电磁炮
 
线圈炮低压方案研究&实验数据
vcasm 2013-8-11
目前大家采用的线圈炮都是采用高压电容蓄能,渐渐的采用高压做磁阻线圈已经变成常识。
高压具有蓄能大的优势,在额定电压下有很多可控硅型号可做选择,而对应的缺点也很明显:
1、来自高电压的危险,受潮、不小心触碰的危险系数都很大,这对业余diy作品不科学的作品包装来说可能一次犯错就足以致命。
2、效率控制成本高,可关断的芯片成本以及耐用性都存在问题 (近期的大量实验消耗了数百个不同型号IGBT足以证明,其中包括350A的IGBT)
3、线圈无法做到很少匝导致电感量过大,因为过大的电流足以烧毁开关元件

而目前很少有人触及的低压,可以克服上面的3个问题。


要做低压方案必须解决一个重要的问题:
整个能源通路环节各个器件内阻需要很低,整个通路内阻控制在20毫欧以内,其中蓄能源内阻尤其重要!
方案中采用了67个1000uf高频电容并联降低内阻,并再连8个22000uf电容做蓄能,整体蓄能243万微法。

解决了上面的问题,低压方案带来的附加优势就体现出来了,作为可关断的开关元件选择很多,方案中采用可承受800A电流的场效应,成本也就在2元左右。
比较有意思的对比,采集同样的实验数据,可能高压方案烧掉100次IGBT,低压方案中也未必出问题,实验了这么久才因为电压选择过高烧掉6个。


方案介绍:
线圈:
10级 每级36砸共3层 长度1.7cm,采用低内阻无氧铜线。
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主控板:
芯片 12c5a60s2 线圈每级的开断控制(可复杂交错方式控制)、 内部集成可控高压方便测试IGBT耐压曲线、弹体速度采集、电压检测。。。
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开关板:10级、场效应选用IRFB3206(可重复耐受800A峰值电流),驱动采用mic4417(比图腾柱高效很多)
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速度采集板:
很小巧。直接固定在线圈出口
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主蓄能源:
低内阻电容组,67个1000uf并联
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备蓄能源:
8个22000大电容,由于内阻远大于上面67个小电容的组合,所以基本上的用处在于每级关闭的时候给主蓄能电容组快速充电
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两颗0.96g的6mm钢珠同时发射,贯穿两个盒子
点击此处查看视频









实验采集的一些数据:(前面3级数据很稳定,第4级开始数据每次都会存在误差)
弹体质量:10.577克
电容量: 243000uf
蓄能电压: 27V

27V低压给电容组充电,实验采用长度43mm直径6mm的钢销,质量10.577克
pic


pic


线圈1 :
开启电压27V
关闭电压22.9V
出口速度17.27m/s

线圈2:
开启电压22.9V
关闭电压21.9V
出口速度25.40m/s


线圈3:
开启电压21.9V
关闭电压20.9V
出口速度36.16m/s


第4级开始的数据没有代表性,后面多级都是为了稳定速度




最终
其中有个很有意思的现象,级别越往后效率越高,但是这个效率可正可负,一旦前面数据有些异常,后级回拉的效率也特别明显,估计后面一级最高能回拉掉8成的动能
+5  科创币    天机   2013-08-11   高质量发帖
+25  科创币    向钱看向厚赚   2013-08-11   好吧,本来想给你30,但是奇葩了,现在只能加25
+25  科创币    奶酪   2013-08-11   高质量发帖
+25  科创币    coil   2013-08-11   做工分!
+5  科创币    1038733481   2013-08-11   
+20  科创币    hefanghua   2013-08-11   本年度低压之星估计非LZ莫属了。
+25  科创币    delete   2013-08-11   高质量发帖
+200  科创币    科创论坛   2013-08-12   非常好的实验
+200  科创币    delete   2013-08-12   膜拜一下精工。
+1  科创币    大自然精灵   2013-08-12   非常强大的动手能力
+25  科创币    听我说瞎话   2013-08-12   没想到低压磁阻的效率如此之高!佩服楼主的制作工艺以及技术水平!磁阻新的希望被点燃了
+25  科创币    宅人   2013-08-12   全给你了。。。。
+100  科创币    猎鹰   2013-08-12   
+24  科创币    badboy-fly   2013-08-12   
+25  科创币    yurifreeman   2013-08-12   高质量发帖
+25  科创币    10班陈大葱22号   2013-08-13   大赞!
+25  科创币    smrken   2013-08-16   
+41  科创币    radio   2013-08-28   
+50  科创币    q81919119   2013-08-30   
+50  科创币    sky丶   2013-10-08   感谢分享
2013-8-11 20:33:39
vcasm(作者)
1楼
视频晚上录制,比较悲催的子弹是圆柱,这个材料是电磨盘的敲碎摩擦片弄出来的,很难打磨尖头,所以穿透效果很不理想


