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どうも。今回はちゃんと進捗があるのでまともな記事が書けそうです。あ、エイプリルフールですよw

さて、現在製作中のコイルガン、作り始めてからだらだらと一年が経過しようとしていますwいやー一年間忙しかったね()
※ここからどうでもいい前置きです。飛ばしたい方はここをクリック!

そういえば学業のほうもいい感じですよ。一年のクラス席次は3位でした。
絶対的席次一位といったな、あれは嘘だ。
最初の中間の成績が7位だったことを考えると結構頑張ったんじゃないかなと思います。
ただ高専に入ったのにアホみたいに勉強するのはアホじゃないのかと悟ったので4年になるまで勉強しないと決めました。
席次が下から数えた方が早くならなければいいかなと。もちろん赤点は回避しますよ。必要な勉強はします。ただどうでもいい座学に費やする時間を必要最小限に抑えて製作活動に励む方がいいという話です。
でも本日見ちゃったんですよ。高専の数学3を。。。
うん。これ今まで以上に勉強しないと留年するやつだわ。。。無駄な勉強なんかする意味ないことに気づくのが一足遅かったか。。。
ま、まあ三年の内容が鬼畜なことを一足早く知ったのはいいことかなと。
とまあ長い前置きはこのくらいにしておいて、そろそろ本題に入りましょうか。
今回はタイトルにもある通り、コイルガンの進捗報告と今後の開発予定記事です。

現在約一年前に始めた2段式回生連射コイルガンの製作プロジェクトを進めていますが、諸々の理由により一週間以内に”連射できるコイルガン”という形にまでもっていかなければなりません。というのが現状です。

いい機会なのでこのプロジェクトの目指す完成形のコイルガンの仕様を簡単にまとめておきますね。
一年前に立ち上げた当初から、若干の仕様変更があります。作っているうちにいろいろ気づいたり気が変わったりもしますしね。

①連射式コイルガン
当初のあわよくば連射ではなく、連射式コイルガンを目指します。連射速度は最低でも毎秒2発を目指します。

②回生コイルガン
当初から高効率化のために回生型コイルガンにする予定でした。それは変更ではないのですが、スイッチング素子をIGBTからFETに変更します。詳細は後述。

③多段式
はい。二段式にこだわる理由なんてないので目標を多段式に変更します。ただハイサイドスイッチング等、課題がありますね。

④かっこいい
はい。これはまだCADも使えないし加工の知識もないけど頑張る。うん。気合でどうにかしよう←

こんなかんじのコイルガンを作ることが目標です。
で、現状これを達成するためにはほとんど一から回路を見直し、作り直す必要があるわけです。
もちろんゆくゆくはそうしますが、一週間後にとても間に合いません。

ということで今は既にある基板を使用して、”とりあえず連射できるコイルガン”を製作しています。
この一号機、というより零号機はとりあえず安定して連射させることが目標です。
完成し次第、回路やプログラムをアップデートしてバージョンアップしていき、①~④を満たす試作一号機を完成させる。というのが当面の目標ですかね。

さて、ここからは進捗報告とか技術的なお話です。
まずは今作っているとりあえず連射できるコイルガンのブロック図というか構成図というかを、、、

連射式コイルガンの構成図
はいどーん。まあ構成はたぶん一号機も変更はないと思います。
チョッパをマイコンでコンデンサ電圧をもとに制御して充電、トリガでソレノイドがプロジェクタイルを押し出す。
で、めんどくさかったから省略したけどプロジェクタイルを赤外線で検出してFire!という感じですね。

詳細を書きます。

Battery        :ニッ水。Lipoは高いし怖いし電圧低いから多分このままいく。
Power supply board :電源基板。レギューレーターとターミナルでできたこのタコ。

