ぽんず製造所

当ブログの記事を参考にして行った事により、いかなる不都合が発生としても当方は一切の責任を負いません。全て各自の自己責任でお願いします。

自動二次コイル巻き機

もう1年近く前になりますが、自動二次コイル巻き機を作りました。記事書いてないことを思い出したので今書きます。

テスラコイルはあの二次コイルを作らなければもはやテスラコイルとして成り立ちません。
でもコレを巻くのは非常に面倒で大変。1000回くらい巻かなければいけません。
ということで自動でコイルを巻いてくれる装置を作ってみました。
今までも電動ドリルの先に塩ビパイプを取り付け、半自動で巻けるようにしていました。
しかし、巻いてる時の調整は手で行わなければいけませんし、巻数もカウントできません。巻数は使った銅線の重さを量る、または巻取り長を測って線の直径で割ることで大体の巻数は算出できますが、スキマや誤差で正確には測定できません。
そこで、巻数をカウントできて、調整も自動でしてくれる、というのを目標にしました。

まず。正確に巻数をカウントするために、今回は巻取り用モーターにステッピングモーターを用いることにしました。DCモーターでもいいですがフィードバックが必要になると思います。
次に、線を巻いていくと巻くべき場所が移動するので、巻く場所を調整する必要があります。
これも正確に移動させる必要があるので同じくステッピングモーターにします。

そんでもって適当に回路を作りました。

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左から、制御回路、モータードライバ基板、ステッピングモーターです。
制御回路には秋月の福箱から出たものを使ったり、部品箱の奥底にあったものを使って、極力お金をかけないようにしてみました。部品の消化にもなるし
モタドラはなんだか大げさですが、学校に大量にあったICをいくつか頂いてきた(許可済み)ものなので文句は言えないです


次に巻き取るところを作りました。

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真ん中にコイルをセットします。 
一応最大40cm程度のコイルまで巻けるようにしました。右側の板は下のアルミ棒に沿って移動できるようになっているので任意の長さで調整できます。

巻線を自動送りするところも取り付けました。ネジ送りになっていて細かな移動が可能なはずです。

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これは巻線を掴む部分です。
こんな感じで線を通したらフタで挟み込みます。

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布を使ったのでいい感じに線を摘んでくれます。ネジで挟み具合を程よい感じに調整することも出来ます。ピッピッって糸が張る感じです。



さて、この時点でハードはほぼ完成なのでテスト用プログラム書いて動かしてみました。
この時ステッピングモータは二相励磁で動かしていて、その分解能が低かったためか、モータが思ったよりガクガク動いてあまりよろしくありませんでした。
そこで、マイクロステップ駆動というものでもっと細かな制御をすることにしました。電流値を細かく制御するらしいのですが、マイコンで制御するのは大変めんどくさそうなので専用ICのTB6608FNGつ使うことにしました。

制御基板のLCDの裏は空きスペースとなっているのでそこに実装しました。

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結構発熱しそうだったので銅板貼っつけてその上にIC載せました。配線はUEWでやりました。
そしてその上にクールスタッフ貼って放熱はバッチリです。(結局、実際動かしてみると思ったより発熱しませんでした...)

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結果として制御基板とMDが合体して1枚になり、ステップ数も細かくなり、モータの制御も楽になって一石三鳥です。
ついでにDCジャック付けました。

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基板を取り付けて完成です。

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全体的にかなり雑な作りなのは、急いで作りたかった・安く済ませたかった・まぁでもそれなりに使える、を求めた結果です。許して


ソフトはこんな感じになりました。



turnsは巻いた数、densityは巻取り間隔です。横の矢印は巻く方向とかです。
RotationModeはコイル側だけ回します。ニス塗りのときに有用です。MovementModeとかは送り位置の調節とか用です。


VU管とはこんなの作って連結します。

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試しに巻いてみました。途中で間隔を変更しながら巻いてるのでこんな感じになっています。

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本番用コイル(約800巻)を巻いてみました。動画は40倍速にしていますが本当は約10分かかりました。



出来たやつ
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782回巻いたらしいです。
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キレイに巻くにはどうやらセッティングにコツがいるようで、それまでUEWを結構無駄にしてしまいました。あまりにも雑に作ってしまったので精度の悪さや歪みなどがあり、その影響もあると思います。
しかし手巻き/半自動巻よりかだいぶ楽に制作できるようになったので良かったです。