这个方案中主控板个人比较满意,不过最有意义的功能在这个低压方案中用不了。。。。

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液晶背面的PCB上集成了高压模块,高压线圈采用液晶高压变压器改制,初级绕7匝,PWM单片机控制,利用输出高压值控制脉宽,利用电池压降调整间歇工作频率
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基本上100uf的电容充到600V  几秒的功夫
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+10  科创币    坚持and突破   2013-08-11   虽然我不懂什么效率什么的.....但楼主的作品很严谨...动手能力也很好...值得称赞!
+100  科创币    金坷居士   2013-08-28   这个PCB工艺给跪了
+50  科创币    radio   2013-08-29   
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2楼
效率计算错误会不会是弹丸长度的问题。。。。
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vcasm(作者)
3楼
修正了一下数据,最终效率在25%左右
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vcasm(作者)
4楼
其中测试电压采用27V  也是烧毁多次场效应下得出的。
场效应选用的3206,最高峰值电流可以到800A,制作方案之前的测试,采用20个1000uf的电容蓄能40V驱动线圈可以稳定工作,但是最终方案的电容组容量的增加,以及实验采用开通脉宽的延长,明显使电流超出800A的风险增加,多次实验到30V一工作就烧管,无奈选取了27V作为稳定的电压值。
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5楼
虽然我不懂什么效率什么的.....但楼主的作品很严谨...动手能力也很好...值得称赞!
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6楼
早就想尝试低压方案了~
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vcasm(作者)
7楼
回 2楼(badboy-fly) 的帖子
已经修正了,犯了低级错误,计算动能少除了2,害的得出效率超过50%的时候吓了一大跳,马上开始检查测速模块,算法,以及子弹质量

虽然多次检查后,最终的效率  还是维持在25以上。。。。严重怀疑和不自信中。。。。。

低电压电炮方案的结果已经大大超出了自己的期望值,但是这个数据也太会调戏人了
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8楼
回 7楼(vcasm) 的帖子
如果效率计算无误,那么这个结果已经可以颠覆大多数人了,我一直都认为微型加速器(弹丸直径10mm以内)在低压段可以达到高效率,哈哈~
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9楼
真是夏日里的一剂清凉茶~哈哈哈
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10楼
回 7楼(vcasm) 的帖子
磁阻式始终还是低压好。
电压越高,这时候不增加匝数di/dt就会越高。这时候感应式的原理就明显了。在一推一吸之间抵消了多少的力。涡流的产生又去了多少
而且增加匝数的同时还会导致电容放电时间增长。导致控制难度加大。
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vcasm(作者)
11楼
比较蛋疼,严重不自信中。。。。。。
删除所有效率相关的数值,以免真的计算错误对大伙产生误导
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12楼
LZ要是把蛋用坡莫合金车一个出来效率应该还要高。低压用钕磁铁吧。。要做的太多了
+1  科创币    badboy-fly   2013-08-11   用磁铁和中压一样的蛋疼
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13楼
速度单位m/t,应该是m/s吧?
+10  科创币    vcasm   2013-08-11   额。。。。。 马虎。。。马虎啊
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vcasm(作者)
14楼
钕磁铁试过,买过各种长度的6mm圆柱磁铁,结果就是,全部碎了,无一个幸免

