电磁炮设计

news2024/9/27 13:44:36

视频链接：

电磁炮视频

项目简介

    这个项目电磁炮主要是，测试电磁炮原理部分的简易制作，对原理有初步认识，升压电路采用的是boost电路，IGBT作为开关管，电解电容作为储能元件。

项目功能

    本设计是基于STM32F407单片机设计的电磁炮；设置有两个独立按键，功能分别为子弹发射，复位重置。电源开关按下时，STM32开始工作，boost升压电路供给60V电压。当拨码开关开启时60V电压给电容充电。充电大约10s后断开拨码开关后才可按下按键发射子弹。实现简易的单片机控制发射功能。

项目参数

此处可填写项目的相关功能参数介绍，示例：

  • 本设计采用STM32F407作为控制部分；
  • 本设计采用LGS6302B5，Legend-Si(棱晶半导体)芯片作为boost电路60V供电芯片；
  • 本设计采用MP2225GJ-Z buck电路芯片供给5V电源；
  • 本设计采用MP2225GJ-Z buck电路芯片供给3.3V电源；
  • 本设计采用PC817C光耦芯片进行控制电路与发射电路电压隔离；
  • 发射电路导通器件采用的是IGBT（FGH60N60SMD）onsemi(安森美)

原理解析（硬件说明）

整体设计的关键部分分为3部分，升压电路部分，降压电路部分，控制电路部分。

在这里插入图片描述

1–boost_60V升压电路：

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

    Boost电路采用的是LGS6302 ，其是一种集成功率开关的异步升压转换器，具有 3V 到 60V 的宽输入电压范围，集成了软起动，从而最大限度地减少对外部浪涌抑制组件的需求，使其成为宽输入电源范围升压转换器的理想选择。输出电压可以通过外部不同阻值的电阻配置。
在这里插入图片描述
本人使用的是5脚设计。

引脚名称说明
SW内部功率开关节点。外部连接功率电感、肖特基二极管
GND接地引脚
FB反馈输入引脚。连接至外部电阻器，输出电压由𝑅𝑅𝐹𝐹 和𝑅𝑅𝐺𝐺 共同决定
ENBOOST 的使能输入引脚
VIN驱动器电源输入引脚，使用 4.7uF 或更大的陶瓷贴片尽量近旁路VIN和GND

设定输出电压

    LGS6302 输出电流可通过外置电阻分压器调节输出电压的大小。建议的输出电阻取值见下表。分压网络由 RG 和 RF 组成，请保证 RG小于等于30K。转换器通过保持 FB 引脚上的电压等于内部参考电压 VREF来调节输出电压。
一旦选择 RG 则可根据 VFB 选择 RF的值，VFB典型值是1.2V：

输出电压公式：
在这里插入图片描述
当我输出电压为60V时， RG=8K时可以得到，RF为392K（但是这个电阻网上没得买当时，最后买的390K）

CIN 选取建议与经验考虑
    单独使用一个 10uF 陶瓷电容足以旁路 LGS6302，并处理纹波电流。但前提是它足够靠近 LGS6302，直接放在从 VIN(引脚 5)和 GND(引脚 2)引出的走线上，以获得更好的性能并且应用占位面积的增加却极小。
输入电压纹波公式：
在这里插入图片描述

从公式中看出CIN越大输入纹波越小，条件支持的情况下可以选择较为大的电容。


电感值的选取
    经验表明，电感纹波电流的最佳值为最大负载电流的40%。请注意，当为最大负载远小于设备最大可用负载的应用选择纹波电流时，请使用最大设备电流。常数 K 是电感电流纹波的百分比。对于大多数应用，电感器值可以从以下等式计算：
在这里插入图片描述
设计时满足的条件，VIN=12V，VOUT=60V，纹波K未知，电流I为0.2A。
带入公式得：
在这里插入图片描述