3Dプリンタを使ってみた

VVVFインバータで音楽を演奏してみました。



制御ボードをPCに接続すると、MIDIデバイスとして認識され、MIDIの演奏ができます。

MIDIVVVF

原理としては搬送波の周波数を変えているだけです。ドレミファインバータの音を音楽でやってるようなもんです。
とりあえずやってみたかっただけなのでピッチベンドとか入れてないし3和音までしか出せません。まぁ和音は音が汚くなったり、音が出にくくなってしまうようなのであまり良くはなさそうですね。


さて、学校に3Dプリンタがありまして、教員にお願いしたら使わせてもらうことが出来ました。
とりあえずテスト印刷してみました。

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うまく出来てるようです。
普通に使えそうなことがわかったので、三相モータの軸に装着する何かを作ってみました。

motor

結構ピッタリハマって気持ちがいいです。フル回転させると遠心力でぶっ飛んできそうで怖いですがまぁなんとか大丈夫みたいです。


レールガンのマガジンも試作してみました。以前もマガジンを試作してみましたが、安定性がなさすぎて使い物になりませんでした。3Dプリンタならば複雑な構造のものでも作れるので、小型で安定なものを作ることが出来ました。

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バネでスライド部が押されて弾が安定するようになっています。そして外部から棒で押してやると1個ずつ出てくるようになっています。
3Dプリンタ特有の凸凹でスライドとかは厳しいかな?と思いましたが出来なくもないようです。
前のものと比べるとかなり良くなりましたが、まだ改善できる箇所がありそうです。

ネタがない

最近は特に何もしてないです。書くネタもないので、今年咲いた秋月の彼岸花でも貼っておきます。去年買って植えたら咲いて今年も咲いたので2回目ですね。

9/12 気づいたら芽が出てました
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9/13 茎が伸びてる
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同日夜 朝と比べても伸びてきています
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9/14
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9/15 伸びるのが早いです
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9/16
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9/18 KKTと違って皮が剥けました。スルムケ! 身内ネタ失礼致しました
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9/19
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9/20 そろそろ出そう
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9/21 咲きました!
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9/22 それなりに咲いてきました
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9/24 満開です!
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9/28 数日後には枯れてしまいました。かなC
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9/29
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10/2 あーあ
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10/11 久しぶりに覗いてみると花の茎の根元からちっちゃい葉っぱがワサワサ出てきてました。かわいい。茎はまだなんか残ってます...
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現在は茎の部分は消滅してめっちゃ葉っぱが大きくなっています。
今年もきれいな彼岸花でした。



話変わりまして某高専の文化祭に行ってきました。

Xe氏作 電気自動車...?
誘導電動機とインバータとバッテリをゴーカートに積んだそうです。試乗させてもらいましたが結構スピード出ます。3人乗っても大丈夫です。写真に写ってるのはXe氏とたまごさんです。これを3日で作ったって言うからヤバイ
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Xe氏作 電車...?
誘導電動機とインバータとバッテリをフレームに積んだそうです。試乗させてもらいましたが結構スピード出ます。
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タマゴさん作 DRSSTC
おっきいです。なんだかんだでこのサイズの稲妻を生で見るのは初めてなので興奮しました。
キーボードが用意されており誰でもテスラで演奏できるようになってました。
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弾いてるのは作者本人です。テスラ作れてピアノ弾けてこの人つよい。回路構成もなかなかキチガイでなんで素子が潰れないであんなにもよく放電するのか不思議です。


ここは特等席ですね!手を伸ばせばもう放電に当たりそうな場所です。
たまごさんによる生演奏です。



ジャパリまん
焼きごて作者はセンスないさん。なんと手動フライスでこの曲線を出したらしい。頭おかしい。
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Xe氏作 VVVFインバータ
不調だった模様で動いていませんでした...写真撮り忘れました。

代わりと言ってはなんですが、自分もなんとなくVVVFインバータ持ってったらなんか飛び入り展示してしまいました。
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ぶん回してんのはできたてほやほやバーサライタです。テープではっつけてるのでいつぶっ飛んでいってもおかしくないです(危ない)
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そういえば加減速ボタンを作りまして適当に回して遊べるようにしました。プログラムにはとりあえずいろんなVVVFパターン入れておきました