效果和铁柱没太大区别,唯一两点区别:
1、电压过低时候有驱动能力,比如1V电压可以吧弹丸弱弱的发射出去。
2、电压不高的时候,极性装反发会反向发射弹丸。。。。采用磁体弹丸绝对是蛋疼的自杀选择
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15楼
回 14楼(vcasm) 的帖子
听说论坛有大神就用磁铁做弹丸的,具体哪位大神还希望自己站出来。。
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2013-8-12 11:33:50
16楼
非常强大的动手能力
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17楼
25%的效率。。。真够凶残的啊,这种10级使用相同参数线圈加速,大部分能量都是在低效率的前几级消耗掉的,结果还能有25%的效率。。。。楼主单独计算下后几级的单级效率吧,搞不好50~80%单级的效率都有可能。。。。
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18楼
太不可思议了!!
刚才用楼主给出的前三级的参数粗算了下效率,非常怀疑我是哪里有算错了。。。。
第一级消耗25J,DD动能1.57J,效率6.28%
第二级消耗5J,DD动能增加1.84J,效率36.8%
第三级消耗5J,DD动能增加3.5J,效率70%
前三级总消耗35J,DD动能6.91J。平均效率19.7%

到了第三级效率就有70%!!!太夸张了,由于线圈长度相等,DD速度越来越快,接下来的7级将以更短的导通时间,消耗更少的能量,用更高的效率把平均效率硬拉到25%!!10级的时候应该破90%的单级效率了吧。。。。
如果一切都是真的话。。。楼主你创造民间传奇了。。。。。。
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19楼
没想到低压磁阻的效率如此之高!佩服楼主的制作工艺以及技术水平!磁阻新的希望被点燃了
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20楼
前些日子我也有过用MOS做低压关断的加速想法,最开始也准备用3205的方案,后来又查到些同样封装大小比3205更强悍的MOS,但由于对于实验结果没有太高期望,再说驱动电路相对SCR方案复杂,没有雕刻机,搭棚制作实在麻烦就放弃了
楼主有空的话可以试试IRFBA系列的管子,IRFBA1404 IRFBA1405 IRFBA90N20D等
参数对比:
3205      Vds:55V   Rds:8毫欧      Id:110A
1404      Vds:40V   Rds:3.7毫欧   Id:206A
1405      Vds:55V   Rds:5毫欧      Id:174A
9n20d   Vds:200V Rds:23毫欧    Id:98A
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21楼
回 19楼(听我说瞎话) 的帖子
吓到了TOO~

[s:225][s:225][s:225]

而且这个用的也是紧密加速~紧密加速的实用性再次被证明!让我们向潜伏者致敬~
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vcasm(作者)
22楼
回 18楼(whd1982) 的帖子
没那么夸装,后面最后4级为了稳定速度,开通时间设定在前级没有关闭的时候,效率低很多
如果不这样设计,结果就是两极分化特别严重,要么特别快,要么一下子回来到出口速度低于20

更有意思的是昨晚为了测试视频,第一次很不理想,出口速度只有50,第二次继续测试时候把盒子放远,结果速度正常了,贯穿了盒子打到远处东西,吓得我赶紧跑过去,撞翻了单反和架子弄倒了,视频没拍摄成功倒也罢了,唯一的圆柱子弹再也找不到了。
接着试试钢珠,尝试着两个钢珠同时发射,更不淡定的事情出来了,第六级居然破百!!!!!!!后面几级测速器检测不出钢珠速度了,只能摸索着设定数值,倒腾一晚上开开心心的在清晨拍摄1楼那个视频以后,速度又降下来了,才发现是两个钢珠不连续导致的问题。

