基于Boost变换器的线圈电磁炮储能与发射电路设计

2020-01-02周航

科技与创新 2019年24期

周航

周航

（武汉理工大学信息工程学院，湖北武汉 430070）

基于Boost变换器拓扑结构，结合线圈电磁炮的充放电回路，给出了一种简单可控的低压驱动线圈炮电路设计方案。将低压电源经Boost变换器升压后，直接接加速线圈再经IGBT到地，简化了线圈电磁炮的充放电回路。同时Boost变换器输出电压采样反馈给单片机形成闭环控制，单片机PI调节输出相应PWM信号来改变输出电压高低，实现发射距离可控，改变IGBT的通断即可控制发射。同时电路中加入多重保护措施，使整个设计的安全与可靠性能较高，设计过程软硬结合。

Boost变换器；IGBT；电磁感应；线圈电磁炮

1 引言

线圈炮是电磁炮的一种，根据磁场相互作用原理产生的洛伦兹力将磁性物体弹射出去。比较常见的是先给电容充电，然后对加速线圈放电，瞬间产生的大电流会引起铁磁体弹丸感应磁场的产生，与加速线圈产生的磁场相互作用，从而推动弹丸发射。因其原理相对简单，无论是用作教具，还是电子爱好者DIY、竞赛实物设计都会涉及该线圈电磁炮的制作。

然而，市面及网络上大多数简易电磁炮电路设计的安全性较低，对高电压或高电流没有处理措施。从相关学科竞赛制作过程中选手选择的方案来看，大部分仅达到成功发射的效果，没有考虑系统整体方案的合理性，比如放电开关用普通机械开关或继电器，导致频繁损坏开关触点，以及采用市电等高压供电方案等。在保证安全可靠情况下，本设计提供了一种相对简单可行的方法。

2 总体方案设计

为实现电路安全可靠和简单可行，在低压供电的情况下首先需要先对电压进行升压变换，保证弹丸能够正常弹射到足够距离。一般有两种方案可供选择：在弹道上加入多级加速线圈；提高发射时电压。前者控制较为复杂，不符合设计简单可行的设计思路。因此，本设计采用后者，将提供的低压经DC-DC升压变换后再用于发射。

为保证炮弹发射位置稳定，需要使Boost变换器输出电压能稳定，因此需要加入输出反馈形成闭环控制。反馈有硬件反馈和软件反馈两种方式。常见的用于硬件反馈的器件UC3824，实现过程原理较复杂。软件反馈是指用单片机AD采样输出电压与设定电压比较，来改变输出PWM信号占空比。能够充分发挥软件的优势，相比于硬件反馈更方便灵活。因此选用后者。

线圈炮实现可控一般有两种途径：调整炮管仰角，但仰角精度控制对硬件平台要求较高；改变弹丸初速度。本设计采用后者，实现起来相对容易。通过单片机控制电压大小来改变弹丸初速度，降低了硬件成本，后期通过实测来拟合关系曲线，实现精确控制。

根据方案设计，系统总体框架如图1所示。

图1 系统总体框图

3 电路设计计算

3.1 升压及检测电路

在Boost基本拓扑结构的基础上，增加输出电压的测量电路，具体电路如图2所示。设计给出的具体设计参数达到效果：在+12～+18 V供电下，升压能达到80 V最大弹射，距离可达到5 m的低压可控线圈电磁炮方案。根据实际效果大小及需求可适当改变参数大小。

图2 升压及检测电路

注：Gate-Driver为Boost变换器PWM脉冲信号输入端；ADC为Boost变换器输出电压检测端；2和3为输出电压采样的分压电阻。

Boost变换器拓扑中电感和电容参数设计较为重要，Boost变换器工作处于CCM模式。输出电容容量决定了弹丸弹射能量的上限，但容量太大则会造成线圈放电时间过长，可能导致弹丸反拉回弹，需要在弹丸被吸引到线圈中心之前，释放完电容电量，防止反作用力的产生。所以，为提高能量，不能盲目提高电容容量。一般最大为千微法级，其中1为限流电阻，防止充电时冲击电流对电路产生影响，阻值可选0.1～5 Ω的锰铜丝或康铜丝，阻值过大会影响变换效率。开关管选用开关速度快的MOSFET场效应管，MOS管要耐压值足够大和导通电阻尽量小。续流二极管1反向恢复速度越快越好，需要注意其最大电流和反向承受电压的限制。

1为Boost变换器储能电感，可用铁粉、铁硅铝或者铁氧体磁环绕制，电感的设计至关重要。根据选用的开关管，PWM信号频率设为20 kHz。电感参数计算如下，占空比计算如下：

电感值计算如下：

为留有一定余量，本设计中电感为铁硅铝磁环，感值约500 μH。输入电容为2 200～4 700 μf，50 V耐压，输出电容为1 000 μf，耐压250 V。MOSFET选用IRF3205，开关频率设为20 kHz。续流二极管1选用SS36。

3.2 驱动线圈充放电回路

该单元为本设计的主要特色部分。简化了独立的充放电回路，直接将驱动线圈接到Boost变换器的输出上，输出电容同时也是线圈炮的充电电容，在Boost基本拓扑结构电路后级直接并联发射线圈和IGBT组成的放电回路，通过IGBT开关控制线圈放电来发射炮弹。具体电路如图3所示。

图3 驱动线圈充放电回路

图3中2为线圈炮驱动线圈。该线圈应同方向绕制在发射管外表面，且距离底部稍留一点余量。线圈用漆包线绕制，保证大电流能安全通过，同时避免线径太粗不方便绕制。发射管应使用非导电性、弱磁性且内壁尽量较光滑的材料，以减少发射过程因摩擦而造成的能量损耗，同时在炮管硬度达到的前提下管壁尽量薄，以减少电磁损耗。发射的弹丸须选取铁磁体材料，否则需在外部包裹线圈才能与驱动线圈进行磁耦合。

驱动线圈2两端并上二极管续流，当加速线圈磁能没有放完时，由于IGBT的反向二极管导通，可能造成电路振荡。续流二极管后可以形成一个放电回路，将剩下的磁能消耗完。续流二极管用大电流、耐高压肖特基二极管更好。

发射开关需要能够承受大电流的器件，绝缘栅双极型晶体管（IGBT）是比较好的选择。竞赛测试中发现用物理开关、继电器、MOSFET的电路开关会频繁损坏，原因是线圈放电瞬间产生的大电流超过器件承受范围。IGBT基极驱动方式和MOS管栅极驱动类似。

本设计中加速线圈选用1 mm线径漆包线绕制。发射管为内径1 cm的PVC管，弹丸选用直径略小于1 cm的小钢珠。续流二极管型号为SR5100。