基于IGBT時序控制磁阻發射特性分析

齊文達，向紅軍，賈學斌，孟學平

(1.河北交通職業技術學院 軌道交通系，石家莊 050035；2.陸軍工程大學 彈藥工程系,石家莊 050003；3.中國人民解放軍3302廠技術部，石家莊 050030；4.中國人民武裝警察部隊研究院，北京 100012)

1 引言

磁阻發射器是一種新型反恐制暴武器，它利用螺線管通過脈沖電流時產生的脈沖電磁力作用，使彈丸獲得一定的出口速度，實現對目標射擊的目的[1-3]。磁阻發射器由于具有重量輕、體積小、發射聲音小、隱蔽性好、非致命性及便攜性好等特點，在未來反恐防爆行動中具有很大的發展前景[4-5]。目前對磁阻發射的研究主要集中在光電控制方面，但磁阻發射光電觸發模式存在結構不緊湊以及難于避免彈丸出射時受到反拉力作用等弊端[6-7]，為了解決上述問題，利用單片機控制IGBT通斷對放電電路實現靈活的時序控制，可避免彈丸出射時受到反拉力作用。針對目前還沒有展開時序觸發方面的相關研究，本文首先通過建立磁阻發射機電方程，對彈丸在線圈中的受力和加速過程進行分析，在此基礎上構建了IGBT時序控制的磁阻發射控制電路。為了得到最優的時序控制參數，對控制電路中IGBT開關時間參數對彈丸出口速度的影響規律進行了分析，這將有利于多級磁阻發射器的向前發展。

2 磁阻發射器機電原理分析

單極磁阻發射原理如圖1所示[8-9]。

圖1 單級磁阻發射原理Fig.1 The principle of reluctance launch

由圖1可知，當開關閉合后電容器C開始放電，這時鐵磁性彈丸在線圈磁場的磁化作用下產生磁化電流，磁場和磁化電流相互作用產生電磁力，當彈丸受到電磁力作用后開始加速向前運動；但當彈丸離開線圈時，彈丸可能會受到向后的電磁力作用造成彈丸減速，本文將利用在鐵軛磁路非飽和情況下建立的機電方程對彈丸的受力過程進行分析[10-11]。由于線性系統L與i的變化無關，只與x的變化有關，等效放電電路方程為[12-15]：

(1)

可得

(2)

當彈丸頭部沒有超過線圈末端時，忽略線圈末端邊緣效應，并假定所有磁力線依次通過鐵軛、彈丸與鐵軛之間的氣隙進入鐵磁性彈丸，如圖1所示，磁阻主要集中在δ與s內，初始位置彈丸頭部線圈端部平齊，彈丸長度與線圈長度相同，可得：

(3)

(4)

(5)

s=h-x,x≤h

(6)

那么電感為：

(7)

式(3)—(7)中，Rm1、Rm2、Rm和x分別為線圈內長為s段內的磁阻、δ氣隙磁阻、總磁阻和彈丸的飛行距離。

機電方程為：

(8)

(9)

(10)

由式(10)可以得到，在彈丸頭部超出線圈前，彈丸始終受到向前的加速作用，假定電流不變的情況下，當s=0時，電感L達到了最大，磁阻Rm達到了最小。

當彈丸頭部離開線圈后有：

s=x-h,x≥h

可得

(11)

由式(11)可以得到，當彈丸向前運動頭部超出線圈時，彈丸受到了向后的反拉力作用，電感L開始由最大值逐漸變小，磁阻由最小逐漸變大。通過彈丸在線圈中受力分析可知，彈丸具有向電感最大、磁阻最小位置運動的趨勢，如果線圈通以直流電流，彈丸在電磁力作用下將會在線圈中振蕩；又由于磁阻發射所需要的具有很高電壓的小型直流電源不易實現，因此磁阻發射采用了電容器放電模式，同時可通過電路參數的合理選擇，使彈丸頭部出射線圈時線圈電流減小至0 A，這樣可以最大限度地消除線圈對彈丸的反拉力作用。