Power supply board

Charge control board:充電制御回路ですね。現状ではpic12f683でチョッパのスイッチング信号を生成して、コンパレーターでコンデンサ電圧を監視、充電が完了するとコンパレーター出力を変化させてpicのスイッチング信号をストップさせるという仕組みです。
ヒステリシスの計算とかややこしい原始的なこいつです。




(ちなみにヒステリシスの計算どうすんのって人向けにホームページに解説記事載せてますのでよかったら覗いてみてください。)

で、picを12f1822に変更して、コンデンサ電圧をA/D変換で取得して、PWMでチョッパをスイッチングするように変更する予定です。
さらにだいぶ前から考えてはいたんですが、チョッパのコイル電流を遮断した後、コンデンサに電流が流れる時間ってコンデンサの電圧の関数になるじゃないですか?ということはシャント抵抗とか挟まなくてもスイッチングの周期を適切に計算できるよねっていう。まあこれについては数学力がねw

Chopper:普通のチョッパ回路ですね。LR過渡の計算によってコイルに電流を飽和ギリギリまで流すようにpicでスイッチングされてます。
(ちなみにLR過渡でチョッパ回路の周波数の計算どうすんのって人向けにホームページに解説記事載せてますのでよかったら覗いてみてください。)

コイルに電流を流す時間は一定でいいんだけど(コイルが飽和する電流はほぼ変動しない為)、前述のようにコイル電流を遮断した後、コンデンサに電流が流れきるまでの時間はコンデンサ電圧によって変動します。
じゃあコンデンサ電圧を取得して最適な時間コイル電流を遮断してればいいじゃんということで前々から微分方程式を解こうと試みては失敗してきました。
で、今日暇だったので久しぶりに挑戦してみたらあと一歩のところまで来れました。そこから先は解法がわからなかったので上級生に聞いてみたらどうやら特性方程式が云々で高専の数学3に載ってるということで高専の数学3を読んでました。
まあ2割ぐらいは理解できましたよ。←
そこで冒頭でも言ったようにこれまで以上に勉強しないと留年することを悟ったんです。はい。
てか四年まで勉強しないと決めたやつが長期休暇中に高専の数学3を読みっていうこと自体、客観的に見れば勉強してるじゃんって話ですねw
違う。これは勉強ではない。必要になったから調べただけだ。

さて、話を戻しましょうか。

Fire control board:射撃制御基板もといソレノイドドライバーですねはい。

射撃制御基板11実物

この可愛い基板です。

あと省略した光学検出の基板
光学検出基板

ほんとはXHコネクタを使いたかったけどカシメ工具が高いじゃん。。。

回生回路
直付け回生回路.

スペースの関係で直付けです。まあ、スペースといってもボディーは愚か、マガジンすらできてないけどねw
もともとハイサイドにもFETがいてもっとぐちゃぐちゃしてたんですけどハイサイドスイッチングがうまくいかなくて(今考えると当然)、零号機は2段式にして一段目のコイルサージは2段目のコンデンサに、2段目のコイルサージは1段目のコンデンサに回生することにしました。完全にハイサイドをなくすことが目的化しちゃいましたが、やむをえません。
2016/4/2追記:そんなことはできない。諦めるんだな。

コイル
一段目コイル

まだ2段目がないw
φ0.3mmのホルマル線を50m位巻きまししました。15層ほどといったところですかね。あー旋盤欲しい。
ターミナルを両面テープではっつけてそこを端子としました。たぶんいずれT字のギボシが付きます。
で、光学検出の素子はアクリルに開けた小さな穴の中にあります。表面実装部品ですね。
横から出てる赤と灰色の配線をたどっていくとコイルの根元に何やら半田っぽいのがありますよね。

一段目コイル表面実装部品

これですね。
で、このコイル、普通に直流抵抗が12Ωあります。細い線で巻きまくりましたからねw
インダクタンスは空芯で大体11mH位です。発振回路作って測定しました。
LTspiceによると最大でも40A流れないらしいので(記憶は曖昧だからもうちょっと流れたかも)igbtなんて使わなくても普通にFETでスイッチングきますねwこれは想定外でした。ラッキー。IGBTはゲート電圧が結構要求されますからね。。。

