ぽんず製造所

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回生コイルガンを試してみた

なんか最近コイルガンが作りたくなってきたので、回生型コイルガンの回路を試作してみました。
回生コイルガンというのは、スイッチング時のサージを回収して次撃つ時の電力にしようっていうやつです。他にも利点は多々あるのですが面倒なので割愛します。
基本的にはHigashino氏の回路を参考にしていますが、ここにコイルの電流を測定して電流値を一定に制御するというもの取り入れてみました。
具体的には、シャント抵抗で電流を測定→コンパレータで基準値と比較→低ければON、高ければOFFというように素子をスイッチングします。
LTspice上の回路と波形。赤がMOSFETのゲート波形(上下のMOSFETとも同相)、緑がコイルの電流波形です。大体40A付近で定電流になるように制御されてますね。
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キャプチャ


実際に作ったものがこちらです。
DSC_2661

撃ってみました。コイルはなんか奥の方から発掘した昔作ったやつです。通電時間5ms、電流30A、コンデンサ電圧360Vです。

意外と強かった。

コイル電流
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コンデンサの電圧波形(水色)
(黄色はコイル電流(のようなもの)、ピンクがMOSFETゲート波形)
DS1Z_QuickPrint4

コイルに電流が流れると電圧が下がっていきますが、流れを止めた後に若干電圧が上がっています。これが回生です。
今回に関しては威力がどうとか効率がどうとかというよりも回路を試してみたかったのでこれでよしとします。

EMP缶クラッシャー

久しぶりにオイルコンデンサを引っ張り出してきたので、EMP缶クラッシャーやってみました。

EMP缶クラッシャーとは、空き缶にコイルを巻き、コイルに大電流を流すと缶が変形するというもの。アルミ缶には誘導電流が流れお互いに反発しあって缶がへこみます。海外勢なんかのすごいやつなんかはその力でアルミ缶を真っ二つにしてますね。
EMPはElectroMagnetic Pulseの略で日本語だと電磁パルスになります。

缶クラの回路構成はレールガンやコイルガンとほとんど同じで、コンデンサに電荷を貯めておいて大電流を瞬間的にコイルに流すようにします。
しかし缶クラは放電時間はそんなに必要なくて、とにかくピーク電流値が高い方が威力が出ます。そこでコンデンサの電圧を数kVにしたり、パルス放電特性の良いものを使ったりすることが多いようです。オイルコンはまさにそれで缶クラに向いています。電解コンでもできますが、あまり良くないと聞きます(実験してないので知らんです)

動画です。



2.8kV、250uFで1kJ近く投入しています。7セグのやつが電圧計です。
実はこのコンデンサ耐圧2kVなんですよね。

缶はこんな感じにへこみました。

DSC_2001

最近ドンパチしてなかったし久しぶりにやると楽しいです

簡易レールガン

ネットで公開されている自作レールガンの中でも、自分の作るレールガンは小型で簡易的な(お粗末な)部類の物だと思いますが、これをさらに簡単にできるかと思い試作してみました。

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サイズは大体5cm程度です。
レールは入手が簡単でしかも安いVVFケーブルの芯線を使用しました。レールは撃つと損傷し交換することもあるので安価なのは重要ですね。
今回は平角銅線が手に入ったのでオーグメントコイルに使用してみましたが普通PEWとかでもいいと思います。
あとは適当なアクリルやネジで構成されてます。
よく見ると穴の開ける位置をミスってしまってガタガタになってます。恥ずかしいのでよく見ないでください。

450Jくらいで試射してみましたが結果は全然駄目でした。効率1.5%くらい
う~ん? 

キャパシタチャージャー用昇圧チョッパ⑦

前回理由説明するとか言ってたけどめんどくさいからやーめた
とりあえずプログラムでPWMではなくPFM方式での動作が可能になって安定性が高まりました。
マイコンのPWMモジュールのPWM生成の方法についてよく調べたらPFMも可能ということがわかりましたので

出力電圧を読み、それにあった信号をマイコン内のPWMモジュールで作る利点としては、完全に他励式なので電流検出回路がいらないことや発振が安定することなどです
電流検出については、その分の実装面積分をなくしたり、シャント抵抗分の発熱がなくなったり、シャント抵抗のせいでGNDが浮いてしまうなんてことが無かったり、それなりに良いっちゃ良いですが電流検出はあったほうが安心かもしれないですね過電流防止とか用に
以前のようにコンパレータとRSFFでやるものはたまーーーーに発振がンンッ?ってなることがあったけどPWMモジュにやらせればこんなことはないですね、MOSFETくんも気持ちよさそうです。


そんなこんなでまたチョッパ作りました。
このチョッパは300W出力で設計してみました。サイズはそのまま出力1.5倍です。
測定用にシャント抵抗がついてますがいずれ外す予定です

CIMG0113

前はでっかいコイル1つでしたが小さいの4つに分散させました。

制御基板
マイコンとゲートドライブICが乗ってます

CIMG0108


ベース基板
コイルや電圧フィードバック、レギュレータなどが乗ってます
この基板には小型化のために0.3mm基板を使ってみましたが薄すぎてこの用途には強度がたりなかった...マイコン工作とかではいいかもしれないです。

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ぱわーなところ
MOSFETとかダイオードとかがあります
コイルを4つにしたのでMOSFETやダイオードも4つになってます(ダイオードは二素子入り)
MOSFETは最近秋月に出たスペックの良いやつを使ってます。 値段もぶったまげるくらい安いのが秋月の魅力ですよね。

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ヒートシンクにTO-247素子が埋め尽くされてるの頭おかしい。

それでコイルとコイルの間にネジを通してしかもダイオードの固定と基板の固定を一緒にするというマジキチっぷり
制御基板の裏の空白部分に多回転半固定抵抗とかパスコンをつけたりしたのでかなり密度が高くなってます。
多回転半固定抵抗もコイルの間から回します...