    而K对于典型的升压转换器，K 值在 20% 到 30% 之间是常见的选择。当K取值为0.2时，得电感感值为8uh（最终我还是用了手册的10uh，下次试试8uh）。


输出电容选取
输出电压纹波的大小取决于具体应用。下面的公式可用于估计总输出电容的下限和电容 ESR 的上限：
在这里插入图片描述
此公式只是对输出电容的最小值进行了限制，所以尽量往大的取。
小结：以上就为升压电路理论部分，理论准备好后开始实际设计。

1–buck 5V、3.3V降压电路：

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

以下是工科男孙老师的B站视频链接，他对MP225的讲解就是本人的启蒙。
https://www.bilibili.com/video/BV1XQ4y1Q74n/?spm_id_from=333.999.0.0&vd_source=0b4cc24ad65b13e07dc6d81b704f71cf

1–控制电路：

（1）发射部分
核心器件1：IGBT

在这里插入图片描述
IGBT（绝缘栅双极型晶体管，Insulated Gate Bipolar Transistor）是一种广泛应用于电力电子设备中的半导体器件。它结合了MOSFET（场效应晶体管）的优点和BJT（双极型晶体管）的优点。以下是对IGBT的基本介绍：

  1. 结构与工作原理
    结构：IGBT由三个主要部分组成：发射极（Emitter）、集电极（Collector）和栅极（Gate）。它结合了MOSFET的栅极控制和BJT的电流放大功能。
    工作原理：当栅极施加适当的电压时，IGBT会在发射极和集电极之间形成导电通道。栅极电压控制这个通道的开启与关闭，从而控制电流的流动。
  2. 主要特点
    高输入阻抗：IGBT的栅极控制特性类似于MOSFET，具有高输入阻抗，不需要很大的驱动电流。高电流承载能力：IGBT可以承载高电流，并具有较低的导通压降，类似于BJT的特性。开关速度：相较于BJT，IGBT的开关速度较快，但通常不如MOSFET快。
    主要关注的特性也是以下：
    在这里插入图片描述
    VGE = 4.5V：这是栅极-发射极电压，指示IGBT开启所需的最低栅极电压。较低的VGE意味着它可以在较低的栅极电压下开启，有利于驱动电路设计。
    VCE = 1.9V：这是集电极-发射极电压，表示在导通状态下的导通电压降。较低的VCE意味着IGBT在导通时损耗较少，有助于提高整体效率。


    核心器件2：光耦
    在这里插入图片描述

  光耦（也称为光隔离器或光电耦合器）是一种用于电气隔离和信号传输的电子组件。它主要用于将两个电路隔离开来，同时在它们之间传递信号。这种隔离可以保护敏感电路不受高电压或噪声的影响，提高系统的稳定性和可靠性。

光耦的主要作用
  电气隔离：光耦可以有效地隔离输入和输出电路，防止高电压对低电压电路造成干扰或损坏。这对于保护低电压控制电路尤其重要。
  信号传递：光耦可以在隔离的两个电路之间传递信号。输入电路中的信号通过光耦的光电隔离装置被转换成光信号，再通过光接收装置转换回电信号，完成信号的传递。

在这里插入图片描述
    主要关注的也是它的开关时间，从而决定电容释放时间。NPN三极管架构，就决定了我的输出方式。

了解完器件的大致理论部分后开始设计发射部分工作原理，如下图所示。
图1

    控制部分如图所示，通过PB5引脚进行控制，当PB5为低电平时，光耦（PC817）导通，控制内部三极管NPN导通，节点3的电压=节点4电压为12V，12V/100欧姆=0.12A，IGBT导通，本人测试时发现IGBT导通时万用表蜂鸣档测不出来。可能是由于未达到VCE的阈值，所以本人的测试方式是用一节锂电池（4.0V）模拟电容（电压大于VCE阈值），当给线圈通电时，铁质炮弹可以发射判断出IGBT功能正常。

