取敢えず全段稼働

 どうも、春休みが終わることが受け入れられないさばねっこです。

 始まったときは一か月以上あるし外装含めてコイルガン完成するだろうなーとか思っていたら、想像以上に部活で時間をとられてしまい、全然できませんでした…。ゆるしてヒヤシンス…。

 

 で、そのコイルガンですが、進捗はちゃんとありまして、無事4段すべて稼働させることができました!

  この前の記事で紹介した基板もちゃんと動いてくれたのでよかったです。

 

 そういえばコイルを作り変えました。

 今までのコイルでもよかったのですが、光センサーの感度が悪かったり、コイルとは関係ない部分が多いせいでやたら全長が長かったりといった問題がありました。なのでコイルを作り変えたいなあとぼんやり考えていたのですが──

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 こんな感じで4段目コイルが崩壊。また同じ形式のコイルを作る気にはなれなかったので新しく3Dプリンター製バレルを使ってコイルを作ることにしました。

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つよそう

 適当にCADでモデリングして…

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 印刷して…

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 コイルを巻いて…

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新型コイル

 かんせー!
 光センサーの感度もかなり良くなり、見た目もかなりマシになったので満足です。

 

 で、そこから通電時間とかを調節して…

 出力2.6J効率12%という結果でした。

*tweetでは回収したサージのエネルギーを消費エネルギーを引いており、効率は、出力 / ( 消費 - 回収 ) という風に計算しています。しかし、回収したエネルギーを再利用できるわけではないためこの記事内での効率計算は 出力 / 消費 で計算し、回収したエネルギーは無視します。

 いやー、思ってたより効率低いですね…。個人的には15%ぐらい行ってほしいなあとか思っていたのですが。

 まあそれでもEMLとしてはそこそこの効率なのではないでしょうか。EML効率悪すぎ

 

 

 で、ここからは回路の説明とか考察とか。

 

 とりあえず、今回使った放電回路はこんな感じ。

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 細かい変更点はありますが、形はこれと同じものです。

 まず1段目に通電し…

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 1段目をOFFにしたときに発生するサージをサージ回収1で回収します。

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そして2段目に通電して…

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今度はサージ回収1とサージ回収2でサージを回収します。二つのコンデンサは直列につながっています。

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そして3段目に通電します。この時、3段目にはサージ回収1がメインコンデンサと直列につながっているので、サージ回収1の電荷を3段目に放出することができます。

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そして3段目のサージをサージ回収2で回収。

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 そして4段目に通電します。4段目にはサージ回収2とメインコンデンサが直列につながっているので、2,3段目で回収したエネルギーを放出して…

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OFFにするとサージ回収3でエネルギーを回収します。

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 とまあこんな感じの変態動作をするわけです。

 この方式のメリットは、

 ①スイッチング素子がローサイド側だけで済む

 ②サージ回収コンデンサがメインコンデンサと直列につながっているので、回収したサージを利用する段では、メインコンデンサの電圧が下がっていてもサージ回収コンデンサの電圧分高い電圧をかけられる。

 という点だと思います。

 コイルにはインダクタンスがあるため、流れる電流は、時間と電圧によって変化しますが、高い電圧をかけることで、同じ通電時間でもより多くの電流を流すことができます。

 で、コイルに発生する磁力には電流が大きくかかわってきますので、基本的にはより多くの電流を流したいわけですが、3段目以降はメインコンデンサの電圧が低下している上、弾がかなりの速度で侵入してくることが予想されます。なのでコイルの電流値が十分に増加する前に弾が通過する可能性があるわけです。しかし、この方式を用いると、メインコンデンサの電圧が低下している中でもかなりの電圧をかけることができるため、すぐに大電流を流し始められるというわけです。

 

 

 で、ここからは効率を上げるためにできそうなこと。

 今考えていることとして、コイルやサージ回収コンデンサの変更があります。

 コイルはコイルガンの要と言える部品であり、ここを変えることが高効率化への一番の近道だと思われます。幸い今回はコイル一つ一つを交換できる仕様にしているため、様々なコイルの組み合わせを気軽に試すことができます。

 もう一つのサージ回収コンデンサの変更というのは、現在122uF,47uF,47uFとなっているサージ回収コンデンサの容量を小さくして、より素早くサージを回収できないかなーという考えです。サージを素早く回収できれば、弾の引き戻しが起こりずらくなるため、より効率よく弾を加速させられる可能性があります。

