对比

除此之外18650锂电池还具备其他优点，如正常使用可循环1 000次以上；具备短路保护、过流保护、过压保护、电池反接保护功能；过冲过放都不会造成爆炸、漏液，并且能够大倍率的充、放电，充电电流在2倍标称容量和放电电流在10倍标称容量时，不会发生发烫、爆炸、漏液的现象并且不会影响寿命。

与普通锂电池相比，18650型锂电池能量密度比普通锂电池高30%；单元的排列方式安全性更高，热失控下不影响其他电池源；成本也更低[6]。与市电相比，18650锂电池的工作温度在-20 ℃到50 ℃之间，与人体舒适温度相当。综合以上优点，采用18650型号锂电池比市电更安全、便捷。

2.2　ZVS升压电路

单节电池的输出电压只有3.7 V，采用4节电池串联的方法可使电池的实际输出电压达到14左右。由于电容的储能与电压的平方成正比，且电容两端的耐压值为450 V，所以可以采用加大充电电压的方法来提高电容的能量。本设计采用ZVS逆变器电路来达到升压的目的(见图2)。

ZVS逆变器本质为振荡器，此振荡器是一个零电压开关电路(zero-voltage switching ZVS)，这意味着MOS管将在其两端电压为零时关断，因此开关损耗可以降到最低，效率更高。MOS管在承受应力比较低的时候进行开关动作，因此不再需要像硬开关变换器那样使用巨大散热器。

1) 上电时L1通入的电流为零，电源通过R1、R2，Q1、Q 2导通，L1电流逐渐增加，由于两个开关管特性差异，将导致流入两个开关管的电流不同，假设Q1电流大于Q2电流，T1将产生b为正，a为负的感应电压，于是通过T1形成正反馈，使Q1导通，Q2截止。完成启动过程过程。

2) 由稳态Q1导通时(t0～t1时间)，由于上个周期T1电流为a到c，并且C 1两端电压为零(见图3)。由于电流不能突变，T1电流将对C1充电，C1逐渐为a负c正的电压，并且正弦变大，T1电流正弦变小。此时a电压被Q1下拉到0V，所以C点电压正弦变大，Q1栅极电压被D3稳压管钳位，Q1时钟保持导通。

3) 当T1中电流下降为零(t1时间)，其能量全部释放到C1，此时C1电压达到最大值。

4) C1开始通过T1由c到a放电(t1～t2时间)，C1电压即c点电压正弦变小，T1电流由c到a正弦变大。

5) 当C1能力基本放完时(t2时间)，c点电压下降到MOS管阀值电压左右，将通过D2使Q1进入放大区。此时C1对T1绕组由c到a放电电流达到最大值。同时由于Q1进入放大区，a点电压逐渐上升，同时通过D1使Q2也进入放大区。

6) C1放电完毕(t2时间)，T1绕组由c到a电流达到最大值，将像C 1充电，使C1充电为a正c负的电压，同时C1两端电压正弦变大。此时两个MOS管同时进入放大区。

7) 由于T1对C1的持续充电，C1上电压为a正c负，通过两个二极管使Q2栅极电压升高，Q1栅极逐渐下降，同时正反馈形成，Q2导通，Q1截止。

8) Q2导通与Q1导通过程类似。L1电感值比T1大，整个震荡周期中L1电流基本不变。震荡过程中L1持续为LC振荡器补充电能。

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)。

由于电容具有通交流、阻直流的特性，所以在对电容充电的过程中必须使用直流电。将450 V交流电转换成直流电，可以采用桥式整流电路。交流电整流过后不含有负值电压，经电容滤波后电压值稳定在450 V，实际测量的值为400 V左右，并且由测量可以看出，电容电压随时间上升最终稳定在400 V左右，比市电有很大幅度的提高，从而各级的电容存储能量也显著提高。

2.3　传感器改进

与传统的光电传感器不同的是采用电感式接近型金属传感器来检测跑弹的位置。电感式接近型金属传感器由高频振荡、检波、放大、触发及输出电路等组成(见图4)。振荡器在传感器检测面产生一个交变电磁场，当金属物体接近传感器检测面时，金属中产生涡流。这个涡流反作用于接近开关，使振荡减弱停振[7]。振荡器振荡及停振这二种状态，转换为电信号整形放大转换成二进制开关信号，经功率放大后输出。信号经单片机检测后，进行控制电路的开端。

金属传感器可以接10~30 V的电压，四节锂电池的串联电压在14 V左右，金属传感器可直接并联在电池组两端。

表2　金属传感器与光电比较

金属传感器和光电传感器以每50次检测为基数在不同环境中检测合格的平均值如表2所示，炮弹的颜色、表面光滑程度和外界光强度对金属传感器的影响较小，但对光电传感器的影响较大。当炮弹颜色、粗糙程度和外界变化时传感器的灵敏度也相应的变化，当炮弹的为黑色有强光照射并且表面不光滑时，光电对管的灵敏度大大下降。但是电磁炮的使用环境是不确定的，手动调节光电对管，过程复杂程度高，并且准确度低。

