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。

昇圧チョッパ

回生型コイルガン-装弾機構とソレノイド

最近コイルガンの制作を再開しました。

さて、今回のコイルガンでは、弾をマガジンから加速コイル内に移動させる時、市販のソレノイドで押し出す方式を採用しています。
ソレノイド弾押出説明

前回の記事で書いたようにこれが全然うまくいかないんですよ。前回の記事をまとめると、
①ソレノイドのパワーが足りなくて弾を押し出せない
→定格の倍(24V)かけてゴリ押して解決できそう
→ソレノイド電源用の昇圧回路追加しなきゃ
②無事押し出しても、次の弾が上がってきてソレノイドを押さえつけてもとに戻らない
→戻し用ソレノイドを追加して解決できそう
といった感じでした。


ということで、まずソレノイド用電源回路を制作しました。LT1370を使用した50W級DC-DCです。力こそパワー。
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スペースがない上に、ソレノイドが48Wも食うので設計が非常にきつかったです。だからこんなクソ高いめっちゃ性能の良いIC使ってるんだけど。ただ短時間動作なので熱に関しては楽だったかもしれない。
はんだ付けいろいろミスして汚くなってしまいましたが動くのでどうでもいいです(適当)

メイン基板に実装。乗せるの無理やりすぎやろ
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ソレノイドの動きは実験通り良好です。ソレノイド自体の発熱に関しては、思ってたよりも平気で問題になりませんでした。


②は言葉だとよくわからないかもしれないので図です。
戻らない
図でもよくわからないですね。とりあえずソレノイドがもとに戻らないんです。それで戻し用ソレノイドを付けたってわけです。
よく考えてみると、ソレノイドの先端につけていた押し出す部品の形状が良くないのでは???ということになり、もうちょっといい感じに改良することにしました。

上が最初につけてたもの、下が新しく試作したものです。
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これが大正解だったようで、初期に比べるとかなりスムーズに動いてくれます。
初期Verは次の弾をモロに受けてたので押さえつけが発生してたのですが、新型は次の弾をスムーズに受け流す形になっています。
同時に、この形状ならば戻し用ソレノイドが無くてもソレノイドが元の位置に戻ってくれる事が判明。結局ソレノイドを1個に取っ払いました。
ちなみに、先端部品は結構な衝撃が加わるのでポリカーボネートで制作しています。

その後も試行錯誤して良さそうな形状を探してみました。上から制作した順です。一番下とかもうわけわからんでしょ、でも現状これが一番良く動いてくれてます。
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実際にソレノイドに取り付けるとこんな感じ。
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マガジンを入れるとこう
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ソレノイドを動かすとこんな感じになります。
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現状はこの先端部品で概ね良好ですが、たまに装填エラーが発生するので、気が向いたら新しく作ってみます。

回生型コイルガン-メイン基板②

昇圧チョッパが動かないということで萎えて2ヶ月くらい何もせずに放置していました。
でいい加減やるか~~ということでいじってたんですがやっぱりうまく動かないわけ
もうこれダメだわ~ってな結局昇圧チョッパ再設計して大改造しました。
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ちゃんと動きました。
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次に加速コイルスイッチング用の素子を生やしましてメイン基板はほぼ完成といったところです。
3段式なので素子が4つあります。
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あとは必要に応じてコネクタやらLEDやら付ける予定です。

回生型コイルガン-メイン基板①

5月はあんまり作業しませんでした。
回生コイルガンの試作回路を参考にして、本番用の回生型コイルガンのメイン基板を作り途中というところです。
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まずは充電回路作ろうな~~と思って昇圧チョッパまで作ったんですよ
んで動かしてみたら電流検出がなんかうまくいってないっぽくてだめだったんですよ
それから萎えて何もしてないという状況です。


あとは久しぶりにVVVFカート乗りました。
前回乗ったときにインバータが燃えたので作り直しました。なんかまた燃えそうなのでやる気ない基板になりました。
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あと後輩くんがカートにヘッドライトとテールランプつけたいって言ってくれたので、LEDドライバをパパっと制作


209系(GTO)風の音で走らせてみました。


やっぱこの乗り物は楽しいです。

コンデンサ充電用小型昇圧チョッパ

以前開発した昇圧チョッパプリント基板化してみました。
現在実質凍結状態の携行型レールガン用に作りましたが、普通にコイルガンやその他高電圧実験系でも遊べると思います。
出力は以前と同じ200Wで設計して回路構成の変更等もありませんが、パワー素子とコネクタ以外はすべて表面実装化して小型化を目指した感じです。