 

 

 とまあこんな感じですね。外装に関しては全くめどが立っていませんし、とりあえず高効率化を目指していこうと思います。

基板を作り直しただけ。あと昇圧チョッパ

 どうも、完全にブログを放置していたさばねっこです。

 定期テスト終わったら暇になるだろうなー(虚無)って思ってたら部活とか転科試験とかで思いのほか時間が無くてですね…。それ以上にやる気が出なかっただけですが…。

 

 で、コイルガンですが、全く進んでおりません。はい。でももちろん何もやっていなかったわけではなくて、制御基板の改良をしていました。

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 下段基板1号

 こちらが元々二階建て基板の一階部分になる予定だった基板です。左から、コイル電流監視型555昇圧チョッパ、ワンショット生成回路(74HC123)、ゲートドライブ用昇圧モジュールという感じになっています。

 こいつは一応ちゃんと動作はするのですが、問題点が多くありました。

 ①昇圧チョッパに充電停止機能がない。人力充電停止とかアホすぎ。

 ②昇圧チョッパが謎の間欠発振をしてしまいコンデンサ充電がスムーズにできない。

 ③ワンショット回路の半固定抵抗を回し過ぎるとの抵抗値が低くなりすぎてワンショット回路として機能しなくなる。(74HC123のデータシート参照)

 ④ピンソケットで外部とのやり取りをするが、使いたいスペーサーが低すぎて余裕がなく、ソケットの高さ的にケーブルを無理に曲げる必要がある。

 ⑤電源系がピンヘッダーでつながれていてめっちゃ抜けやすい。

 ⑥というかメインの12V系もピンヘッダでつなぐのは頭悪すぎる。

 

 とまあこんな具合でかなりのガバガバ設計なわけです。まあその場のノリで部品を追加していったのが悪いね。

 

 当然このままコイルガンに使用するわけにはいかないので新規に基盤を作り直しました。

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新基板

 改良点は主に5つ。

 ①昇圧チョッパをPIC制御に。充電停止をできるようにし、安定性も向上。

 ②ピンソケットを丸ピンIC用ソケットに。背を低くしてケーブルの取り回しに余裕を作る。

 ③電源系の接続はPAコネクタに。より抜けづらく扱いやすい。

 ④ワンショットの半固定抵抗に直列に1kΩをいれて確実にワンショットを生成。

 ⑤昇圧チョッパのダイオードを2パラにして電流に余裕を(正直一本で十分だけど)。

 

 とまあこんな感じで先代の欠点は大体克服できたと思います。

 

 ここまででほとんどやったことは書き終わってしまったのですが、せっかくなのでPICでの昇圧チョッパ製作についてちょっと書きたいと思います。

 先代基板では555を用いたコイル電流監視型の昇圧チョッパを使っていました。詳細はめんどくさいので省きますが、

 コイルの電流をシャント抵抗で測定→電流が増加するまでMOSFETをON→十分に電流が増えたらMOSFETをOFF→電流が十分に減少するまで待機

って感じのことをやっていました。初めはPICで同じことをやろうとして、

 コイルの電流増加→シャント抵抗への電圧増加→AD変換で基準電圧まで上がったか監視→電流が十分に増加したら(AD変換された値が十分大きくなったら)MOSFETをOFF→AD変換で電流(シャント抵抗電圧)を監視して十分に電流が減少するまで待機

 という具合に制御しようとしていました。まあでもうまくいかないわけ。

  こんな感じで間欠発振したり、動くは動くけどめっちゃ出力が低かったりしました。

 おそらく原因はAD変換に時間がかかり、処理が追い付いていなかっただけの話でしょう。やりたい動作的には555のやつと同じなので問題ないはずですし。

 

 まあそんな具合にPICのAD変換で制御しようとしてもうまくいかないので、PWMモジュールを使って制御することにしました。

 PICのPWMモジュールは、周期と信号のパルス幅をどちらも何クロックごとに一回という風に制御します。なのでいろいろなデューティー比のPWM信号を作りたければ、周期を設定する値は固定して、パルス幅部分の数値を変更すれば自由なデューティー比の信号を作ることができるわけですね。