で、多段式化のお話ですけど、主にハイサイドスイッチングがきついです。今PチャンネルのFETが使えないか検討しています。

とまあ、この辺で今回の記事は終わりましょうか。
とりあえずこの土日でコイル巻いてマガジン作ってしまえばことがうまく運べば連射できそうです。
基板は一通りそろってますので。
それでは最後になりますが、
エイプリルフールだといったな、あれは嘘だ。
では~。

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Fri 04 01 2016 | コイルガン | comments (6)
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はい。どうも。

早速本題ですが、多段式コイルガンなどでは赤外線で弾丸を検出してトリガします。
今回のコイルガンもソレノイドが押し出したプロジェクタイルを赤外線LEDとフォトトランジスタで検出します。

この方式自体はありきたりなんですが、今回は一工夫しました。
コイルガンは実はちょっとプロジェクタイルの頭がコイルに入ってるくらいでトリガをかけた方がよく飛びます。
プロジェクタイルの先端と後方を検出すればそのようなことはできるんですが、今回はコイルの後方すれすれで検出することにしました。

ということでドーン。





素晴らしい。ボビン(?)に埋め込みました。まあ本日なんかの接続不良でコイルがあちちうわちちになってアクリルパイプ曲がったですけどねwとりあえずいい感じです。
結構簡単にできます。表面実装部品で作ることによってよりコイル側でプロジェクタイルを検出できるので効率上がるんじゃないですかね(適当)

では。


Mon 01 11 2016 | コイルガン | comments (0)
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STAPはあります!!どうも、トマト大佐です。
皆さん!だまされてませんか?実は、STAPはあるんです!!!
そうです。皆さんご存知のSTAP、言うまでもりませんよね?







そうです。
Suspected Temporary Achievements and Progress (訳:進捗)

はい。おふざけはこれぐらいにしておいて、冬季休業中の進捗を発表します。

まず、先日の記事の時点ではソレノイド駆動回路とプログラムは完全には完成していませんでしたよね?それが完成しました。
何かアナログな問題でボタンを押している間ソレノイドがずっとピストンするはずなのになぜか電流が流れっぱなしになるという事態に悩まされていました。
LEDをソレノイドの代わりにつけると問題なく点滅するのにソレノイドにしたとたんなぜかだめ。。。

で、だまってフォトカプラ挟むことにしました。ないのでその月2度目の秋月電子ショッピング。
時は年末、後一日注文するのが遅かったら相当進捗が遅れることになったことでしょう。危なかった。

カプラは無事、大みそかに我が家に届きました。早速回路図、配線図の変更作業です。っといってもカプラ挟むだけなので回路図自体に大きな変更はないです。

射撃制御部1.1


地味にシュミットトリガとかも追加しました。カプラのついでに買ったので。FETも変更しました。

で、地味に頭使う配線図。

射撃制御基板11

何やら四角い明らかに入りそうにないのがフォトカプラです。はい。意外ときれいに収まりました。
で、実物はこんな感じ。

射撃制御基板11実物

そういえば日本アルミッとさんのこのはんだを買って試してみたんですがこれやばいです。
値段は少々張りますけどパフォーマンスが半端じゃないというか半田のノリがとても気持ちいい。はんだ付け上手くなったと錯覚します。

あとちょっと仕様変更しました。
スイッチでアクティブな抵抗を選択してそれをAD変換で検出して射撃モードを判断するところは変更なしですが、抵抗の値をGND、10kΩ、100kΩ、1MΩにしました。どうでもいいですね。