文化祭非常に楽しかったです

VVVFインバータを作った

前から作ってみたいと思っていた三相インバータ、いわゆるVVVFインバータを作ってみました。VVVFといえば電車のあの独特な音、アレを聞きたいんです。

プリント基板発注しました。
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黒基板いいですよね。本当はつや消し黒が良かったですがちょっと高かった。

電動機はAC200V駆動ですが、AC100Vから動かせるように倍電圧整流...ではなくPFCを搭載しました。
インバータ部はハーフブリッジドライバを使用したもので特に変わったことはないです。
制御はいろいろ応用ができるよう、基板にマイコン等は搭載せず、外部から直接三相の信号を入力するようになっています。各相に電流センサも付けたので本格的な制御とかして遊べそうです。ついでに信号入力、電流検出出力は絶縁されているので安心です。あと絶縁DCDCも積めるようになっていて、ゲトドラ用電源から制御用電源も生成できます。


まずはインバータ部だけ作ってみてテストしてみます。
素子は裏につけるようになっています。
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まぁもちろん死ぬわけ(原因不明
死んだ素子は足を曲げておくとわかりやすいです
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素子が悪そうなのでいろいろな素子で試してみてるところです。
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時間がなかったので結局IGBT使ってゴリ押しすることにしました......
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無事に動いてくれましたのでPFC部も作ってフラックス洗浄しました。PFCはNCP1654を使用したものです。
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基板の下に放熱器と称したアルミ板をくっつけ、その下にインレット、ヒューズ、スイッチ、ゲート用電源を載せて完成です。いろいろ雑ですがもう本当に時間がなかった
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素子はほぼ発熱しないのでこの程度のアルミ板でも十分のようです。

制御には最初PICマイコンを使おうと思っていましたが、処理能力が足りなかったのでMbedを使うことにしました。初めての32bitマイコン、初めてのMbedでしたが、1日で基本的なことが覚えられたのでMbedは素晴らしいと思います。
なおボードはぐり氏設計のLPCXpresso11U68互換ボードです。設計ミスがあるということで安く頂きました。
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そんなわけで動作確認です。
E231系の墜落インバータにしてるつもりです。

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1パルスモードに移行するときにガタンという振動が出てしまうのでその直前までの回転数までにしています。この振動は今後の課題ですね。
文化祭で展示するために急いで作ってなんとか回すことが出来て良かったです。暇があればもうちょっといろいろなところを改善したいです。

1石お手軽誘導加熱

Twitter上で誘導加熱が流行って(?)いたので自分も作ってみました。

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1石で動作する回路です。
IHクッキングヒーターや炊飯器、電子レンジのインバータなど、わりと身近にある家電に使われてる方式だったりします。

缶に水入れて沸騰させてみました。



電源には24Vの電源装置を使っています。本当はAC100V突っ込みたかったのですが、高耐圧な素子がなくて今のところ24Vで我慢しているところです。


基本的な回路図です。

1石共振

L1が加熱コイル、C1が共振コンデンサ、M1がメインのスイッチング素子です。
回路の簡単さでは自信があります。将来保護機能などの拡張も楽にできるようになっています。

まず、「動作開始」と書いてある電源から一瞬電圧が出力されると、回路が動作し始めます。※一瞬(1usくらい?)じゃないと動作おかしくなるかも。
その先にあるORが1になると、さらにその先の「A」の回路に入力されます。この回路はパルスの立ち上がりエッジを検出する回路で、連続的に1が入力されても一瞬だけ1を出力してくれます。

