TK-5 IGBT半桥回收电磁炮

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

当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。

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。

实际测试时的电容放电波形

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。

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。

乐秀视频剪辑第2部_20210605180658484.mp4 点击下载 ‎

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。

发射器和模拟数据

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。

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。

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。

弹夹如图

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。

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%

五级    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

整体低压工作测试

VID_20210613_220333.mp4 点击下载 ‎

外壳完成后做了连射测试和瞄具测试

VID_20210614_202621.mp4 点击下载 ‎

280v时候连射速度一秒一发，出口速度40m/s以上

VID_20210614_162637(0).mp4 点击下载 ‎

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。

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。