TK-5 IGBT半桥回收电磁炮
托卡马克 2021-6-14原创 电磁炮

上一版关断式电磁炮取得较好的成果后,我便开始设计制作半桥回收电磁炮了。

第一版是在疫情期间宅家设计的,是基于上一版的,只换了发射电路。但是经过简单测试发现arduino的控制精度不够,加上一些pcb设计的问题,让我觉得这个设计不够成熟,疫情期间在家材料也缺乏,最后只是打了板测试一下便不了了之了。

返校后又要准备参加中国机器人大赛,在此期间学习了一些STM32的知识,11月在青岛参加了比赛获得了人形舞蹈机器人的冠军。之后有很长时间没再接触电炮。这学期专业有个科研训练,我还是想做新的电炮。但一直鸽到了5月底才着手开始重新设计。


设计目标

整体上较关断式肯定要有所进步的,所以定下了以下目标

1.效率,相较于上一版的关断式,效率应该更高。

2.体积,由于使用了更小的电容和更加集成化的电路,体积更小。

3.结构,上一版本只集成了主控,功率电路搭棚不美观,也不太可靠。这版决定将整体集成,让内部也有条理一些。

4功能,个人做比较关注速度问题,所以上一版测速需要一直怼着一个测速器,很不方便,这版决定将测速功能集成显示到oled上。并且能通过按键控制工作状态。


基本原理就是使用光电检测子弹到达每级线圈的时候,开通半桥,等待设定时间后关断,线圈中的电流经过二极管回收回电容,使线圈中电流快速下降,做到能量回收。

这里引用一部分三水合番的讲解

31107991623605272124.jpg

两侧的开关管同时导通时,电感将被充电,电流上升,称其为“导通”阶段;当两侧的开关都处于关断状态时,若电感上仍有电流,则电感电流将通过AB的二极管流回电源,为电源充电,同时电感承受反向的电源电压,电流快速下降,称其为“关断”阶段,或“能量回收”阶段。


一开始并没有很大把握,于是便在面包板上进行代码测试,花了两天复习了一下stm32。又花了一天写好了整体的逻辑。因为是需要单片机控制开关时间,简单测试了一下,误差在2us以内。c8t6能胜任这个项目,便开始绘制原理图和pcb,一共花了15天完成了整机的制作。

半桥电路部分,很早之前在论坛看到一个4hv的图,上面有个用半桥驱动的IGBT电路原帖链接。他用的是ir2110s,适合用来半桥驱动igbt。

1622762712231.jpeg

用multisim仿真了一下,发现高边的供电有问题,自举电容应该应用于pwm开关的场合,而电磁炮往往是开关一下。于是采用隔离电源代替电容。

6$_ATL)K[ZKMH$6@UELY79S.png

实际测试时的电容放电波形

IMG_20210612_180237.jpg

电容用的是350v420uf,体积20*40,比原来用的小一圈。igbt是AUIRGPS4067D1,最大电流能到480A,线圈参数在模拟的时候控制电路的电流始终在400以内。二极管采用RHRP3060。

原理图如下,上面是32最小系统,中间光电开关电路,下面是半桥开关电路,igbt两端并的吸收电容是直接焊在镀锡上,并没画在电路中。

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整体的pcb设计也是在摸索中完成的,将弱电和强电分置于线圈两边,弱电部分了铺铜,强电做了开窗。pcb这样布局也是为了外形设计美观一些。这次连光电也集成在了电路上,为了减小体积大多采用0402的元件。

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乐秀视频剪辑第2部_20210605180658484.mp4 32.28MB

zvs及其控制电路分成了一个模块,一共引四个线,12v GND 高压和控制。模块放置在了枪体后端。电感CB1 47uh,电阻R1R2 420Ω,mos irfb3206,二极管 uf4007,变压器是买的12升600,整流桥K1 DB207s,限流电容C1 47nf 。zvs控制电路用的还是光耦隔离pc817加mos LR7843下拉控制。电压采集是大电阻分压采集的方法。