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LEDを何となくいっぱいつけたらなんかいい感じになりました。見た目が。

myhome


このチョッパの特徴としてはこういうこと

DS1Z_QuickPrint21


今使ってる電源が240Wなので設計出力300Wは出せません(電源装置では150Wの出力を確認)
ということで電源をリポに変えてみて、300Wフル出力させてみました。

3750uFのコンデンサを充電した時の電圧波形

DS1Z_QuickPrint24

3750uFを316V充電したので約187J
これを400msで充電してるので187 / 0.4で 出力約460W....!?
と、いい意味でも悪い意味でもちょっとよくわからない出力がでてくれました...
目標出力を遥かに上回っていて嬉しいのですが、さすがに出力出過ぎ。電源がリポなのでこんなに電流流すと爆発しそうで恐ろしいです。
やはり電流制限用にシャント抵抗等をつけたほうが良かったかも知れないです。
本気出せば450W以上出せることがわかりましたが、ここまで来ると出力をわざと落としたほうが良さそうです。

というか300W出力で設定したのにこの出力が出るっていうのがよくわからないわけ
おそらくインダクタの飽和等でインダクタンスが変化し電流がガバガバ流れるようになった説が濃厚です。
詳しく調べようとしてもリポ怖い&ヒューズ切れるで動作時間が極端に短いので実験回数も少なくデータがあまり取れていません。本当に460Wも出てるのかもよくわかりません。いや出てるんだけど...


最後に本番と同じ7500uFの充電した時

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320Vまで900msで充電してるので出力は420Wほどに落ちています。おそらく電池が減ってきただけだと思います。

新チョッパはまだまだ不安定ですがなんとか動いてくれました。調節や出力リミットなどをつけて安定化していきたいと思います。



おまけ:歴代の昇圧チョッパ
出力や効率だけで見るとどんどん高性能化していってますが、大きさや安定性など総合的に見ると真ん中のが一番良かったかもしれないです(そもそも今回のはまだ開発中ですが)

CIMG0116

キャパシタチャージャー用昇圧チョッパ⑥

またチョッパを思いついたというか、作ってみたかったというか、やりたいことがあったのでその事前実験というかをやってみました。
キャパシタチャージャー用昇圧チョッパ①~⑤では全てPFMという方式で動作させていました。
今回はこれをPWM方式で動作させることにします。理由は次回

新たに基板を作るのがめんどくさいので⑤で作った奴をプログラムだけ変更してPWMで動作させることにします。
普通なら出力電圧は一定でいいのですが、キャパシタチャージャー用は出力電圧が変動します。なのでDT比も出力電圧によって変えなければいけません。
DT比は 1-(入力電圧/出力電圧)*100[%] でいいみたいです(テキトーにググっただけ)
プログラムとしてはADCで現在の出力電圧を読む、上記式を計算する、PWMモジュールにその値を入れるといった感じです。ADCは測定誤差が小さくなるように50回読んで平均させてます。このせいで次回DT比更新まで2msくらいかかっちゃってますがまぁ問題無いでしょう。
PWM周波数はマイコン的に一番やりやすかった7.8125kHzにしました。
また、出力電圧によってDT比が変わるということはコイルのピーク電流値が変わるということなので、出力電圧が低い時はコイル電流が小さく高い時には大きくなるはずです。これも実際に見てみましょう。

動作風景



PWMなのでちゃんと音の周波数が一定ですね


3750uFのコンデンサを充電した時の波形です
黄色:コイル電流
水色:MOSFETゲート電圧
ピンク:出力電圧

充電全期間
黄色がひどいことになってるのは無視して

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336Vを1.052秒で充電してるので出力は約200Wです。適当にやった割には結構出ますね
でますよ

拡大
充電初期

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充電中期

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充電後期

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周波数は変わらずにデューティー比だけが変わってる様子がわかりますね。 
それと予想通り出力電圧が高くなるとコイル電流が増えてるようです。
コイル電流の変動がよく分かる画像

DS1Z_QuickPrint18

コイル電流、充電初期はピーク7A程度ですが後期になるともう30A程度流れちゃってますね...コイル飽和しまくりっすね
デューティー比が上がるとコイル電流が増えちゃうのは方ないことなのでD比制限を掛けてもいいかもしれないです(出力は落ちると思いますが)
また今は全期間が臨海モードでの動作ですが、初期だけ連続モードで後期に臨海モードに切り替えるなどすれば出力の変動が抑えられるかもしれません。
こういうところを見るとPFM動作は電流値や出力電力が変動しないのがいいところかな―とか思ったりします(???)
記事書いてて思ったけどPFMなPWMできるんじゃね?と思った(?)

ちなみにDT可変の様子
速くて見難いかもしれないけど 

 

まぁこんなんやね
今のところ順調です。 
5000兆円欲しい!
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