ぽんず製造所

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携行型レールガン

【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

DS1Z_QuickPrint14

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

DS1Z_QuickPrint16


充電中期

DS1Z_QuickPrint15

充電後期

DS1Z_QuickPrint17

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。 

サイリスタ部分

レールガンのスイッチにディスクサイリスタを使うことにしたのでいろいろと作りました

アクリルとアルミ

CIMG0067

アルミは電極となり、アクリルで電極とサイリスタを挟み込みます。1枚しかないですがもう片方はフレームと一体化させる予定なのでまだ作ってません。
てかこのアクリル色々失敗してるし暇があったら作り直したい

アルミはアクリルにネジで固定できます。

CIMG0071

ネジを貫通させてるので

CIMG0073

このサイリスタの真ん中の穴にはまって固定されるようにしてみました。

CIMG0008
CIMG0074


サイリスタを駆動するためのゲートドライバ(?)も作りました。
スペースに収まるようにしてたらこんなスティックに。サイズ8x54mm

CIMG0066

普通にゲートドライバICで作るのもいいけど電源問題とかなんとかいろいろめんどくさかったので作りました
動作は回路図を見てもらえばわかると思う(パスコン等省略)
Untitled1
SCRのゲートはPchMOSFETを使ってハイサイドからスイッチングします。今回はFDS4675を使用。
左下のトランジスタ(今回は小型化のためデジトラを使用(小さいMOSFETでも良かったかも))がOFFになっていればMOSFETのG-Sは0VなのでONしません。
Trに電流を流すとゲートがGNDに落とされるのでMOSFETがON、SCRにも電流が流れてONします。
この時、本当にGNDに落としてしまうとゲートの定格電圧を超えてしまう恐れがあります。しかし横にあるツェナーダイオードのおかげで-18Vほどに制限してくれます。ツェナーに電流が流れすぎてもヤバイのでTrのコレクタの上にある抵抗で電流制限させています。

ダーーーっと書いたけどこんな感じ。
あとMOSFETのゲートはkΩ級の抵抗を用いているので立ち上がり・立ち下がりがかなーーーり遅いと思うのでとても気持ち悪いですが、流す電流も少ないしかける電圧もそんな大きくないし駆動時間とかどうせ数msのパルスなのでまぁ大丈夫だろう...多分
どうでもいいけどサイリスタ駆動回路ってネットにある資料少ない気がする


動作試験。
マイコンから1msの信号を送ってサイリスタを駆動させてみます。サイリスタには24V掛けて1Aほど流します。
なんとなくLEDつけた。

CIMG0075

黄色:マイコンからの信号
水色:MOSFETゲート電圧
ピンク:サイリスタのゲート電圧
青:サイリスタのアノードにかかってる電圧

NewFile18

完璧に動作(シミュレーション通り)している!!
ゲートを一度ONしてしまえばずっと電流が流れるというサイリスタの特性がよく分かります

MOSFETのゲートの立ち下がり...予想通りかなり遅い200usもかかってます
それとちゃんと18Vに制限できてるね

NewFile19

ついでに立ち上がり
まぁ立ち下がりよりは早いですが

NewFile14

サイリスタ部はこんな感じです。
そろそろフレームを作らないと先へ進めないです
フレームは全体的にアクリルで作ろうと思いますが、アクリルがないので注文しないと
アクリルで作るとasp氏コイルガンのパクリになりそうで怖いですってか設計図の時点ですでに......人の作品を見てるとなんか似てしまう
と言い訳しておく 

【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⑤

マイコン買ったんでこの前のチョッパ完成しました

こんな感じのが

CIMG0043

こうなって

CX9dBt4U0AAaqls

こうなって

CYBWbrfUoAA7P6R

完成 

CIMG0049
CIMG0050

コイルが変わってるのは仕様です
あとシャント抵抗起こしてそこにゲート電源用レギュレータつけました 

今まではボタンを押せば動作、みたいな感じでやってきましたが、マイコンにUARTで動作信号を送ると動作し始めて停止を送ると止まるようにしました。
チョッパからは電圧情報が返されてきます。
また補助機能的に自動充電停止機能をつけました。
動作の状態などはプログラムで色々設定できるからいいね