当PB5高电平时
在这里插入图片描述

检测R22处电压为0V。

当PB5低电平时
在这里插入图片描述

检测R22处电压为12V。

（2）电容充电部分
在这里插入图片描述
    此为简单的充电电路，拨码开关打开时，led灯亮正在充电（尽量选择大功率的LED，理论上选择一个不低于20ma的二极管没问题），电容充电电压为60V。
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

电容充电时，60V在电容口两端如图所示。

控制部分

在这里插入图片描述
    整体设计思路如图所示，按键采用上拉电阻接法，后续通过舵机控制其左右转（后续开发），串口与机器视觉模块通讯（后续开发），PB5输出引脚连接电磁炮，控制大炮的发射。

软件代码

1.时钟本人选用的是外部时钟
在这里插入图片描述


2.系统烧录方式
在这里插入图片描述


3.输入输出引脚配置，PB5输出，PB8、PB9采用外部中断
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

在这里插入图片描述
    本人设计时只用到了上述部分，后续PWM以及串口部分等二代（又不知道托更到什么时候）开发时讲述，也可以参考本人的前述文章了解这方面知识。


4.时钟树
在这里插入图片描述


代码部分
stm32f4xx_it.c增加了以下代码

void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)
{

    if(GPIO_Pin == KEY1_Pin) 
		{
        HAL_GPIO_WritePin(launch_GPIO_Port, launch_Pin, GPIO_PIN_RESET);
			  for(uint64_t j=0;j<150000;j++)
			  for(uint64_t i;i<100000;i++);
			  HAL_GPIO_WritePin(launch_GPIO_Port, launch_Pin, GPIO_PIN_SET);
			  for(short i;i<30000;i++);

    }
    if(GPIO_Pin == KEY2_Pin) 
		{
        // 处理GPIO_PIN_0中断
			 HAL_GPIO_WritePin(launch_GPIO_Port, launch_Pin, GPIO_PIN_SET);
			 for(short i;i<25000;i++);
    }
}

最开始i，j很小时，示波器显示低电平时间为70ns，检测光耦是否有70ns的高电平输出时，没有反应，后来看手册才注意到上文那一点，它的关断时间必须大于5us。

在这里插入图片描述
不断调整j，i后，致使其保持在了10.7ms（多次测量都是在10.7ms）
在这里插入图片描述

主函数部分

int main(void)
{

  /* USER CODE BEGIN 1 */
  /* USER CODE END 1 */

  /* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/

  /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
  HAL_Init();

  /* USER CODE BEGIN Init */

  /* USER CODE END Init */

  /* Configure the system clock */
  SystemClock_Config();

  /* USER CODE BEGIN SysInit */

  /* USER CODE END SysInit */

  /* Initialize all configured peripherals */
  MX_GPIO_Init();
  MX_TIM2_Init();
  MX_USART1_UART_Init();
  MX_USART2_UART_Init();
  /* USER CODE BEGIN 2 */
  key1=HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB,KEY1_Pin);
	key2=HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB,KEY2_Pin);
	HAL_GPIO_WritePin(launch_GPIO_Port, launch_Pin, GPIO_PIN_SET);
  /* USER CODE END 2 */

  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {

    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
		 key1=HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB,KEY1_Pin);
	     key2=HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB,KEY2_Pin);
  }
  /* USER CODE END 3 */
}

实验测试及结果

5V电压输出图
在这里插入图片描述

3.3V电压输出图
在这里插入图片描述


60V电压输出图
在这里插入图片描述

实物图

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
希望这篇文章对你有所帮助，有不足之处本人水平有限请谅解。

嘉立创PCB设计链接:https://oshwhub.com/roudragon/dian-ci-pao-she-ji
百度网盘存放的是数据手册以及测试时的代码
百度网盘链接: https://pan.baidu.com/s/1xCu2zZRUdmRiDcGImz5NjQ?pwd=f6pn
提取码: f6pn

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