http://player.youku.com/player.php/sid/XNTk0Nzc3MzAw/v.swf


总体上说低压的方案远远有别于大伙以前想像的那样,合理的设计容易在效率上超于高压方案,而且关断器件很容易选择,统一的电容组很容易做到模块分离,唯一的缺点就是单位体积蓄能稍小,不过效率、低成本器件、低压的安全性这几点使这样的方案更容易在爱好者的实验中推广。
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23楼
我觉得你还是可以试试重新计算下线圈参数,每级使用不同的线圈,使每级消耗的能量平均化,那样的效率肯定更高
就像你现在 第一级消耗掉25J,才6%的效率,如果0~17ms段用3级来完成,效率破20%应该是稳的
感觉出口速度分化严重也是你这种方式引起的弊端,大部分能量消耗在第一级,对于第一级的加速精度有很高的要求,而第一级又是你手动放DD的,初始位置的误差就很大了,而且第一级这种相对长时间的极限电流导通,对MOS也是很大的考验,温飘什么的因素也是造成误差太大的原因之一
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vcasm(作者)
24楼
回 20楼(whd1982) 的帖子
你那些管子我都有,基本上都不用了,现在低压mos只用3206 :)
其实这个实验背后不知烧了多少型号的管子,我觉着IRFB3206很适合低压方案,重复电流达到800A一点都没有虚标,而且60V的耐压也不再那么重要了,电流值的限制不可能要有那么高的低压值。

也试过300V250A的IGBT尝试极限电流值,没3206稳定和好用
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25楼
回 22楼(vcasm) 的帖子
还有开通时间的问题,刚才我看了你的数据就比较奇怪,使用4.3CM长度的DD,1.7CM的线圈紧密连接,子弹到达第2级的线圈口时还没有到达第1级的磁场中点,按理说同一时刻是开通着2~3级的,而从你的图片上来看,你都是单级关闭后一段延迟,再开通下一级,看上去像加速钢珠的开通方式。。。。
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vcasm(作者)
26楼
这个不是紧密加速。
紧密加速方式试过,效率没断续的高。
主要是两个线圈同时导通后,电流值下降太明显,这可能和我的电源内阻不够低有关系。
另外就是能量消耗过大,同时开通多级消耗过多能量,后面几级加速基本上就没有能量了。


后面几级有些蛋疼,每级的开通和关闭时间设定都是为了保证弹速不增不减,有意思吧,主要为了稳定出口速度保持在一个范围,而且有个好处就是倾斜角度的小范围变化影响会自动修正
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27楼
对了,请教一下,你这测速器是怎么做的呢?我用类似的槽型光耦,接电位器下拉后直接进单片机的AD或者比较器,用中断来做,但感觉效果不是很理想,就算把电位器调整到比较器的临界电压,单片机还经常会出现检测不到子弹经过,不知道什么原因。。。。单片机的时钟周期是40M,应该是足够的
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vcasm(作者)
28楼
测速器这几天做了几个版本,有一些心得:

1、最稳定和速度的方式是线圈采集,但是必须在最后一级加速关闭后开通采集功能,要不线圈的信号全是的加速磁场感应出来的数据,这种方式需要远离线圈炮出口一段距离,主要为了增加加速信号的时间差,我现在用线圈采集的数据主要用简易示波器观察,用来检查下面光槽方案数据的准确性。
2、光槽的方式能做到很小型话,我的几个测试版都是20mm间距布置两个光槽,出来的数据准确性蛮高的。
    a、这个方案一定要稳压!!!!
    b、要给发光管提高20ma以上的电流(比较耗电),用来降低环境光信号的干扰
    c、光电管上拉电阻不能看厂家推荐的值,调整阻值设定在电源中值即可
    d、不可直接提供信号给MCU的IO脚,因为变化的电压值不足够区分电平高低值,需要加一级电压比较器。

程序设计需要先用定时器模拟光电管通断,读出正常计数值对应的时间消耗,我的方案里面E_Count增加到1537需要5ms时间,这样计算距离20mm光槽的对应速度值  6148/E_Count就出来了。后面的delay值是提示经过多少延时到达下级加速点用来帮助设定下级的开启时间和关闭时间范围(一般出口速度低于线圈中的速度,所以超出这个值一定回拉)