とりあえず駆動回路は完成です。チャタリング除去基板とモード選択基板は別基板にします。

さて、肝心のソレノイドですが、今まではホームセンターにたまたまあったばねを暫定的に使ってたんですが、正直弱すぎて話になりません。
そこで、自分で作ることにしました。ばねを。
取り合えず初めてなので、まずは性能は気にせず、ビヨーンってなる”ばね”を作ってみることにします。
新年早々、ばねを作ってました。はい。

まずはピアノ線はそのままでは旋盤とかがないと巻けないので、焼き鈍しして軟らかくします。
ピアノ線をBBQにポイして1000度くらいにまで加熱、徐々に冷やしていきます。というか放置しとけば勝手に火が弱くなって消える。

焼き鈍し

ピアノ線が黄色くなったら大体1000度くらいだと思う。頑張ってうちわで扇げば普通にそんくらいいった。

で、長ネジとナットでこんなのを作って、

ばね巻きネジ

こうして、

ばね巻きネジにまきまき

ばねの形にします。

ばね(成形直後)

で、今度は焼き入れです。この処理で硬くするらしい。
800℃位にして急冷します。水とか油に投げればいいらしい。

ばね焼き入れ

全体がいい感じに赤色になったら800度くらい。ほら見たことあるでしょ、温度によって鋼はこんな色になりますよてきな表。あれを見ればなんとなく温度が推測できます。

で、今度は焼き戻しします。焼き入れしただけではもろくてぽきぽき折れるので焼き戻しすることによって折れないばねにします。
400℃にして急冷するといいらしいです。温度が高ければ高いほど硬くなるんでしょうかね?

で、一応市販品よりはましだけど大して変わらないくらいのばねができました。いいですね。
焼き鈍し時の脱炭がひどいけどどうしようもないので今週末にもう一回り太いピアノ線でチャレンジしてみます。意外と楽しいです、ばねづくり。

さて、ばねともう一つ、ソレノイドが解決しないといけない問題があります。そうです。ふた(?)です。
中のコアとばねが飛ばないように、ついさっきこんなのを作ってかぶせました。小さい穴から棒を出してそれが弾を押し出すことになるはずです。

ソレノイドのふた
蓋つきソレノイド


え、穴の中心がずれてる?知らんな。手を抜くとこは抜くんだよ。
はい。そんな感じです。今回はここまで。
とりあえず回路はできたからあとはソレノイドの自体を完成させればいいということです。

実はもう一つ、弾丸検出機構で進捗がありますので次回はそれの記事になると思います。いや久しぶりに進捗がよくて気分最高ですね。じつは一か月後期末なんですよ。。。
では次回。


Wed 01 06 2016 | コイルガン | comments (0)
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どうも。皆さんは9連休中、いかがお過ごしになられましたでしょうか。トマト大佐です。
はいどうも。いろいろあって授業が五日間ありませんでした。事実上九連休でした。はい。

さて、9連休ともなると、さすがにminecraft以外の進捗も生まれてきます。
というわけでプロジェクタイルの押し出し機構がほぼ完成したといっても過言ではない感じです。

さて、今回のコイルガンの給弾機構はマガジンに入ったプロジェクタイルをソレノイドで押し出す方式を採用しました。
ということで、ソレノイドの製作から始めていきます。
今回はコイルを手で巻くのがかったるかったので、こんなものを製作しました。

全手動コイル巻き機

一番時間がかかったのは、こいつの製作ですね。機械加工に慣れてないし。
第一、図面も何にも書いてない、挙句の果てには定規すら使ってませんからねww
まあ問題なく使える代物ができたので良しとします。
というかこいつのおかげでコイル巻き機の万能さに気づきました。改良型もいつか作ってみたいなと思います。




で、アクリルパイプ、接着剤、ばねを購入して、ボビンを作成してそこらへんに転がってるホルマル線を巻き付けます。
できたコイルの中に平行ピンとばねを入れて完成したのがこちら。

ソレノイド

中のばねと平行ピンは固定してないのでこのままじゃ一回作動させると飛び出しますww

ソレノイド(後ろ)