除此之外，反射式光电开关的红外发射管的电流在2～10 mA之间时发光强度与电流的线性最佳，若电流太大红外发射管的光衰时间增长，影响工作寿命；在结构设计时应考虑这点安装焊接时，反射式光电开关的引脚根部与焊盘的最小距离不得小于5 mm，否则焊接时易损坏管芯，或引起管芯性能的变化，焊接时间应小于4 s。而金属传感器侧面全部屏蔽强力抗电磁干扰，在线圈产生强磁场时依然能够正常工作；采用电感式设计，适用于检测铁、不锈钢、铜、铝、锌等金属物体并且自带短路保护、过载保护、反极性保护，多重保护安全放心，工作寿命大于1 000万次。

相对来说金属传感器是量产化的集成模块，不需要人为的进行调节也不会产生焊接过程的误差，所以金属传感器是最佳选择。

2.4　控制部分

主控芯片采用STC89C52单片机，供电电源采用四节1.5 V干电池，给单片机供电时串联1N4007二极管。1N4007二极管导通压降为1.0，这样单片机电压可达到5.0 V左右，此电压下单片机可正常工作。系统的结构如图5所示，干电池可用于触发可控硅。可控硅开关控制采用继电器当做开关，继电器与单片机相连，通过单片机来控制继电器开断。除第一级采用人为触发外，二三级采用金属检测器检测炮弹轨迹用单片机触发。

图5系统结构框图

当启动电磁炮和打开保险开关时电磁炮自动进行充电；手动装填炮弹；按下发射按钮，炮弹一级加速；传感器检测炮弹位置，进行二级加速；传感器检测炮弹位置，进行三级加速；自动进行充电并装填炮弹(见图6)。

在炮弹发射过程中单片机一直检测传感器信号，当金属材质炮弹经过传感器时，由于金属炮弹影响传感器内部电路导致传感器输出端有高低电平变化。单片机对传感器电压进行检测，当电压变化时认为炮弹经过，由此控制线圈放电。并且持续检测炮弹位置，当炮弹经过线圈中点时停止放电。经过第三极时重复上述过程。并且在发射完成后自动充电准备下一次发射。

3测试结果及误差分析

3.1　单级线圈的作用力及炮弹速度

炮弹在轨道内的受力过程及速度变化如图7所示，炮弹在加速过程中受力先增加后减小(见图7a)，甚至出现反向作用力。原因是螺线管的磁场分布为马鞍形，当炮弹经过螺线管的中点时磁场对距离的导数为负值，在炮弹上的作用力与炮弹的运动方向相反。所以当炮弹经过螺线管的中点时必须切断电容放电，尽量减小螺线管的反拉作用，保持炮弹在螺线管的前半部分加速运动，防止炮弹经过中点后出现的减速运动(见图7b)。

3.2　数据统计

数据统计如表3所示，各级加速过程中的电容存储能量相同。炮弹逐级经过螺线管时能量和速度均逐渐增加，但是能量的转化率却逐级的降低。炮弹经螺线管多级加速，速度逐级增加。当炮弹经过螺线管的前半部分的时间在减小，当螺线管到达中点时螺线管的放电量在减小。所以多级加速时，放电量逐级减小转化效率逐级减小。

表3　三级加速过程的数据统计

3.3　误差分析

1) 选用的炮弹与炮管不能理想贴合，导致不能完全的磁耦合，从而导致转换效率的降低。

2) 炮弹的材质选为铁磁质材质，炮弹内的金属组成对磁场作用力的大小有影响。

3) 炮管内不是光滑的，炮弹发射过程中受到摩擦力和空气阻力。

4) 在多级加速中，随着速度的增加，炮弹经过线圈的时间变小。当速度较大时，通过线圈时LC放电回路并未放完电，从而产生反拉的力导致速度减小。

5) 炮弹的初始位置对磁场耦合有很大的影响。试验中采用3 cm的炮弹，当炮弹深入线圈1 cm时效果最佳[9-10]。

4结束语

通过对现今电磁炮的电源、传感器方面的改进，在电源方面简化了传统的市电，采用了大容量的锂电池和ZVS升压系统；传感器方面采用金属传感器从而避免了外界环境对传感器的影响。除此之外，加入单片机控制系统，通过程序控制炮弹的精确加速。从测试结果可以看出，电磁炮的能量转化的效率很低。其中，电容的储能、炮弹与线圈的耦合以及速度过快与加速时间变短的矛盾都是转化效率遍地的原因。在提高转化效率后电磁炮的速度将大大增加并且使用的方面更加广泛。

参考文献：

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9-31.

(责任编辑：何学华，吴晓红)

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

作者简介：王代兴(1992-)，男，河北沧州人，在读学士，研究方向：微电子集成电路。

基金项目：安徽省教育厅高校自然科学基金资助项目 ( KJ2013A006).

收稿日期：2015-03-01

中图分类号：TJ866

文献标志码：A

文章编号：1672-1098(2015)04-0034-06