 で、今回はそのPWMモジュールでPFMという信号を発生させ昇圧チョッパを制御します。基本的にできることはPWMと同じですが、PWMは一定周期の中でのパルス幅を変化させるのに対し、PFMではパルス幅は一定にして周期の方を変化させます。

ednjapan.com

 そして昇圧チョッパで入力電圧Vinからある電圧Voutを作ろうとした場合、スイッチング素子のON時間をTon(つまりパルス幅)、OFF時間をToffとすると

 Vout =  ( ( Ton + Toff ) / Toff) * Vin という式が成り立つらしいです。

 そして、Ton + Toff というのはPFMの信号周期なので

 T = Ton + Toff とすると、

 Vout = ( T / Toff ) * V = ( T / T - Ton) * Vin

⇔ T=(Vout * Ton ) / ( Vout - Vin )

 となり、出力電圧に対して最適なPFMの周期を求めることができます。

 キャパシタチャージャーでは、その時のコンデンサの充電電圧あたりをVoutとして計算するともっとも効率が良くなる(気がする)ので、

 コンデンサ電圧をAD変換で測定→上の式でPFM周期を設定

 というのを繰り返すことで制御しています。

 動かすとこんな感じ

  かなり聞こえづらいですが、音がキュイイイイイイイン↑↑と上がっていることから、うまくPFM信号を生成できているとわかります。

 回路図はこんな感じ。

 

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PIC制御昇圧チョッパ(雑)

 充電停止などもプログラムで出来てしまうのでかなりシンプルですね。GPIOも4ピンしか使っていないので米粒PICとかに書き込んで超小型化しても面白そう。

 

 とまあこんな感じです。コイルガン完成まではまだ時間はかかりそうですが、気長に待っていてください。

テスト後の自分への備忘録

 どうもさば根っこです。

 今回は自分への備忘録的な内容なので適当です。

 

 

 とりあえず4段式コイルガンにおける現在の問題点

①昇圧チョッパとゲート用電源の相互作用的な何か?

 ゲートドライブ用の電源がONになってるとなぜか充電されない。IGBTの順電圧分は充電されているらしいのでおそらくはIGBTがONになっている?でもゲート電圧は0Vだし、ゲート用電源ONと昇圧チョッパ稼働という条件が重ならないとそうはならない。何故。

 

②昇圧チョッパ、コイル電流監視できてなくね?

 今回の昇圧チョッパはぽんず氏の555をつかった昇圧チョッパを採用している。で、設計通りに動いたとき、音がするとすれば「キュイイイィィィイン↑↑↑!!!」て感じの音になるはずだが、「キュイィ↓↓イイイイイイイイイ→→→」的な感じになっている(適当)。そういえばメイン12V電源ラインに平滑用に電解コンデンサを入れてからそうなった。ただそのコンデンサを入れなかったら入れなかったでうまく動かない。なんでや。ブレッドボード上では動いたのに…。

 

③さすがに充電停止付けようぜ

 実験中は常に電圧計につないでいるので、別に充電停止回路は必須ではないけれど、まあ付けるべきだよね。ちなみになぜ付けていないのかというと、単純にスペースがないから。トロイダルコアの中心ににトランジスタを入れるのは流石にね()。

 

④やっぱりコイルの接合部の精度、きつくね?

 まあこれに関しては設計段階からわかっていたので驚きはない。頑張って調整すればうまくいくので頑張るしかないが、一回一回発射ごとに調整するのは面倒。というか頑張ってセットしたコイルが発射とともに吹き飛ぶのはなんか悲しい。まあコイルをいろいろ試して最適なのが見つかったら一本のパイプに巻きなおすべきだろう。

 

⑤ワンショット回路周辺の接続端子のプラスマイナス間違えがち

 これはどうしようもない。覚えるべし。

 

⑥電圧計もっとほちい

 買いましょう。もしくは指先で電圧を監視する特殊能力を身に着けてもいいかもしれない()。

 

 という感じです。

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あまりにも華がないので実験風景(ただし汚い)

 主な問題点はやはり昇圧チョッパですね…。ブレッドボード上では完璧に動いていたのに基板に移してからうまく動かなくなるという…。どうせどっか配線間違ってるんだろうけど。まあ完全に新しく組みなおしてもいいのかもしれない。やらない気がするけど。組みなおすとしたらまたMOSFET買わないとなあ…。

 

 

 こんな記事書かなくても自分は覚えているんでしょうが、人目につくところに置いておかないと投げ出しそうなので。

完成?歓声?喚声?