\パカッ/

CIMG0054

このフィルムコンがそれなりに重要でして

CIMG0057

チョッパからコンデンサまでが長い場合、配線インダクタンスでチョッパ側に過電圧が発生してしまって運が悪いと素子が死にます。
この過電圧を抑えるために出力の直後に適当なコンデンサを入れています。直後に入れて配線インダクタンス成分をなるべく小さくします。
とりあえず0.47uF2シリで0.235uFくらい入れてみました。
2シリになってるのはスペース的に入りそうな薄いフィルムコンが手持ちにこれしかなかったのと耐圧が足りなかったから

コンデンサがない場合の出力直後の電圧(シミュレーション)

さーじ

コンデンサあり(実測)
ピンク:出力直後, 水色:ゲート

NewFile7

結構抑えられているようです


コイル電流波形を見てみた
大体動作はあってるけどなんかものすごく汚いしヤバイです......逆になんでこれで動くのか

コンデンサ充電初期と充電後期のコイル電流です
黄色:コイル電流 水色:ゲート

NewFile3

ちゃんとD比が変わってるのがわかります。

NewFile6


あとテキトーに効率計算してみた
黄色:コイル電流
水色: 電源電圧
ピンク:出力コンデンサ電圧
負荷は抵抗負荷150Ω

NewFile10

電源が平均23.1V
コイル電流を見るためのシャント抵抗が22mΩで電圧がの平均が268mV=12.1818...A
なので入力281.4W

出力は199Vの抵抗負荷150Ωなので264W

出力/入力で効率93%......??で計算あってるのかな
これがあってるなら効率結構良くて嬉しいです......が、なんか計算ミスしてそう。それに電圧が上がれば上がるほど効率が落ちると思うのであんまり考えないでおこう
あと抵抗負荷じゃなくてコンデンサ充電だともっと出力も効率も落ちますし


まぁチョッパが完成したのでこれをレールガンに搭載しようと思います。というかもともとそういう目的で今までやってきたんだしね




ーーーーおまけーーーー
レールガン用のでかいコンデンサを充電してみた


ディスプレイ部の制作

そろそろ携行型レールガンを本格的に作っていこうと思います。いつできるかわからんけどね。途中で放棄する可能性もあるよ
今回はレールガンの動作状態等を見るディスプレイ部を作ろうと思います

秋月八潮で福袋を売ってるということで部品を買うついでに買ってきました。

CYK3gBVUMAAsz3U

福箱が欲しかったですが来た時(発売から4~5時間後)にはもうなかったです。意外と売れちゃうもんなんすね~


衝動買い品 

テスターP-16 
端子が壊れてるとかなんとかで安くなってたんですがなんか普通に使えました。

CYLL0HYUEAE5DPL

💪パワーボーイ💪
つよそう(小並)
ただの電源です。電圧とかMOSFET, IGBTのゲート駆動にちょうど良さそうなので買ってみました。 
こいつを4つとホトカプラ使ってフルブリッジ組んでテスラとかやってみたい

CZpxkDNUYAE35kN

以上八潮の特産品でした以下本文


ディスプレイのメイン部分となるLCDはバックライト付きの小型I2CLCDを使ってみました。
白バックライトめっちゃすきやで 白抜きLCDよりかこっちのほうがすきかもしれない

CIMG0048

充電電圧を見るためのLEDです。点いてるLEDの場所がめちゃくちゃですが後でプログラム書きなおします
LEDが10個ありますがチャーリープレクシングを採用してるので4本線で制御できます。
基板は話題のノンスルーホール両面基板を使ってみました。今回はこれを使った意味はあまりなかった(要するに使いたかっただけ)