赤:ORの出力(A回路の入力)
緑:A回路の出力
A回路


Aの回路の先にはSR-FFがあります。Sに1の信号が入力されるのでQが1、そしてMOSFETがONになります。そしてL1に電流が流れ始めます。
この時、MOSFETのドレインの電圧は(理想では)0Vです。ドレインの横にある分圧回路で分圧されたあと、コンパレータに入力されます。
そういえばこの分圧回路はあんまり分圧の意味をなしていません、どちらかと言うと高電圧が入力された場合にはダイオードを通ってクランプされるような動作をします。
話を戻しますと、コンパレータの-には分圧された0V、+に基準用の電圧がかかるのでコンパレータの出力は1となり、ORに入力されます。
今度は「B」の回路を見てみましょう。ORの出力が1のとき、50kΩの抵抗を通ってじわじわと1000pFのコンデンサに充電されていきます。電圧が上がっていき、しばらくするとその先にあるSR-FFの閾値に到達し、Rが1と判定されるのでQが0になり、素子がOFFになります。
つまり50kΩと1000pFの大きさで素子をONしている期間を決定しています。
(ちなみにこの時Aの回路は一瞬だけ1になるのでORの出力が1でもAの出力は0になっています)

赤:ORの出力(B回路の入力)
緑:B回路の出力
B回路


素子がOFFになるとL1の電流も途切れたいところですが、そういうわけにはいかず、かわりにC1へ電流が流れていきます。これでなんとなくL1とC1で共振します。
この時はD電圧は高電圧になってるので、コンパレータは出力0となり、Aの回路もBの回路も出力0なので、SR-FFは変わらず素子はOFFのままです。

L1とC1が共振するとなんかしらんが勢いで勝手にドレイン電圧が0Vまで戻ってくる点があります。
この0Vになった瞬間、コンパレータが1となり、SR-FFが1、そしてMOSFETがONになります。
このようにして発振が続いていきます。

そして注目してもらいたいのが素子のON/OFF時のドレイン電圧です。
ターンオフ時はC1に充電される時間があるため、いきなりドレイン電圧が上がることはなく、0Vから徐々に電圧が上がっていきます。その後、共振で0Vまで戻ってきます。今度はこの点で素子をONにします。
要するにうまいことZVS動作をしていて素子のスイッチング損失がほとんどゼロにできるんです。考えた人頭いいですよね...

赤:ドレイン電圧
緑:ゲート電圧
zvs


「動作開始」は一瞬電圧を出力します。こいつがないと発振が開始しません。
コンパレータの基準用電源はZVSタイミングの調整と、MOSFETのRdsやIGBTのVce_Satの対策みたいなものです。
分圧後のコンパレータへの入力なんですが、寄生容量のせいでなんか遅れ気味になっちゃうみたいです...。自分のやつはこれが逆にいい感じの動作をしてくれててZVSタイミングを調整できます。でも寄生容量利用するとか気持ちわりぃよね

素子のON時間の設定はBの回路の抵抗値で調整できるのでここを半固定抵抗またはボリュームにして出力の調整をすることが出来ます。B回路の後ろにコンパレータくっつけても良いかもしれません。
ただしあんまりON時間を短くしすぎると周波数が高くなったり、電流があまり流れなくなってドレイン電圧が0Vまで戻ってこなくて発振が止まっちゃったりするので注意です。

また、上記の回路はすごく基本的な部分だけの回路図なので何の機能もついていません。過電圧・過電流検出回路をつけたり、動作/停止の制御もできると良いかもしれませんね。
あと回路図上ではゲートドライバも省略してるので実際作る時は付けましょう。


自分は上記の制御回路をPICマイコン内に組み込んで簡単に仕上げました。IH本体の回路は中でロジック回路組むモジュールとコンパレータと周辺回路で完結してるので、マイコン的お仕事は動作開始のパルスを出すことしかしていません。

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この回路はZVS動作できるのが良いところですが、自分のは発熱が結構あるのでうまくZVS出来てないのかもしれないです。オシロで見た感じはまぁZVSどうなになってる気がするんですけどねぇ...。ON抵抗で普通に発熱してるだけかもしれないです。わかんないです。

黃:ゲート
青:D電圧
紫:D電流

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なんか電流波形がひどいね
とりあえず簡単に作れたので満足しています。




===追記===
回路いじってたらもうちょっと簡単にできました。
基本構造は同じです。試作してないのでわかりませんが動きそうな気がします。
OR(A1)の後ろ~バッファ(A2)の間の部分で、立ち上がりエッジ検出とON時間のタイマーを兼ねました。真ん中の10kΩの抵抗(R2)を調整すれば出力可変(ON時間可変)できるはずです。
RS-FFが消えたのは大きいと思います。マイコンに組んだとしても外付け部品が少なくなるのは嬉しいことです。

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