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部品を詰め込みすぎてシルクが潰れてしまってるので反省

こいつはメインのMOSFETとダイオードにSiC製品を使う予定でいるんですが、壊すと金銭的ダメージがヤバイので、とりあえず普通のシリコンのダイオード・MOSFETで試作してみました。コイルも仮のものです。
動作テスト中の様子ですが、いい感じに動いてくれません。

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原因はスイッチング時のノイズでマイコンあたりが誤作動してたようです。配線パターンの設計能力のなさを感じる...
MOSFETのゲート抵抗を大きくしてスイッチングノイズが小さくなるようにしてみましたが変わらず...
ダイオードのリカバリ電流が悪いんでは?と思って思い切ってをSiCダイオードに交換してみると、完璧に動いてくれてました。SiCすごいです。やっぱチョッパ系にはSiCショットキー最適なんですねぇ
マイコン9,10ピンをショートしてるのは仕様です。仕様です。

色々実験してるうちにメチャクチャ汚くなってしまったので

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新しい基板で作り直して完成です。

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見た目はいいよね!だいぶ気に入ってる
サイズは46x25x21mmで出力そのまま従来の約1/4以下まで小さくなりました。
まぁ大体はインダクタがつよいおかげです。インダクタンスも低いもの(15uH)にして小型化できました。マイコンの裏側にインダクタがあります(えぇ......)ガチ設計者から怒られるやつや
あとはどうせ数秒しか動かさないしそんな大きいヒートシンク要らないだろーーーーとかいって小さめのヒートシンクを使ったからです。とかいって多分30秒くらい動かしちゃって熱くなって壊しちゃうんだろうな(池沼) ガバガバ設計すぎる。
MOSFETとダイオードは基板と共締めしています。。
コネクタはマイコンへの書き込みと動作状態などの通信を兼ねています。穴がズレてるのはピンヘッダを差し込んだ時ガバガバせずにちょうどハマってくれるというものです。ぐりにゃんから教えてもらいました。


それで出力テストしてみると、どうがんばっても設計出力より20Wも低い180Wしかでないんですよ
実験してデータを取ると、出力電圧が200Vくらいのときには出力は何故か250W出るのに、380Vまで出すと180Wになってしまうことがわかりました。

↓実際のデータ コンデンサは1250uF
時間t[s]電圧V[V]エネルギーE[J]出力P[W]
0.120025250
0.226343.230625216.153125
0.331361.230625204.1020833
0.435076.5625191.40625
0.538190.725625181.45125

このことから多分インダクタのインダクタンス不足で十分に電圧が出力できてないんだと思います。(まぁ設計段階から薄々気づいてた)
試しに大きめのコイルで試してみたら普通に200W出てくれました。
それとノイズを抑えるためにゲート抵抗を大きくしたので、ドレイン電圧立ち上がりがぬるくなって一番美味しいところがうまく出力できてないというのもあると思います。
そんなこんなで現状で200W出すのは諦めました。今度もう少しインダクタンスの高いものを買ったら実験しようと思います。



出力は180Wで良いとして、とりあえず連続で負荷をかけてみると、5秒後くらいにMOSFETが壊れてしまいました。
3回くらいやらかして、今使ってるMOSFETは20A定格で普通にスペックが足りてないことに気づきました...
ということで30A定格のものを付けました。
TO-220パッケしか付けられない設計になってるのにTO-247パッケのものを付けたかったので無理やり外付けしました。

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再実験すると10秒以上動かしても大丈夫でした。

コンデンサ充電テストの動画です。緑のLEDは電源ランプで赤が動作中を示します。



コンデンサは360V2.5mFで162Jです。
電源ON後、数秒後に動作開始し360Vで動作停止するというプログラムにしています。
約900msで充電完了してるので大体180Wくらいですね。
発振周波数は約100kHzくらいで可聴域外ですが、どっかが共振してるのかしらんけどうっすらチュイーンって音が聞こえます(えぇ...)

あとはMOSFETをTO-220な強いやつにすればきれいに収まってくれそうですね。いやSiCMOSFETは買ってあるんだけど、壊すの怖くて使えないんだよね...
普通のMOSFETでも220パッケで600V40A近くの定格のものもあるので今度買おうと思います。もうMOSFETじゃなくてIGBTでもいい感じもするね
あとインダクタだね 小型で大電流でインダクタンス高めなのって売ってるかなぁ

進捗があったらまた記事書きます。

【コイルガン向け】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

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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

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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。

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このチョッパの特徴としてはこういうこと

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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

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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

DS1Z_QuickPrint28

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
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