    E_Count = 0;
    while(E1 == 1 && E_Count<0xfff0){
        E_Count++;
    }
    if ( E_Count < 0xfff0 ){  
        E_Count = 0;
        //Timer0Start();
        while(E2 == 1 && E_Count<0xfff0){
            E_Count++;
        }
        if ( E_Count < 0xfff0 ){  
            sprintf(turnarray,"count: %u     ",E_Count);  //5毫秒计数 1537      
            rem(10,210,turnarray,0xff00,0);
    
            speed = 6148;
            speed /= E_Count;
        
            sprintf(turnarray,"speed: %5.2f m/s",speed);  //5毫秒计数 1537      
            rem(10,226,turnarray,0xff00,0);
            
    
            speed = E_Count;
            speed = speed * 2500 / 1537;
            sprintf(turnarray,"delay: %4u     ",(unsigned int )speed);  //5毫秒计数 1537      
            rem(10,242,turnarray,0x00ff,0);
        
            }
        else
            rem(10,210,"Too slow !                    ",0xff00,0);
    }
    else
        rem(10,210,"empty !                    ",0xff00,0);
。。。。。。

其实我的方案也有缺陷,至少需要稳态化,这样就能避免两个钢珠通过弹速超百的问题。


78m05前后需要加电容,图中省事没话

pic
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vcasm(作者)
29楼
有个有意思的事情,一开始做这个测速信心满满的,用的都是LM258,结果试过几个芯片全部失败,原因到现在都不清楚,以为设计有问题,最后稀里糊涂用了低等级的358,居然成功了。
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30楼
回 29楼(vcasm) 的帖子
看来还是一定要用358了。。。我是直接接单片机的内部的比较器,再判断比较器输出寄存器的值的,手动模拟遮挡什么的完全正常,就是正常发射的经常检测不到,用对射管的情况比槽型光耦稍微好点,但也不是很理想
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vcasm(作者)
31楼
回 29楼(vcasm) 的帖子
对了  上面图中两个运放的+输入的分压电阻你最好分开做,这样可以分别调整两个光槽的灵敏度,我统一用一组电阻也是避免电路板跳线的权宜之计,而且手里很多光槽很容易挑选出性能一致的管子
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32楼
你用的续流二极管是什么型号的?那么大的电流,而且又是在电流峰值的时候关断,FR607什么的吃得消吗?
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vcasm(作者)
33楼
SS510,用过更大体积的高压的肖特基,发现还是这个好用,关键很微型,可以和场效应一起藏在线圈背面
至今没损坏过一个二极管,我感觉主要的原因在于低压大电流的场效应结电容很大的,线圈续流的时候这个结电容也减轻了峰值电流,另外一个原因就是线圈电感值不大,不像高压方案的线圈有那么变态自感。
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34楼
兄弟如果有条件的话,尝试一下铁钴钒合金(1J22)作为蛋丸时的表现~
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vcasm(作者)
35楼
6mm圆柱体很难买到成品,阿里上找到一个商家销售最低量也不是个人玩的
高导磁材料应该能提升效率,而且最关键的是可以把电容组电压提高增加整体蓄能,现在的弹丸吸收线圈能量太少,电感低导致电流容易上升太快。
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36楼
[s:271] ,效率高,但是电压高了又会降下来
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2013-8-13 17:40:14
37楼
楼主是坛子里的大神之一啊!
电炮技术各个环节的各种可能,在我等凡人的脑海中还是构思的时候,楼主已经高歌猛进的实验了,先驱先驱。磁铁弹丸我是过,低压好用,确实易碎,弹丸一次性的。
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38楼
那个LZ…………电流是怎么算的,我不是太懂。为什么电压那么低却能提供,与高压线圈炮相当的速度呢?
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39楼
回 35楼(vcasm) 的帖子
有卖6mm的....我就买了.直接淘宝上买的,DT4C电工纯铁,还是磨光柱形的,每根长也是半米左右...6mm的,商家说有公差,实际尺寸应该是5.95左右...而我手头的黄铜管,是一把BB弹用的AWP气狗上拆下来的原装管,长50CM,内径是6.03,外径8.5...如果电工纯铁到货,剩下的就是切割和把头磨圆了,3.5公斤100RMB.做成30mm长度的,有好几百个了....问题是.妹的都马上8月14号了,快递在江苏无锡就再也没动静了.苦苦等待中...