3 控制電路設計與發射特性分析

本文研究的磁阻發射線圈相關參數為：電容C為1 000 μF，充電電壓500 V、線圈電阻R=0.67 Ω、線圈長度h=50 mm、線直徑0.5 mm、N=400匝，2級線圈外徑和內徑分別為20.6 mm和8.6 mm,彈丸直徑和長度分別為8 mm和35 mm，鐵軛厚度b=2 mm，2級線圈鐵軛間距2 mm。

3.1 控制電路分析

從第2節可知，當彈丸開始從線圈出射時，線圈中的電流將會對彈丸產生反向拉力作用，為了避免這種不利于彈丸加速的情況，本文設計了利用單片機控制IGBT開關的控制放電電路，其通過植入芯片的程序代碼，對IGBT進行開閉控制，達到消除線圈電流對彈丸的反拉力作用的目的，如圖2所示。

圖2 磁阻發射放電電路Fig.2 The discharge circuit of reluctance launch

圖2中，用s_swn、ModelSWn和VPULSEn模擬IGBTn功能(n=1,2,3)。s_sw1、ModelSW1和VPULSE1 控制電容器放電，s_sw2、ModelSW2和VPULSE2控制s_sw2所在支路的通斷，s_sw3、ModelSW3和VPULSE3控制s_sw3所在支路的通斷，s_swn閉開時間可通過VPULSEn進行設置。s_sw2閉合時間同s_sw1，s_sw3閉合時間與s_sw2斷開時間相同，為了在彈丸加速結束時線圈電流在最快時間內降低至0，所以在加速時間內s_sw2閉合，線圈回路電阻小，對彈丸起加速作用的電流盡量大。通過在s_sw2支路上串聯一個很大的電阻，當彈丸加速結束后s_sw2斷開s_sw2閉合，這樣可以使回路電流很小且快速降至0，避免彈丸受到反拉力作用。

3.2 彈丸初速為0時IGBT開關時間參數分析

對于第1級線圈s_swn(n=1,2)閉合時間為0 ms，s_sw1閉合時間大于彈丸飛出線圈的時刻即可，s_sw2斷開時刻為彈丸加速結束時刻即減速開始時刻，s_sw3閉合時間與s_sw2斷開時刻相同、斷開時刻大于彈丸飛出線圈時刻即可，目的是在彈丸加速期間盡量使線圈回路電流大些、彈丸加速結束后使線圈電流迅速減小到0，這樣可以避免線圈電流對彈丸產生反拉力作用。為了得到s_sw2的斷開時刻與s_sw3的閉合時刻，設定仿真s_swn(n=1,2)在0 ms時刻閉合、10 ms(大于彈丸飛出線圈時間)斷開以及s_sw3處于斷開狀態，通過仿真得到彈丸加速結束時刻，如圖3所示。

圖3 彈丸受力曲線Fig.3 The force curve of the projectile

從圖3可以看出,彈丸加速結束、減速開始時刻為2.942 6 ms，為此設定s_sw2的斷開時間和s_sw3的閉合時間為 2.942 6 ms，保證彈丸加速結束后回路電流流經s_sw3所在電阻值很大的回路，使通過線圈的電流迅速減小至0 A，這樣就消除了線圈對彈丸的反拉力作用，通過計算得到彈丸在第1級線圈的速度曲線如圖4所示。

圖4 彈丸速度曲線Fig.4 The velocity curve of the projectile

從圖4可以看出，當彈丸加速結束時，如果電路電流能夠迅速減小至0 A，這時彈丸將不會受到反拉力作用，所以彈丸速度達到最高后幾乎沒有減速，因此通過合理設置電路中IGBT的閉合與斷開時間參數,能夠避免線圈對彈丸的反拉力作用，達到提高彈丸出口速度的目的。