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发射器和模拟数据

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做好的主板线圈和zvs,这次用了3d打印光电支架,既方便了安装光电,也方便了线圈绕制。

IMG_20210612_174102.jpg

代码部分,在网上找了个例子,在上面改了改。整体是比较简单的,用的都是简单的逻辑。测速部分,使用单个光电门检测子弹通过的时间。连续发射了几十次进行调试。由于子弹长度也有一定的误差,最终和商用的测速器相比精度在2%,勉强可用。

IMG_20210613_220536.jpg

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功能控制主要靠的就是一个按键,短按切换多档电压模式,长按直接回到模式1(不进行充电和供弹)


外壳设计采用多段拼接,之前一直用着胶粘感觉还是不太结实,这次打算试试加螺丝。由于整机长度太短(约31cm)所以只能将握把前置方便握持。整体看着还可以,但手头耗材不太够,实物配色稍微差了点感觉。

[E[ZVZ6~6}KDLZ2KJ{)GSO6.png WC{M_YUAX1N1QXSP}5HRY]2.png

IMG_20210612_172422.jpg IMG_20210613_231055.jpg

IMG_20210613_231111.jpg IMG_20210613_231115.jpg

弹夹如图

IMG_20210614_161735.jpg


调试过程并不太顺利,在快完成的时候,高压线不小心搭到了32上,损毁的有点严重,只能重新焊了。不过调试和发射过程中并没有烧坏过igbt,毕竟电压比较低而且单极的储能也不高。

目前的时间参数还没有完全确定,还在调试。侧面预留了烧录接口方便更新程序。

IMG_20210614_093530.jpg


测试时候的数据

第一级1250us 第二级720us第三级540us 第四级450us第五级410us电压为340v

前两级 第一级剩余82v 第二级129v 速度30.7动能4j效率9.2%

前三级 第一级剩余82v 第二级129v 第三级144v 速度39.2动能6.47j效率10.2%

前四级 第一级剩余86v 第二级131v 第三级128v 第四级155v 速度45.13动能8.59j效率10.4%

级    第一级剩余81v 第二级128v 第三级140v 第四级158v 第五级168v 速度51.23动能11j效率10.8%

相比于设计还是有点差距,主要原因是实际线圈制作并不能完全达到数据标准,测试时候的没有安装固定,另外线路电阻半桥回收的能量和模拟出来的还是差了一些。

放一些测试时候的图

IMG_20210614_221446.jpg

IMG_20210612_180237.jpg

整体低压工作测试

VID_20210613_220333.mp4 79.38MB

外壳完成后做了连射测试和瞄具测试

VID_20210614_202621.mp4 12.83MB

280v时候连射速度一秒一发,出口速度40m/s以上

VID_20210614_162637(0).mp4 8.19MB

精准度还可以,这个方案可以通过加尾翼来减少翻滚。

威力测试就不放了,子弹和速度都和上一版相似。

这次设计整体来说还算满意,不过也存在一些问题,最初模拟设计时候没有考虑弹夹对子弹的摩擦力,导致实际装机后速度与测试时有一些误差,现已通过缩小初始位置减轻了一些影响,但完成品的效率应该比测试时候低了一些,目前成品的350v电压工作时速度在51m/s左右。

整机加上枪口长度约33cm,长度比我电脑还要小。

1623679642664.jpg

虽然最终并没有达到设计时的效率,但整体在完成度上还是令我满意的,可靠度比之前有很大提高,外观设计也有进步。能完成这样一个作品还是很有成就感的。

最近有点忙,时间也比较紧,测试做的稍微有点少,写的有点仓促,如果有疏漏的后面再补充。

[修改于 4 个月前 - 2021-07-01 09:02:16]

+5  科创币    薛定谔的猫   2021-07-04   High Level
来自:高压与强磁 / 电磁炮
 
32
三水合番
4个月13天前
1楼

厉害。这年头能把这么多生产力放到研发电炮上,也是很不容易了😂

自举电容可以通过在发射前让下管先单独导通一下来充电,可能需要用容量稍大一点的电容,来保证较长时间里电压不掉太多。

从电压波形上看,似乎没有续流阶段?这是出于什么样的考虑呢?