2013-08-10 19:46:57 收件公司:江苏昆山城北公司
2013-08-10 20:39:49 在江苏昆山分拨中心,称重,上级站点:江苏昆山城北公司
2013-08-10 20:40:32 由江苏昆山分拨中心,发往:江苏无锡分拨中心  
2013-08-11 00:27:01 到达江苏无锡分拨中心
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2013-8-14 08:35:47
40楼
楼主做的东西真的好养眼,焊工比我高N+1倍啊
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2013-8-15 22:37:28
2013-8-15 22:37:28
41楼
回 35楼(vcasm) 的帖子
能买到,我就买到10CM长,6MM直径的钢条,买了6根加运费才30元
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2013-8-16 02:08:13
vcasm(作者)
42楼
回 41楼(cszal) 的帖子
这几天找一个商家买了电磁铁的圆柱铁心,拿回来试试效果
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43楼
很久没见这样完美的线圈炮了。想看一下总的原理框图,各级开启和关断的时间仍然是最关键参数吗?
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44楼
觉得楼主的低压方案比见到的很多高压方案要更可行。
楼主动手能力真强~
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vcasm(作者)
45楼
开启关断的时间是最关键的参数,相对这种几十米速度的加速器,第2级以后的控制时间误差不能超过10us,速度会明显的变化。经过多次实验证明只要弹体未加速前的位置固定,相同的参数运行,在线圈温升不大的情况下能保证稳定的出口速度。

简单画了一个草图,下面针对各个环节做详细描述
pic


第一个要说的是电容组,在低压方案中电容组的数据最关键,低内阻是必要的要求,最好用大量的小容值电容并联。我试过两个100000uf的高价电容并联,几乎无法发送弹体。
另外一个就是主控板的程序逻辑,输出开关信号的单元必须要精确,条件判断、循环逻辑、调用等这样普通的代码逻辑在单片机中会因为变量值得变化产生几个us的误差,程序中要充分考虑到这些。
低压电源也需要稳定,试验中用万用表测量的电压做基准,发现单级发射稳定,但是级多了出口速度很不稳定,后来用单片机做低压逆变严格控制27.2V,出口弹速相对前面要稳定很多。

线圈部分要求不大,用粗的线圈绕制应该都能满足要求。
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vcasm(作者)
46楼
主控开关逻辑的循环程序中的  if(条件){。。。。}   必须改成 if(条件){。。。} else{补时}
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2013-8-28 01:06:39
2013-8-28 01:06:39
47楼
觉得楼主的低压方案比见到的很多高压方案要更可行。
楼主动手能力真强~[s:274]
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48楼
回 1楼(vcasm) 的帖子
我手里还有一个16v1.1F电容阵
内阻绝对低500个2200uf并联
貌似电压太低了吧
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vcasm(作者)
49楼
回 48楼(1176764177) 的帖子
16V的电容组如果内阻这么低应该能尝试一下,将级数增加可以弥补单级做功少的问题。
我去年买过大量不同型号的超级电容,结果买回来后发现并联超级电容几乎不可用,内阻太大,唯一内阻稍低的很大体积的1400F电容串联到16V后,虽然短路电流可以很快烧断几毫米的铜丝,但1ms内的瞬间放电依然不理想,所以一直没尝试过突破1F的电容组,这样的大容量估计需要很多级才能发挥优势吧
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