3.3 彈丸具有初速時IGBT開關時間參數分析

相對于第1級線圈，由于彈丸進入第2級線圈時具備了一定的初速，因此，與彈丸通過第1級線圈相比，彈丸通過第2級線圈的時間和加速時間會更短，所以第2級線圈IGBT閉合與斷開時間參數必須重新選擇。此外可以通過設置第2級控制電路中IGBTn(n=1,2,3)閉合和斷開時間，實現線圈電流在彈丸加速作用時間段內對時間的積分值最大，即可獲得最佳的加速效果。為此，在第1級線圈s_swn(n=1,2,3)，即，IGBTn閉合斷開時間參數如3.2節設定前提下，假定第2級線圈s_swn(n=1,2)閉合時間為彈丸頭部與第2級線圈彈丸入射端齊平時刻3.404 8 ms(彈丸位移為56 mm時)、s_sw3始終斷開情況下獲得彈丸的受力曲線及第2級線圈電流曲線如圖5所示。

由圖5(a)可以看出，當時間為4.609 8 ms時，彈丸開始受到反向拉力的作用，由圖5(b)可以看到,對彈丸產生加速作用的電流為3.404 8～4.609 8 ms之間電流曲線部分，如果第2級線圈放電時間提前，即圖5(b)中電流曲線向左移動，相當于彈丸受到反向拉力的時間點m在電流曲線上向右移動，這時對彈丸起加速作用的線圈電流在彈丸加速時間段內對時間的積分值會越來越大，當線圈電流積分值達到最大后又會越來越小，所以彈丸受到的作用力會隨著積分值由小變大后、又開始變小，由此可以判定線圈電流在峰值附近一段時間內對彈丸加速作用最大。為了實現線圈電流對彈丸加速作用最大，可通過調整s_sw1、s_sw2的閉合時間t1和s_sw2的斷開時間t2(s_sw3的閉合時間)實現。為了使具備初速的彈丸通過線圈時能夠獲得最優的加速效果，通過仿真計算得到了不同IGBT時間控制參數t1和t2下彈丸所能獲得出口速度，如表1所示，其中t2為在t1確定的前提下彈丸開始受到反向拉力時刻。

圖5 仿真結果Fig.5 The simulation results

表1 不同放電時序彈丸出口速度Table.1 The exiting velocity of the projectile with different discharge timing

從表1中可以看出，隨著t1從1.8 ms逐漸增大至3 ms，彈丸出口速度由44.72 m/s逐漸增大至46.72 m/s后又逐漸減低至44.61 m/s，為此為了獲得最佳的彈丸出口速度，可取t1=2.4 ms左右的時刻作為s_sw1、s_sw2的閉合時間，t2=4.43 ms左右的時刻作為s_sw2的斷開時間和s_sw3的閉合時間，即在t1到t2的時間內，作用于彈丸的線圈電流積分值最大。

由此可見，針對具有不同初速的彈丸通過線圈時，為了獲得彈丸最佳的出口速度，電路中所有的IGBT開關控制時間參數都必須進行重新選擇，即首先選定t1，再通過計算確定t2，最后得到彈丸的出口速度；同時通過t1的不同選擇，能夠實現作用于彈丸的線圈電流在t1到t2的時間內積分值最大，最終獲得彈丸的最佳出口速度。

4 結論

本文對基于IGBT時序控制磁阻發射原理進行了分析，得到結論如下：

1) 本文在理想情況下對具有鐵軛的磁阻發射機理進行了數學建模，得到了磁阻發射服從磁阻最小基本原理的結論，即彈丸出射線圈前電感逐漸增大至最大、磁阻逐漸減小至最小，彈丸受到電磁加速力作用；彈丸開始至完全出射線圈階段，電感由最大逐漸增小、磁阻由最小逐漸增大，彈丸受到電磁反拉力作用。

2) 通過合理選擇放電回路中IGBT的通斷時間，在彈丸加速結束時刻突然增大回路電阻，線圈電流將快速減小至0A，結果避免了線圈對彈丸的反拉力作用，提高了彈丸的出口速度。

3) 針對具有不同初速的彈丸，為了獲得彈丸最佳的出口速度，電流回路中的IGBT通斷時間參數必須重新選擇；在不出現反拉力的前提下，通過調整回路中IGBT的通斷時間可以實現作用于彈丸的線圈電流在作用時間內積分值最大，即線圈電流對彈丸的作用時間段位于電流峰值位置，這時彈丸能夠獲得最佳的加速效果。