 どうも、テストが近くて焦っているさばねっこです。

 (少なくとも僕の)高専では期末テストが終わったらそこから春休みなのでテストが近い=春休みが近い、ということでもあるのですが…。

 で、コイルガンの進捗ですが、

 こんな感じでメイン基板が無事完成しました!

まあ動作テストとかほとんどしてないので動くかは知らん。というかすでに昇圧チョッパの調子が悪いっていう…。ブレッドボード上では動いたのになんでや。

 

 まあ基本的にはこれだけなのですが、記事を書き始めてしまったので回路の内容とか簡単に説明したいと思います。

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取敢えず下から。

 左から、昇圧チョッパ、ワンショット回路、ゲート駆動用電源(秋月の昇圧できるやつ)という感じです。基本的に上にさらに基板を乗せる前提でできる限り背を低くしたかったのでコイルとかMOSFETとか倒してあります。

 ゲート駆動用電源に関しては

akizukidenshi.com

こういった両電源的なやつを使ってもよかったのですが、わざわざこれだけのために送料を支払うのは勿体なかったので棚から発掘した適当なやつを使いました。

 そして二階部分。

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 こんな感じでターミナルブロックでIGBTだとかダイオードだとかを付けています。

 回路はこんな感じのわけわかんねーやつです。

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大体の回路図

 で、部品を外すとこんな感じ。

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 ゲートドライブ用のTLP250Hとかコイルとかコンデンサにつながるターミナルブロックとか信号入力用のピンヘッダとかがあります。(ブロックの色に特に意味はない)

 一番左の3ピンターミナルはメインコンデンサにつながるやつで、

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偶々端子間の幅が同じなのでこんな感じでやろうと思えば直接ぶち込むこともできます。

 まあこれをやると入るケースがなさそうなので多分やりませんが…。

 そういえばPasSという配線図を描けるやつを導入しました。

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ワンショット回路の配線図


 今回の基盤は基本このソフトで設計したのですが結構便利ですね。やはりはんだ付けする前にじっくり考えられるのは大きいです。部品の追加も比較的簡単にできるので積極的に使っていきたいところです。

 

 とまあそんな具合です。本当は動かしたいけど動かなかったときメンタル崩壊確定なのでテストが終わってからやろうと思います。それまで適当に待っていてくれるとありがたいです。

 

 (そういえば名前を「さば根っこ」→「さばねっこ」に変えました。特に理由はないです。このブログの名前は今まで通り「さばと根っこな製作記」のままです。)

取敢えず一段目動いた

 どうも冬休みの課題の存在を認めていないさば根っこです。冬休み短すぎですよね…。せめて3週間ぐらい、理想を言えば1年くらいほしいです…。

 さて、そんな短い冬休みを使ってコイルガンを作っていたわけですが…

 こんな感じで無事動かすことができました!

 右がメイン、左がサージ回収用コンデンサの電圧で、ご覧のように発射後はサージが回収用コンデンサに回収できていることがわかります。

 元々のメインコンデンサ(2200μF)の電圧が153V、発射後が148Vなので、消費エネルギーが1.65J、サージ回収用コンデンサ(122μF)が50Vになったので0.15J回収できています。弾の運動エネルギーは計算していませんが、入力1J台でこれだったら割と満足です。もちろん本番は放電時間をいい感じに設定する上、四段式になるので今よりずっとつよつよになる予定です。

 本当は年が変わる前にここまで漕ぎつけたかったのですが、

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昔壊したのも映っているやつ

こんな感じでIGBTが大量死。(死って書くと壊れたことがすぐわかるのでよくやる)

あまりにも死に過ぎなのでtwitterで質問したところ、ありがたいことにガチ勢の皆様から様々なアドバイスいただきました(本当にありがとうございます!)。そのアドバイスを参考に色々いじったところ、うまく動いてめでたしめでたし、というわけです。

 肝心の壊れた原因なのですが、正直なところよくわかっていません(おい)。原因が分かったというか解決策がわかったというだけなんですよね…。その解決策というのはゲートドライバにかける電圧を上げるというものすごく単純な話で、

