ぽんず製造所

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PICマイコン

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。

DSC_1102

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。

DSC_1100

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。

DSC_1117


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。

DSC_1056

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。

DSC_1075

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...)

DSC_1078

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。

DSC_1177

基板を取り付けて完成です。

DSC_1193

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。

DSC_1145


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。

DSC_1138


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
DSC_1188

782回巻いたらしいです。
DSC_1184

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。

PICマイコンを使ったノーマルインタラプタ

今までテスラコイルのインタラプターには言わずと知れたスティーブ氏のインタラプタを使ってきました。

これ
DSC_0443

しかしドラム放電やQCW放電など、単発の出力をすることはできなかったので新しくインタラプタを作ることにしました。
(や、実は左上のボタンで単発出せるんだけど接触悪かったり何回も押さないといけないしなんだかんだで使い勝手が悪かった)

スティーブ氏のものは555を使ったディスクリート構成でしたが、今回はすべてマイコンで制御しようと思います。
基本的にはスティーブ氏のものと同じ動作+ドラムモードを実装するつもりですが、マイコンを使ってプログラム次第で柔軟に動作させたり、部品数も少なく配線も簡単にしちゃおうという魂胆
あと電池の持ちも良くなるように、というかなくなっても安価に入手できるように単3の電池を使うことにします。006Pはちょっと高いよね。あんまりかわんないかも。

こちらが作った基板

DSC_1237

乾電池一本で動かせるように、HT7733を使ったDC-DCコンバータで1.5V→3.3Vに昇圧しています。
あとはメインのマイコンとボリューム類のコネクタ(ピンソケットだけど)、出力の光コネクタが載っています。

ボリューム類がわちゃわちゃしすぎてる

DSC_1242

ケースに組み込んだ。

DSC_1249

ケースはその辺にあったテキトーな物なので少し小さく操作性が悪いです 

かんせー

DSC_1248

ボリューム類は、
電源スイッチ、モード切替、バーストモード間隔、バーストモードD比
    動作状態確認LED
単発出力ボタン、単発を一定時間おきにパンッパンッってやるやつ、周波数、パルス幅
という感じに並んでます。

使用したマイコンはPIC16F18325です。NCOというモジュールを使い、かなり滑らかに周波数を変更できます。0~125kHzまで0.1192092896Hzごと(20bit)に周波数を変えられますがもはやVR値をADCが10bitなのでNCOを使いきれてない。

???
DSC_1239


動画



このインタラプタは実はNT京都にあわせて作ったのですが、来場者の方から「なんで音が出せるの?」という質問をされそうだったのでパンッパンッパッパッパパパパバーーー(伝われ)ってやって原理を説明できるモードにを付けてみました。実際文化祭で実演した時は何度かこのような質問されました。まぁ結局テスラ本体がダメだったのでNTでこのモードを使うことはありませんでした(
話を戻しますとモード切り替えスイッチを一番下にするとこのモードになります。周波数ボリュームを右から左に下げていくと周波数が上がっていきます。
そのまま、モード切替スイッチを中点にするとノーマルインタラプタモードになり、ボリュームを上げていくと周波数がさらに上がっていきます。原理説明モード→ノーマルモードの切替時に周波数を連続させたかったので原理説明モードの操作が変な感じになりました。
モード切替スイッチを一番上にするとバーストモードになります。
左下のボタンを押すと単発出力(1msくらい)を出せます。で、その隣のボリュームで一定時間おきに単発出力してくれます。
長々と書いてしまいましたが動作はこんな感じです。 

使ってみた感想としては、上にも書きましたが操作性が悪い。持ちやすいケースで作り直したいね。
それ以外は思った通りに動いてくれましたし、特に以前のインタラプタで問題になった点を解決することが出来て満足しています。以上です。

新しいテスラコイルの制御回路

以前QCWSSTCっぽいものという記事を書きましたが、ここではもうちょっと詳しく書きたいと思います


テスラコイルの制御回路といえば、ロジックICで作るのが一般的です。
しかし、いくつかICを使うので配線が面倒で、作ったとしても動かなくて回路を見直したらそもそも動かない回路だった、ということがありました。
そこで、マイコン内に回路を組み込んで回路が自由で簡単に作れるようにしました。

試作した基板

DSC_0705

一番手前のICがマイコンです。この中にいつものロジック回路が詰まっています。インタラプタ入力やデッドタイム生成などもこのマイコンで行えます。
その後ろがハーフブリッジのゲートドライブICです。今回はGDTを使わずハフブリドライバを使ってみました。
その後ろが1次コイルをスイッチングするMOSFETです。


できるだけ回路を簡単に、ということで今回はフィードバックにCTではなく、ツェナーダイオードを使ってみました。

キャプチャ

ツェナなので電圧FBになります。実験では遅れなどもなくしっかり信号も出力してくれてなかなか優秀でした。
ただし、この回路は位相がどうのこうのでコイルの向きなどを調整する必要があると思います。