另外,推荐把所有电容都并在一起,应该可以让效率再提高一点



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托卡马克作者
4个月12天前
2楼
引用三水合番发表于1楼的内容
厉害。这年头能把这么多生产力放到研发电炮上,也是很不容易了😂自举电容可以通过在发射前让下管先单独导...

这是我第一次采用半桥式的和新的mcu来做电炮。有点草率的是半桥这个方案我没有做过预实验,而是就直接做成品测试了。心里没有谱,所以只做到比较基础的回收。

起初设计时为了控制方便,ir2110s的高低边是由一个io口控制的,也就没有考虑过续流和先给自举电容充电的问题。另外对于这个续流有无的具体影响我也不是很清楚,希望大佬能给我讲解一下。

开始有想过使用一个大电容代替多级电容,但是这个回收后的电压和模拟值会相差多少未知,所以对于后面的线圈的参数也不好确定,最后选择的是我比较有把握的方案。

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Ma3.02的守望
4个月12天前
3楼

以前做过类似电路方案,使用的是这个组合:

光耦:HCPL-2630

半桥驱动:IRS2186

IGBT和楼主用的一样:AUIRGPS4067D1(这管子挺好的)

W6N26%NI~6IJIE$1BZ8PN}Q.png

(需要注意IR2186S、IR21867S的引脚顺序,当时JLC的库好像搞错了。)

这个电路测过,没有大问题,但出现过驱动ic损坏情况,没仔细去查。


几个有别于楼主方案的地方:

1、自举

图中CA1即自举电容。

自举电容需要预充电,通常半桥电路工作在PWM状态,在关断区间是可以给自举电容充电的,楼主也提到了。

在磁阻炮的"半桥"电路中,可以单独导通低侧桥臂,同样能给自举电容充电。另外这个自举电容要容量大一些,钽电容挺合适。


2、负压关断(有些细节记不清了,此部分可能有误,之后校对)

图中一堆三极管起到 负压钳位/快速泄放栅极电荷 的效果,参考了这个文章:

attachment icon 基于负压关断和栅极箝位的IR2110驱动电路的设计与研究.pdf 259.86KB PDF 53次下载 预览

实际上只有高侧具有负压关断功能,低侧是0V关断。

电路的具体工作流程是这样的:

开启低侧,自举电容充电——开启高侧,电流上升——关闭高侧,进行下续流——关闭低侧,能量回收

负压关断是为了让igbt快速渡越米勒平台,减小关断损耗。效果差一点的方法是使用三极管,关断时快速泄放栅极电荷。

在此应用中,高侧加负压容易实现,低侧不容易。所以让高侧在大电流下关断,低侧在续流一段时间后再进行关断。


希望有用。

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rb-sama
4个月12天前
4楼
引用三水合番发表于1楼的内容
厉害。这年头能把这么多生产力放到研发电炮上,也是很不容易了😂自举电容可以通过在发射前让下管先单独导...

全部电容并联在一起,如果用半桥简单的续流

可能会存在到后期,电压下降,续流速度降低,关断速度不够的问题

但是后级线圈又对电流迅速到0有要求


作为折衷的方案设计,也许可以考虑用高边开关在续流结束后

把所有电容器连接在一起,共享续流回收的能量,提高系统整体效率

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三水合番
4个月11天前
5楼
引用托卡马克发表于2楼的内容
这是我第一次采用半桥式的和新的mcu来做电炮。有点草率的是半桥这个方案我没有做过预实验,而是就直接做...

