虚感应式线圈炮的方法以及设计对应的控制器方案

电磁炮这一未来的军事武器，本就是一件小众的事情。于我而言，对于电磁炮技术有些许了解也是在2019年电子设计大赛之时。在这之前，关于它的信息全部来自于新闻报道，对于它的认识也就是一个模糊的印象。

在2019年电子设计大赛之时，查阅了大量的期刊文献，从见到了电磁炮发展的历史、演变的方向。也开始关注各国电磁炮技术的进展。作为大型军事武器，电磁炮大多采用电枢和轨道组成电磁轨道炮；作为手持玩具，一些爱好者采用线圈制作感应线圈炮。在这类我将介绍感应式线圈炮的原理，推导它的数学表达式、分析其中的物理含义。以及，介绍制作虚感应式线圈炮的方法以及设计对应的控制器。

电磁炮简介

目前，电磁发生器存在三种不同的形式，分别为轨道炮、线圈炮、重接炮。三者的性能对比如下。

​三种电磁发生器的比较

下面介绍线圈炮。 线圈炮是由固定线圈和弹丸线圈两部分组成，采用普通直流电动机的原理，电磁力是靠同轴线圈作用的互感梯度产生。其中固定线圈作为炮管，若有电流通过时将会产生一个强磁场，同时弹丸线圈中形成感应电流，这样炮弹就可用被由磁场和感应电流间产生的电磁力以超高的速度发射出去。其基本原理概括起来就是带电导体或磁性物体在磁场中受到电磁力的作用而被推动前进。如下图。

​线圈炮原理图

线圈炮中的弹丸与炮膛不直接接触，因而两者之间无摩擦，能量利用率高；此外还有加速度大、需要的电流更小，从而使开关装置简化等优点，因此更适合发射初速度较低、容积和质量更大的炮弹。

下图线圈炮实物模型。

​线圈炮实物模型

1.单级感应线圈炮

单级线圈炮包含控制器、能量转换电路两部分。能量转换电路指的是能够存储大容量电能的电容元件以及定子线圈和铁质抛体。工作基本原理如下，

电路状态1：电容元件充电储能、开关K断开，定子线圈中无电流、抛体装备在预定位置。

电路状态2：开关K打开，电路导通，电容放电，定子线圈电流瞬间增大、周围产生变化磁场，铁质导体产生感应电流，受电磁力作用，开始运动。直至射出炮口。

电磁状态3：抛体射出，关断开关K。电路续流二极管导通，续流二极管支路电阻消耗能量，直至消耗结束。然后进入电路状态1。当然为了节省时间，可以让电容在这个阶段就开始充电。    

​单级线圈炮示意图

上图为单级线圈炮原理示意图。

​单级线圈炮工作
电路图

一般开关选择晶闸管或者IGBT元件。电路图中给电容充电部分电路未画出来。

式4为电磁炮电路微分方程、式5为电磁炮抛体运动微分方程。

单级线圈炮硬件系统搭建

单级线圈炮由下图所示电路和主控电路组成。硬件系统搭建也包含这几部分。接下来分步论述。

单级线圈炮电路图

1. 单级线圈炮硬件电路

单级线圈炮包含储能电容、开关元件、二极管、电阻、定子线圈、炮管。其中储能电容、开关元件、二极管、电阻都是完整元件，可以通过购买获得。开关元件这里选择晶闸管，二极管额定电流一般设定为定子线圈最大电流的1.4至1.8倍，电阻应该选择能承受大电流的瓦片电阻，储能电容根据需求选择。定子线圈可以在网上购买，也可以自己购买1mm左右直径铜线，然后自己缠绕。至于缠绕方法，可查看网络上资料。炮管可使用塑料管裁切而成。

      1.1储能电容电路

一般使用电解电容，根据具体选择的电解电容型号，可以考虑选择将电解电容并联。

电解电容

并联电解电容电路可以参考如下。

并联电解电路图

1.2 定子线圈制作

定子线圈采用层级绕制而成。每一层匝数固定，且每一层需要使用电胶布缠绕，起到相邻两层电感绕组隔离。见下图。

定子线圈示意图

2.控制电路设计

线圈炮控制电路有多种分类方式。 以开关触发方式可分类为，可分为电控式、机械控制式。

机械控制式指的是开关触发方式采用物理式触发；电控式指的是开关触发方式采用电力控制。后者触发方式优于前者。在这里，主要介绍电控式控制电路。

电磁炮控制电路最基本的功能是控制开关电路。开关关闭时，电容放电。开关开启时，电容充电。选用8051即可实现该功能。如果需要在这基础之上完成更多功能，可以考虑换用功能更强大的控制芯片。

线圈式电磁炮等效仿真电路

上图中程序控制逻辑可用下表表示。理论上，开关开断逻辑可以使用逻辑芯片实现。

开关开断逻辑

开关	S1	S2
电容充电，电磁炮初始化	断开	闭合
电容放电，电磁炮工作	闭合	断开
电容未充电，电磁炮初始化	断开	断开

以上基本是电磁炮硬件搭建方法。想要完成其它更加复杂的功能，需要加入其它传感器。