後ろにはコイル巻き機の都合上、小さな穴が開いてます。
ちなみに並行ピンのさきっぽが出てないのは仕様です。磁化しそうで怖いし加速コイルの近くに並行ピンがあると吸い込まれて動作に支障をきたす恐れが強いので、なにか鉄じゃない別のものを引っ付けて、それでプロジェクタイルを押し出します。

さて、ソレノイドが完成したら今度は駆動回路です。(完成したとは言ってない)

適当に回路図をかいて。。。

射撃制御部

プログラム組んで。。。

射撃制御プログラム

ブレボで動作確認兼デバック、調整です。意外と最初に組んだプログラムにバグがなかったのでウザったらしいデバッグは全然しないで済みました。
まだすべての機能は確認してないですが(は?)

ちなみにちょっと目を離したすきにブレボから煙が上がるという事故はありましたが、FETは無事でした。よかった。
しかしながらこんなグロいのが生まれました。(※グロ注意!)

焼けたジャンパ

背筋が凍りつくグロ画像が撮れてしまいました()
そろそろガチでちゃんとしたカメラが欲しいです。。。

さて、今回の回路の仕様を簡単に説明します。

ます、回路図のアタレ3と書いてるスイッチですが、あれで射撃モードの切り替えを行います。
スイッチを切り替えると下についてる抵抗の値(GND、10k、100k、Vdd)が変わり、電圧降下が変わります。
それをPICのA/D変換で検出して射撃モードを判断します。
1回路4接点のスイッチは自作することになりますね。。。

それで、射撃モードを判断したら、FETでソレノイドを駆動します。
FETは2sk2232を使用しました。ちょっと定格が不安だったのでパルスで電流を制限してます。といっても周期10msでDuty50%ですけどねwインダクタンスがけっこう大きいのかほとんど発熱もなしです。

そういえばサージ対策を完全に忘れてました。(調節後に思い出す)




とりあえずダイオードで対応することにします。(後々回生できればいいかな。)
で、配線図を描いて、

射撃制御部基板

半田付け。色々便利そうなので5Vレギュレーター基板は別で作成。。。

スイッチング制御基板、レギュレーター基板

小さくまとまりました。いい感じです。

さて、ソレノイド型押し出し機構の全機能の動作確認と最終調整が終わったら動画でも出します。




実は今の段階だと押し出す力が弱すぎます。さらに弾切れ、ジャムったときも無駄にトリガがかかります。

とりあえず現段階では

・ばねの交換
・ばね、平行ピンの固定
・平行ピンの先っぽ

が終われば完成としたいと思います。切り替えスイッチ作成と無駄なトリガ防止機構はとりあえず後回しにします。

では最後にマイクラの進捗を確認して終わります。では~♪

ブレイズトラップ


Sun 11 08 2015 | コイルガン | comments (0)
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どうも。自転車がパンクして、自分で修理したら余計悪化したトマト大佐です。
うん。慣れないことはある程度知識がないとやらない方がいいみたいですね。まあ失敗から学ぶって意味ではやってみた方がいいのかもしれませんが。
とりあえず確実性が重視されるものはプロにお願いした方がいいようですw

さて、前回の記事でこんなこと言ってましたよね。

さて、これで今回の2段式回生あわよくば連射コイルガンの開発もやっと先に進めます。次は充電停止回路の抵抗値(ヒステリシス)の調整ですね。
それが終わったらいよいよ回生実験です。データを基に充電停止電圧を決定して、、、先は長いですね。



