TD-68 IGBT关断式电磁炮

目前传统电路的作品不仅效率低（普遍低于5%）而且发射间隔时间较长，体型较大。我一直想制作一种效率高并且可靠美观的小体积作品。

初二时我受badboyfly入坑,当时做的第一个炮是小北的三十多块钱的套件，但一直觉得磁阻效率不高，所以在高中阶段开始玩电热感应，在估读二号和熵增等人影响下做了外场增强的轨道。虽然成果很好。但都达不到所预期的稳定连发的效果。

刚入大一在宿舍搞了一台3d打印机用于给电子作品制作外壳，在19年初产生了制作关断式磁阻的想法，第一版于19年2月开始设计制作，电路经历了一次大损坏，3d建模也是从头开始学的，模型改了6次。经过一系列困难最终于3月末完成原型机，虽然算是成功，但是仍然有很多不足的地方：

1. 继电器控制zvs导致电压波动大（20v左右）初速也不稳定。

2. 连发不能达到预期，射击间隔时间长（4s一发）

3. 线圈设计不合理导致单次发射电容能量利用不高，第四级发射后能剩余220v

4. 工艺不够完美：第一次建模不够美观舒适，整机厚度大，电路采用洞洞板占用体积可靠性差
   

第二版预期目标

1. 效率稳定在10%

2. 更小的电容和体积但威力保持不变

3. 能够做到2s一发

4. 电压精度5v以内

暑假期间学习了pcb的绘制后，便绘制了第二版的pcb。一直到10月2日开始采购材料和模型绘制，由于有了第一版的经验，中途没有遇到特别大的困难，作品于10月12日完全制作成功。

两版合影

整机长度40cm，枪托塞入了3s4000mah的航模电池，理论上一次充电可发射500发以上。枪托可拆卸更换。重量目前没有称，不过成人单手握持没有问题。

电路部分

初学ad有很多不熟练之处，主控板如下图，第一次采用光耦驱动7843来控制zvs取得成功。igbt驱动电路还是要感谢WangGC对电路的分享XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/t/83079 。在实际运用中加入了一些下拉电阻使得工作更稳定。驱动电路电源通过电池升压至15.8v供电，贴片tc4420在体积上也很有优势。输入使能can上拉时即使光电遮挡，也不会触发，有效防止了电路误触发的问题。主控采用arduino nano 数据由oled屏显示电容电压和当前模式，外部有一个按键，用来切换模式。预留了程序更新的接口，可以根据需要进行后续的改进。主控板电路如下图，光电检测和发射电路并不在图中，预留了接口通过硅胶线连接。

电压采集并没有什么特别好的方案，于是采用了大电阻分压直接adc，实际效果还算稳定。

四个in口接光电，out口接igbt栅级。光电部分电路采用成品光电对射管，功率电路为了外形和节省空间采用搭棚。

功率电路设计：

1. 第一二四级330v700uf电容 第三级800uf电容，这样设计主要是为了有效利用空间，700uf电容体积25*40 800uf25*45，虽然储能不多，但是小容量在连发和体积上具有优势，闪光灯的小内阻对效率的提升也有帮助。

2. 在第一版中偶尔会发生igbt过流损坏的问题，所以第一级单个igbt后三级采用并管方式，用的两个同批的igbt,这使得第四级在700a电流情况下可以稳定。igbt是AUGPS4067D

3. 续流采用RHRP3060二极管和5w电阻前三级0.5欧最后一级电阻0.82欧。

发射器：

发射器较为紧凑，主要是在初期弹丸选择的时候手头有较多的8*22的弹，所以导致设计线圈时长度在30mm内

发射管是304不锈钢管8.1*8.5

线圈根据模拟结果和经验选择了

第一级0.64mm8层单层35匝线圈长25

第二级0.64mm6层单层38匝线圈长27

第三级0.77mm5层单层34匝线圈长28

第四级0.77mm4层单层35匝线圈长29

实际中可能有误差

前级采用细线圈来减小体积，使磁场紧密助于低速阶段的发射，代价是热损耗会提高。

后级用粗线圈较小电感量使得电容能充分放电，实际效果在300v发射后，除第一级余压在80v另外三级在110v左右，较第一版改进了很多。

机械结构：

1. 弹簧采用0.6mm钢丝手工绕制，供弹可靠。上电后舵机推动弹丸遮挡住第一个光电，弹丸在压力和摩擦力作用下能做到在任何朝向的稳定射击。供弹方式和第一版几乎一样

2. 扳机是直接3d打印键压动微动开关，手感一般，3d打印件和机体通过轴承连接，所以不会出现卡死的情况，缺点是触发力小，可能出现手指误触发的情况，但这是体积较小化的方案。折中之后在程序中加入了block模式。

3. 舵机支架方便调试安装，但是对外观有些影响

在后期使用中改进了程序的一个bug，使得电压精度可以稳定在5v以内，稳定性大幅提高。

现在的效果是这样：弹丸采用A3钢销8.44g8*22 

250v状态下，输入83j 速度44m/s 动能8.17j效率9.8%

320v状态下输入128j速度52.5m/s动能11.6j效率9%

20次发射后，线圈和升压部位由于有开窗设计只是温热

瞄准器用的四变点，发射时子弹虽然会翻滚，由于是通过光电进行的关断，在加尾翼上并不方便，但在10米内还是比较精准的，散布半径在五厘米内。

在程序二次改进后，我让zvs利用舵机工作的间隙同时工作，在250v情况下可做到3s两发。

乐秀视频剪辑第7部_20191031112214969.mp4 点击下载

320v连射速度比较稳定，连射大概2到3秒一发

数据上还算满意，效率还有很大提升的空间，下一步可能会试试半桥回收等其他结构，我觉得磁阻不能局限于单纯的堆储能堆级数，效率和稳定性也值得我们去追求。