有续流阶段的话,可以让加速度峰值变低,所以效率能略微高点,具体思路参考https://www.kechuang.org/t/81010 

不过缺点是如果要达到同样的出速,需要减少线圈匝数,增大电流,对开关的负荷大一些。

把所有电容并在一起最大的好处是可以近乎消除电容内阻。你现在用的420uf电容内阻应该在0.1到0.2欧姆,还是相当可观的。都并在一起就变成1/5,几乎可以忽略了。另外并电容还可以提高关断速度,因为此时容量变大,能使导通和关断时的电容电压变得更加接近,关断的电流下降速度就能接近导通时的电流上升速度了。

不过缺点同样是会增大开关负荷,因为后级电压变低了,需要更大的电流才能得到同样的功率。


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三水合番
4个月11天前
6楼
引用rb-sama发表于4楼的内容
全部电容并联在一起,如果用半桥简单的续流可能会存在到后期,电压下降,续流速度降低,关断速度不够的问题...

后期电压下降不会让关断速度变慢……参考上一条

“把所有电容器连接在一起,共享续流回收的能量”可太可怕了……不同电压的电容并联在一起的时候会损耗巨大的能量。比如两个同容量电容,一个0v一个有电压,并在一起的瞬间会损耗掉一半的能量。会字面意义的“炸”管的

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rb-sama
4个月10天前
7楼
引用三水合番发表于6楼的内容
后期电压下降不会让关断速度变慢……参考上一条“把所有电容器连接在一起,共享续流回收的能量”可太可怕了...

从宏观考虑,确实容量增加末端电压不会那么低,能获得更快的续流。

并联的话,加个电感就行,类似BUCK,炸管有很多方式可以避免,

只是如果从上一条考虑,这种方式就显得没有必要了。

如果考虑比较极致一点的关断,可以参考SMPS里面的有源钳位,蓄能给一个小电容。

一次发射过程结束,再开关变换回收能量给总电容组

对提高系统效能有益,对提高发射效能无益

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zzhc2008
3个月28天前 修改于 3个月28天前
8楼

储能电容的外壳是直接暴露在塑料壳体外侧, 人体会直接接触到?此处应谨慎,电解的外壳一般不会有绝缘的rating,安规要求这些壳体作为带电导体处理。套个热缩管靠谱点。

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托卡马克作者
3个月28天前
9楼
引用zzhc2008发表于8楼的内容
储能电容的外壳是直接暴露在塑料壳体外侧, 人体会直接接触到?此处应谨慎,电解的外壳一般不会有绝缘的r...

感谢提醒,这个已经改进了 IMG_20210630_200448.jpg

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ZHAO某在路上
3个月9天前
10楼

用玩具枪的外形,做出不是玩具该有的威力 sticker

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托卡马克作者
3个月6天前
11楼

改进了代码,提高了速度精度。

IMG_20210723_120425.jpg


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54182403
2个月27天前
12楼

大佬,能不能发一下制作需要的pcb文件之类的吗?我也想做一个。


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时光孤影
1个月29天前
13楼

大佬可以发下原理图吗,我想学习学习

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托卡马克作者
1个月25天前
14楼

关于开源电磁炮,最近有些人希望我公开原理图和pcb文件,由于电磁炮本身具有的危险性,我并不希望它是没有任何技术门槛的。我希望开源的是一种方案供大家交流参考,而不是固定电路连接和代码。具体的方案在顶楼已经写的很详细了。在一个项目机械软件硬件是一个整体,如果完整开源必然会导致无脑仿制,我会放出高清图而不会放出工程文件,希望大家能理解。

attachment icon SCH.pdf 1.44MB PDF 153次下载 预览


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灬小猫
1个月9天前
15楼

现在新出的有些半桥驱动IC已经支持100%占空比模式了,也就是内置了奇怪的方法给自举电容充电,不需要下臂MOS给电容充电了

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