基于IGBT時(shí)序控制磁阻發(fā)射特性分析

齊文達(dá)，向紅軍，賈學(xué)斌，孟學(xué)平

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

1 引言

磁阻發(fā)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(shí)產(chǎn)生的脈沖電磁力作用，使彈丸獲得一定的出口速度，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)射擊的目的[1-3]。磁阻發(fā)射器由于具有重量輕、體積小、發(fā)射聲音小、隱蔽性好、非致命性及便攜性好等特點(diǎn)，在未來反恐防爆行動中具有很大的發(fā)展前景[4-5]。目前對磁阻發(fā)射的研究主要集中在光電控制方面，但磁阻發(fā)射光電觸發(fā)模式存在結(jié)構(gòu)不緊湊以及難于避免彈丸出射時(shí)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(jī)控制IGBT通斷對放電電路實(shí)現(xiàn)靈活的時(shí)序控制，可避免彈丸出射時(shí)受到反拉力作用。針對目前還沒有展開時(shí)序觸發(fā)方面的相關(guān)研究，本文首先通過建立磁阻發(fā)射機(jī)電方程，對彈丸在線圈中的受力和加速過程進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了IGBT時(shí)序控制的磁阻發(fā)射控制電路。為了得到最優(yōu)的時(shí)序控制參數(shù)，對控制電路中IGBT開關(guān)時(shí)間參數(shù)對彈丸出口速度的影響規(guī)律進(jìn)行了分析，這將有利于多級磁阻發(fā)射器的向前發(fā)展。

2 磁阻發(fā)射器機(jī)電原理分析

單極磁阻發(fā)射原理如圖1所示[8-9]。

圖1 單級磁阻發(fā)射原理Fig.1 The principle of reluctance launch

由圖1可知，當(dāng)開關(guān)閉合后電容器C開始放電，這時(shí)鐵磁性彈丸在線圈磁場的磁化作用下產(chǎn)生磁化電流，磁場和磁化電流相互作用產(chǎn)生電磁力，當(dāng)彈丸受到電磁力作用后開始加速向前運(yùn)動；但當(dāng)彈丸離開線圈時(shí)，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(jī)電方程對彈丸的受力過程進(jìn)行分析[10-11]。由于線性系統(tǒng)L與i的變化無關(guān)，只與x的變化有關(guān)，等效放電電路方程為[12-15]：

(1)

可得

(2)

當(dāng)彈丸頭部沒有超過線圈末端時(shí)，忽略線圈末端邊緣效應(yīng)，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(jìn)入鐵磁性彈丸，如圖1所示，磁阻主要集中在δ與s內(nèi)，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(nèi)長為s段內(nèi)的磁阻、δ氣隙磁阻、總磁阻和彈丸的飛行距離。

機(jī)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(dāng)s=0時(shí)，電感L達(dá)到了最大，磁阻Rm達(dá)到了最小。

當(dāng)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(dāng)彈丸向前運(yùn)動頭部超出線圈時(shí)，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(yùn)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(fā)射所需要的具有很高電壓的小型直流電源不易實(shí)現(xiàn)，因此磁阻發(fā)射采用了電容器放電模式，同時(shí)可通過電路參數(shù)的合理選擇，使彈丸頭部出射線圈時(shí)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(shè)計(jì)與發(fā)射特性分析

本文研究的磁阻發(fā)射線圈相關(guān)參數(shù)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(nèi)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(jié)可知，當(dāng)彈丸開始從線圈出射時(shí)，線圈中的電流將會對彈丸產(chǎn)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(shè)計(jì)了利用單片機(jī)控制IGBT開關(guān)的控制放電電路，其通過植入芯片的程序代碼，對IGBT進(jìn)行開閉控制，達(dá)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(fā)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(shí)間可通過VPULSEn進(jìn)行設(shè)置。s_sw2閉合時(shí)間同s_sw1，s_sw3閉合時(shí)間與s_sw2斷開時(shí)間相同，為了在彈丸加速結(jié)束時(shí)線圈電流在最快時(shí)間內(nèi)降低至0，所以在加速時(shí)間內(nèi)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(lián)一個很大的電阻，當(dāng)彈丸加速結(jié)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(shí)IGBT開關(guān)時(shí)間參數(shù)分析