ということで充電停止回路の調整に取っかります。
今回のコイルガンでは、先日上げた回路図の通り、自動充電停止回路にはコンパレーターを使用します。

充電制御部
※この回路図では動きません。プロトタイプみたいなもんです。

コンパレーターの反転入力に基準電圧をかけておいて、コンデンサの分圧(非反転入力)がその値よりも大きくなったら出力をハイにしてpicに入力する仕様になっています。

コンパレーターによって充電停止回路を構成する際のカギはヒステリシスです。ヒステリシスがないと充電が終了したらコンデンサの電圧が下がって、また充電が再開して、充電が終了したらコンデンサの電圧が下がって・・・と発振してしまいます。(これを利用した矩形波発振回路もあります)
そうならない為にも充電完了後に、ある程度電圧が下がってから再び充電を始めるようにヒステリシスを設けます。

さて、コンパレーターのヒステリシスを与えるためには、、、そうですね。抵抗を接続します。
接続された抵抗値の値でヒステリシスが決まるのですが、この抵抗値を適当に決めると充電が一生再開しなくなったり、コンデンサがあぼーんしたり、発振したりします。
そこできちんと抵抗値を計算してやる必要があるわけです。
めんどくさいので、ヒステリシスを計算してくれるサイトを探してみたらありました。
だたみていただければわかりますが、そのサイトでは基準電圧を非反転入力にかけてるおり、仕様が異なります。

。。。というわけで自力で最適な抵抗値を求めます。

充電停止回路mid


今回使用するコンパレーターはオープンコレクタ接続型のものです。基準電圧は常に一定です。
出力がハイの時、ローの時のそれぞれの非反転入力電圧を調べれば、ヒステリシスは計算できそうです。

出力がローの時、内部のトランジスタがオンとなり、出力がGNDに接続されます。
するとR5がR2と並列になります。
充電停止回路L

R2の電圧降下が非反転入力にかかる電圧です。

次に、充電が完了し、出力がハイになると内部のトランジスタがOFFとなり、出力はGNDと切り離されます。
するとR5がR2と並列ではなくなり、非反転入力にかかる電圧が大きくなります。

充電停止回路H


グラフにしてみました(ペイントクオリティー)
ヒステリシスと波形

非反転入力のグラフに書いてる青線が基準電圧です。急に上がったり下がったりしてる幅がヒステリシスです。

さて、計算していきましょう。。。
とはいってもそれぞれの出力の時のR2の電圧降下を求めるだけです。
Vc=コンデンサ電圧

High:R2*Vc/(R1+R2)
Low:(R2*R5*Vc)/(R1*R2+R1*R5+R2*R5)

抵抗値から非反転入力を求めることができたのであとはR5を求めるだけです。

反転入力=非反転入力
とHigh,Lowそれぞれで方程式を立て、、、

ここから先は面倒なので各自やってくださいw
R1は十分に大きな値、たとえば1MΩ位として、基準電圧(反転入力)を決めて、R2もいい感じ(10kとか)にすればあとは連立方程式といてR5の最適解を得ればよろしい。

チョッパー回路の計算同様、Excel様に手伝ってもらいましょう。
ヒステリシスの計算

これは需要ありそうなんで近いうちにJavaScriptかなんかで計算できるようにします。(うん近いうちにね。。。)

計算式とかほしい人いたら言ってください。解説記事うpします。多分。。。

というわけで制御回路を少々変更。トランジスタが消えたのはTLP250を導入したため。

制御部ver2-1

バージョン2.1ですかねw
あと今気づいたんですけどプロトタイプとか言ってる一番上のver1.0のプルアップ抵抗の値が片方だけ1Mになってますね。正しくは10kです。

そんな感じです。調整は反転入力が決めた値になるように可変抵抗を回すだけです。簡単。

さて、ヒステリシスの計算ができて、実装まで終わりましたが、実はまだ実験していません。
忙しくてね。部活の進捗と課題の進捗がちょっとやばい感じです。
数学の課題難しすぎだしこんなんじゃ数検どころじゃないよ。。。

次回は今のところのまとめの記事か光学検出の記事になるかな。というかなればいいな。

では。(・ω・)ノシ

Mon 08 10 2015 | コイルガン | comments (0)
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