CYR_1YPUQAA4orx

組み合わせてこんな感じ

CYSTh_SUsAAFdnH

いいんじゃね?
マイコンはPIC18F14K22を使いましたが今後変更するかもしれません
あとLCDは後々固定します


試験プログラムとしてコンデンサ充電器の出力を測るやつを作ってみました。
チョッパで充電して一定の電圧に到達するまでの時間を計測し計算するという感じです。

簡単にできると思ってたらチョッパのノイズが酷くてうまく測定出来ませんでした
1145141919810年くらい悩んで試行錯誤してやっと測定できたのがこちら

CYdBad6UQAAndty

うん
まだマイコン基板とか操作部も作らないといけないし
まぁこんな感じでちまちま進めていきます。

レールガンを携行型にできるかもわからんね

久しぶりの更新ですがとりあえずおうち引っ越しました
その影響であんまり工作ができてないのですがそれまでにやったことかきます

NT用れるがんでは400Jで効率2.3%とかいうまぁまぁな効率を記録したわけです。音速超え、出力10Jくらいです。
そこでちょっと思いついたのですが、400Jって意外と持ち運べそうだし携行型レールガンワンチャンあるんじゃね...?って
目標は音速超え、出力10J以上効率2%以上とします。 


スイッチ。
スパークギャップスイッチや電解孕みなどは大電力を扱える利点はありますが、溶着するし効率も悪いし接点もいずれ消耗してしまうので携行型は半導体化が不可欠です。
今回はこのサイリスタを使います。スペックは1.2kV560Aパルス6.3kAです。これくらいのスペックだと何kJとかいけるんじゃないかな(よくわからん)(インダクタを挟めば云々かんぬん)

CIMG0008

電極となる適当なアルミバーと端材アクリルを切り出して挟み込んで完成じゃ

CIMG0007
CIMG0006
CIMG0005

雑だけど試作なので問題ない


で、あとは普通に配線して撃つだけ。
レールガン本体はNT用れるがんでいきます。
充電はZVS不ドライバーを使ったよ

結果

CSS4d2MVEAAxe5K

普通に音速超えてるやんw
コレは期待できそう

入力486J
出力412m/s 6.79J
効率1.55%
でした。1.5%程度でも弾が軽いから音速超えちゃったんやね


もう一回撃ってみると

CSTPdX0UEAAxe2O

500m/s超えました。
出力538.7m/s 11.608J 
効率2.611%でした。
実はこの子の効率過去最高記録だったり。 


動画



ZVSドライバーのチャージ音がかっこいい
電圧とか初速は見ての通り
出力413.2m/s 10.244J
効率2.213%

という感じで意外と携行型も夢ではないようです。
目標も軽々と超えてしまったので効率3%超え目指そうかなーって思ってます。
いいこと思いついてたりするし、あのなかた氏とお話してたらいいこと聞いたんで早く実験してみたいなぁと思ってます(するとは言ってない)
現段階では充電回路が問題になってます。ZVSドライバーは安定性がないしチョッパは出力若干低いし

そういえば携行型構想を考えてる最中に外人が携行型レールガンを作ったという記事がTwitterで流れてきました。
http://www.gamespark.jp/article/2015/10/19/61052.html 
いやーなんか先越された感じがしてなんとも言えないですが....ってこれデカすぎやん!本人も重すぎてすぐ床おいちゃってるやんけ...この1/4くらいの大きさで作れたらなーと思ってます
でも流石は海外見た目がロマンがあるなぁ
記事をよく読むと殺傷力がーとかいってますのであまり威力を求めるのもいけないかもしれませんね。出力10Jでもかなりの威力があるしね。でも兵器として作ってるわけじゃないんだよ僕は
兵器として作ってるわけじゃないけど傍から見たら兵器作ってるのと一緒だもんねーうーむ 


それとなんとなく三相インバータとか作ってた

CSkdgcBU8AINAuc
 
基板が三層になってます 三相だけに
ゆーて各基板ともスペース半分以上余ってるからただの基板の無駄なんだよね
マイコン→ゲートドライバ→MOSFETって感じでシンプルな作りになってます。
三相インバータとして作りましたが、プログラム次第で2つの半橋だけ動かして単相を出力したり色々できます。

なんかから剥ぎとった三相モーターを回してみてます 
 


精密?な制御はしてないのですぐに脱調します。

とりあえず引っ越して少ししか経ってないのでまだごちゃごちゃしてるし片付いてもどうせその頃にはテストとかもあるから工作の進捗スピードは0に等しいかもしれないね
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