對于第1級線圈s_swn(n=1,2)閉合時(shí)間為0 ms，s_sw1閉合時(shí)間大于彈丸飛出線圈的時(shí)刻即可，s_sw2斷開時(shí)刻為彈丸加速結(jié)束時(shí)刻即減速開始時(shí)刻，s_sw3閉合時(shí)間與s_sw2斷開時(shí)刻相同、斷開時(shí)刻大于彈丸飛出線圈時(shí)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(jié)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(chǎn)生反拉力作用。為了得到s_sw2的斷開時(shí)刻與s_sw3的閉合時(shí)刻，設(shè)定仿真s_swn(n=1,2)在0 ms時(shí)刻閉合、10 ms(大于彈丸飛出線圈時(shí)間)斷開以及s_sw3處于斷開狀態(tài)，通過仿真得到彈丸加速結(jié)束時(shí)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(jié)束、減速開始時(shí)刻為2.942 6 ms，為此設(shè)定s_sw2的斷開時(shí)間和s_sw3的閉合時(shí)間為 2.942 6 ms，保證彈丸加速結(jié)束后回路電流流經(jīng)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(jì)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(dāng)彈丸加速結(jié)束時(shí)，如果電路電流能夠迅速減小至0 A，這時(shí)彈丸將不會受到反拉力作用，所以彈丸速度達(dá)到最高后幾乎沒有減速，因此通過合理設(shè)置電路中IGBT的閉合與斷開時(shí)間參數(shù),能夠避免線圈對彈丸的反拉力作用，達(dá)到提高彈丸出口速度的目的。

3.3 彈丸具有初速時(shí)IGBT開關(guān)時(shí)間參數(shù)分析

相對于第1級線圈，由于彈丸進(jìn)入第2級線圈時(shí)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(shí)間和加速時(shí)間會更短，所以第2級線圈IGBT閉合與斷開時(shí)間參數(shù)必須重新選擇。此外可以通過設(shè)置第2級控制電路中IGBTn(n=1,2,3)閉合和斷開時(shí)間，實(shí)現(xiàn)線圈電流在彈丸加速作用時(shí)間段內(nèi)對時(shí)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(shí)間參數(shù)如3.2節(jié)設(shè)定前提下，假定第2級線圈s_swn(n=1,2)閉合時(shí)間為彈丸頭部與第2級線圈彈丸入射端齊平時(shí)刻3.404 8 ms(彈丸位移為56 mm時(shí))、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(dāng)時(shí)間為4.609 8 ms時(shí)，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(chǎn)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(shí)間提前，即圖5(b)中電流曲線向左移動，相當(dāng)于彈丸受到反向拉力的時(shí)間點(diǎn)m在電流曲線上向右移動，這時(shí)對彈丸起加速作用的線圈電流在彈丸加速時(shí)間段內(nèi)對時(shí)間的積分值會越來越大，當(dāng)線圈電流積分值達(dá)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(shí)間內(nèi)對彈丸加速作用最大。為了實(shí)現(xiàn)線圈電流對彈丸加速作用最大，可通過調(diào)整s_sw1、s_sw2的閉合時(shí)間t1和s_sw2的斷開時(shí)間t2(s_sw3的閉合時(shí)間)實(shí)現(xiàn)。為了使具備初速的彈丸通過線圈時(shí)能夠獲得最優(yōu)的加速效果，通過仿真計(jì)算得到了不同IGBT時(shí)間控制參數(shù)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(shí)刻。

圖5 仿真結(jié)果Fig.5 The simulation results

表1 不同放電時(shí)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(shí)刻作為s_sw1、s_sw2的閉合時(shí)間，t2=4.43 ms左右的時(shí)刻作為s_sw2的斷開時(shí)間和s_sw3的閉合時(shí)間，即在t1到t2的時(shí)間內(nèi)，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(shí)，為了獲得彈丸最佳的出口速度，電路中所有的IGBT開關(guān)控制時(shí)間參數(shù)都必須進(jìn)行重新選擇，即首先選定t1，再通過計(jì)算確定t2，最后得到彈丸的出口速度；同時(shí)通過t1的不同選擇，能夠?qū)崿F(xiàn)作用于彈丸的線圈電流在t1到t2的時(shí)間內(nèi)積分值最大，最終獲得彈丸的最佳出口速度。

4 結(jié)論

本文對基于IGBT時(shí)序控制磁阻發(fā)射原理進(jìn)行了分析，得到結(jié)論如下：

1) 本文在理想情況下對具有鐵軛的磁阻發(fā)射機(jī)理進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模，得到了磁阻發(fā)射服從磁阻最小基本原理的結(jié)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(shí)間，在彈丸加速結(jié)束時(shí)刻突然增大回路電阻，線圈電流將快速減小至0A，結(jié)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(shí)間參數(shù)必須重新選擇；在不出現(xiàn)反拉力的前提下，通過調(diào)整回路中IGBT的通斷時(shí)間可以實(shí)現(xiàn)作用于彈丸的線圈電流在作用時(shí)間內(nèi)積分值最大，即線圈電流對彈丸的作用時(shí)間段位于電流峰值位置，這時(shí)彈丸能夠獲得最佳的加速效果。