この基板のメリットは、回路がうまく行かなくてもプログラム次第でロジック回路部分を自由に組み替えられることです。また、ハーフブリッジドライバを使用したのでほぼ確実にMOSFETをドライブできます。デッドタイムもマイコンで生成してるので安心です。
デメリットは、パワー部・ロジック部・二次コイルが絶縁出来ていないことです。うまくやれば問題ないですがちょっと気持ち悪いですよね。


コイル自体は以前のものを使用して試験動作させてみました。
下の写真は入力24Vで動作させた時のものです。このあと400Vまで入力してみましたがちゃんと動いてくれました。

DSC_0706

マイコンで制御できるということで、QCWのような波形にするプログラムを書いて動かしてみました。すると...

qcw4

なんと簡単にQCWDRSSTC風の放電を出すことが出来ました。実際はDRではないのでQCWSSTCだと思います。
波形はちょっと歪んでるけどそれっぽくなっています。

DS1Z_QuickPrint19

プログラム次第で普通のSSTCとQCWを組み合わせた動作をさせることも出来ます。
通常はインタラプタで入力して普通のSSTCの動作をさせ、一定時間おきにQCW放電をするようにしてみました。



通常の放電に対してQCWの放電の長さがよくわかります。


調子が良かった時の動画です。たまにコロナが出ているのはインタラプタ入力を浮かせてたのでこうなってしまいました。 




前からやってみたかったQCWドラムをやってみました。
SSTCとQCWを組み合わせられるということで、ドラム時にQCW動作をさせ、それ以外のときはノーマルSSTCとして音楽とドラムを同時に演奏しています。



QCWの存在感よ


やっぱり絶縁されてないからなのか、よくバグって変な動作になります。
それ以外にも波形を観察してみるとゲートドライバの遅れが酷くてヤバイ気がしました。何らかの方法で位相を調節してやる必要がありそうです。 
さらに波形をQCWにしても針状の放電が出てくれないのでコイルを巻き直す必要がありそうです。共振周波数が低いと針状の放電が出ないそうです。
それでは今日はこの辺(へん)で。

QCWSSTCっぽいもの

5分で記事書けと言われたので書きます
新しいテスラコイルの回路を作ったので色々動かして遊んでたんですが、これもしかしてワンチャンQCWSSTCっぽいものできるんじゃね?と思ってやってみました。

てきと~にやったらできました。

qcw6
qcw4
qcw1
qcw12

波形 ちょっと歪んでるよね

DS1Z_QuickPrint19

よくわからないけどなんか普通のDRSSTCみたいな放電がでます
共振周波数が低いとこうなるって5分で書けって言った人から聞きました。

21


詳細はまた後日書きたいと思います。なにしろ5分で書けと言われたので
記事書きました:新しいテスラコイルの制御回路
ちなみに5分で書けとは言われてません。5分で書いていい?って言ったら書いてって言われたので書きました。

ドラム風に放電できるインタラプタ

テスラコイルでドラムっぽいこと昔からやってみたかったんですよね
QCWDRSSTCがドラムに最適だなとか思ったんですけどもうちょっと手っ取り早くやりたいなと思って(作る技量もないし)
インタラプタの方を改良してドラム風な放電ができるようにしてみました。 


とりあえず動画

うまるーん


けいおんのやつ


らき☆すた


ドラム音は、強制的に(通常のパルスに比べて)非常に長いパルスを1パルスだけ送っているだけだったりします。
放電が長くなるのと、通常の音楽の放電が中断されるのでポツッって感じに放電できるわけです
確か200us~1ms(ベロシティによって可変)のパルスだったと思います。

あと同時に通常の放電についても、ベロシティによってパルス幅可変にしました。
これによりパルス幅は74HC123制御ではなく全てマイコン制御になりました。マイコンがバグってもテスラ側に保護付けといたので大丈夫だと思います。
これで小さい放電(小さい音)とか大きい放電(大きい音)とか表現できますね!
動画内ではうまるちゃんの一番最後のピ↓ロ↓ロ↓ロ↓ロ↓のところとかわかりやすいと思います。

放電テスト的な↓

ボリュームも無理やり追加したので全体的な音量調節もできます。

アッそういえば74HC123を使わなくなったので、代わりに光コネクタ用の信号変調マイコンを取り付けました。ピン配置を合わせるために一回基板に実装してからソケットに刺さっています

CvYKjvQUEAAjX0x

テスラコイルといえば光コネクタの受信側の改造が必要でしたが、このマイコンを通すことで改造が不要になりました。これについてはまたいつか記事にしようと思っています。


実はどれも文化祭にあわせて改良した機能です。おかげでいい感じに放電させることができました。
それでは、今日はこの辺(へん) で。
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