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こいつを使って17Vぐらいかけたら無事動きました。どうやら自分の使っていたTLP152という部品は電圧が電源電圧から若干下がるようで、それが原因でゲートにあまり電圧がかからなかったということなのかな?という解釈をしています。できればちゃんと解析したかったのですがオシロ持ってないのよ…。

 さて、今後の課題ですが、まず昇圧チョッパの充電停止がちゃんと動くようにしないといけません。

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昇圧チョッパ(いろいろ汚すぎ)

こんな感じの昇圧チョッパを使っているのですが、なぜかうまく充電停止できません。オペアンプをコンパレータ代わりにして電圧を監視するという仕組みなのですが、なぜかうまく動かないんですよね…。まあ実験に支障はないので放置しているのですが、いつかはどうにかしないといけませんね…。

 そして二つ目がなんか全体的に不安定なのを解決しないといけないということです。めっちゃあやふやな課題なんですが、スイッチを押さなくても弾が発射されたり、押しても発射されなかったりととにかく不安定なんですよね…。なので何とかしないといけないわけです。それらの諸悪の根源がどこにあるのか、はっきりした答えはまだわかりませんが、いろいろ実験した結果、おそらくゲートドライバだと考えています。なのでゲートドライバをほかのフォトカプラに変えて試そうと思っています。

 まあそんな感じですね。学校が始まったら忙しくなるので完成がいつになるのかはわかりませんが優しい目で見守ってくれるとありがたいです。

あけおめことよろ的な

 どうもさば根っこです。

 2021、始まってしまいましたね…。去年は受験勉強しながら、今年はtwitter見ながらの年越しでめっちゃ変わったなあって思います(語彙力)。

 とりあえず今年の目標というか抱負ですが、

①今作ってるコイルガン完成させる

②電気科に転科する

ロボコン頑張る

④箸の持ち方直す()

⑤つよつよになる(いろんな意味で)

 こんなところですかね。

 まあ今年もよろしくお願いしますってところです。

 

ようやく製作開始

 前回の記事から少し間が空いてしまいましたね…。どうもさば根っこです。

 で、前回からの間何をやっていたかというと、秋月から部品が届くのを待っていたり、コイルを巻いたり回路を作ったり、まあいろいろやっていたのでまとめようと思います。

 まずコイルですが…

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コイルたち

こんな感じです。右から4段目用全長40㎜0.6㎜線9層巻、3段目用全長40㎜0.6㎜線12層巻、2段目用全長40㎜0.4㎜線9層巻、1or2段目用全長30㎜0.4㎜12層巻で、ここには映っていませんが(下の写真の一番左)1段目用に全長20㎜0.4㎜線16層巻の物もあります。

「なんで二段目用と一段目用が二つずつあるんだよ」と思ったかもしれませんが、これらのコイルは

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連結(下の棒は弾)

こんな感じで連結して使うようになっています。なので好きなようにコイルを組み替えられるわけですので、最適なコイルの組み合わせを見つけてやろうというわけです。一応材料はまだ余っているので気が向いたらもっとコイルは作るかもしれません。

 次はワンショット回路です。もともと555を使ってワンショット回路を組もうと思っていたのですが、74HC123という便利なICを見つけてしまったのでそれで組みました。

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74HC123ワンショット

こんな感じです。上に乗っかっているのは通電時間調整用の半固定抵抗とコンデンサで、後から部品を交換できるようにして柔軟性を持たせました。まあ背が妙に高くてキモいんですがね…。

 入力や出力もピンヘッダを使って簡単に付け替えられるようにしました。

 そして動作させるとこんな感じです。

 まあいい感じですね。

 余談ですがこの時初めて両面スルーホール基盤を使ってみたのですがなかなか難しいですね…。重力で半田が裏面に行ってしまったりして無駄に半田を使ってしまいましたし、利点を生かそうにもそれなら普通にジャンパしたほうが頭使わなくていいじゃんっていう。

 とまあいい感じなのはここまでです。昇圧チョッパはなぜか充電停止がうまくできなかったり(回路は動作するが555の発振を止められない。トランジスタがうまく飽和していないだけかも)、メインコンデンサがまだ届いていなかったりするので発射実験に移れるのは年明けからかもしれないです…。