Электронное реле соленоида с защитой от перегрева соленоида и контролем питающего напряжения

Полезная модель (ПМ) относится к области транспортного машиностроения, а именно к системе управления топливоподачей, предназначена для управления соленоидом открытия заслонки топливоподачи, с защитой от перегрева обмоток соленоида, контролем напряжения питания в том числе защитой от подачи недопустимого напряжения на обмотки соленоида, с возможностью контроля перемещения штока соленоида, с защитами от которого замыкания обмоток соленоида, защитами от перегрева силовых ключей, с диагностикой обрыва обмоток соленоида.
Известно устройство «Электронное реле с трансформаторной развязкой и с защитой от перегрузки по току» [Патент Российской Федерации №79359, H03K 17/00, 2008] содержащее генератор импульсов, импульсный трансформатор, выпрямительный диод, конденсатор фильтра и электронный ключ на транзисторе дополнительно введены конденсатор фильтра, резистор разряда, источник стабилизированного напряжения, датчик тока нагрузки, операционный усилитель, релейный элемент, задатчик релейного элемента, интегрирующее звено и «защелка», состоящая из n-p-n и p-n-p транзисторов и нагрузочного резистора.
Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками ПМ, являются: блок измерения тока (датчик тока нагрузки у аналога), блоки силовых ключей (электронный ключ у аналога), блок питания (источник стабилизированного напряжения у аналога), блок индикации (блок информации у аналога), блок защиты от короткого замыкания (совокупность операционного усилителя, релейного элемента, задатчика релейного элемента, интегрирующего звена и «защелки» у аналога).
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются: наличие только одного электронного ключа, что не позволяет раздельно управлять обмотками соленоида, отсутствие блока микроконтроллера для анализа положения штока и контроля времени подачи напряжения на обмотки соленоида, отсутствие датчиков перегрева ключа, отсутствие блока индикации для информирования об ошибке реле, отсутствие блока контроля питания, отсутствие автономного накопителя и блоков его заряда и разряда.
Известно устройство «Электронное реле с трансформаторной развязкой и с защитой от перегрузки по току и перегрева электронного ключа» [Патент Российской Федерации №2380828, H03K 17/08, 2010] содержащее электронный ключ на МОП транзисторе, генератор импульсов, импульсный трансформатор, выпрямительный диод, токоограничительный резистор, фильтрующий конденсатор, резистор разряда, источник стабилизированного напряжения, датчик тока нагрузки, операционный усилитель, релейный элемент, задатчик релейного элемента, интегрирующее звено и «защелку», состоящую из p-n-p и n-p-n транзисторов и нагрузочного резистора, а также датчик температуры и блок информации, содержащий второй импульсный трансформатор, делитель напряжения, второй токоограничительный резистор, n-p-n транзистор, второй выпрямительный диод, второй фильтрующий конденсатор, второй резистор разряда, информационные выводы реле.
Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками ПМ, являются: блок измерения тока (датчик тока нагрузки у аналога), блоки силовых ключей (электронный ключ у аналога), блок питания (источник стабилизированного напряжения у аналога), блок индикации (блок информации у аналога), блок защиты от перегрева (датчик температуры у аналога), блок измерения тока и блок защиты от короткого замыкания (совокупность операционного усилителя, релейного элемента, задатчика релейного элемента, интегрирующего звена, защелки у аналога).
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются: наличие только одного электронного ключа, что не позволяет раздельно управлять обмотками соленоида, отсутствие блока микроконтроллера для анализа положения штока и контроля времени подачи напряжения на обмотки соленоида, отсутствие блока контроля обрыва обмотки, отсутствие блока контроля питания, отсутствие автономного накопителя и блоков его заряда и разряда.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство «Электронное реле соленоида» [Патент Российской Федерации №174045, H03K 17/00, 2017] содержащее блок микроконтроллера, блок питания, фильтр питающего напряжения, блок управления ключом удержания, блок силового ключа обмотки удержания, блок защиты от перегрева ключа удержания, блок защиты от короткого замыкания, блок диагностики обрыва обмотки удержания, блок управления ключом втягивания, блок силового ключа втягивающей обмотки, блок защиты от перегрева ключа втягивания, блок измерения тока а так же блоки защиты от индуктивных выбросов.
Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками ПМ, являются: блок микроконтроллера, блок питания, фильтр питающего напряжения, блок управления ключом удержания, блок силового ключа обмотки удержания, блок защиты от перегрева ключа удержания, блок защиты от короткого замыкания, блок диагностики обрыва обмотки удержания, блок управления ключом втягивания, блок силового ключа втягивающей обмотки, блок защиты от перегрева ключа втягивания, блок измерения тока а так же блоки защиты от индуктивных выбросов.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются: отсутствие блока управления включением, что не позволяет отключат подачу питания на соленоид при наличии питающего напряжения на входе, отсутствие блока контроля питания, позволяющего контролировать качество питающего напряжения перед подачей его на обмотки соленоида, отсутствие автономного накопителя и блоков его заряда и разряда, позволяющих оценивать степень нагрева обмоток соленоида.
Задача, на решение которой направлена ПМ, состояла в создании устройства для управления соленоидом, имеющим две обмотки: втягивающую обмотку и обмотку удержания, предназначенном для эксплуатации в составе транспортных средств, позволяющее оценивать степень нагрева обмоток соленоида, и предотвращать перегрев соленоида, а так же не допускать подачу повышенного напряжения на обмотки соленоида, оценивать провалы питающего напряжения и при необходимости повторно втягивать шток с возможностью контролировать перемещение штока соленоида с защитами от которого замыкания обмоток соленоида, защитами от перегрева силовых ключей, с диагностикой обрыва обмоток соленоида.
Технический результат достигается тем, что ЭРС содержит блок микроконтроллера, блок питания, блок контроля питания, блок управления включением, фильтр питающего напряжения, блок управления ключом удержания, блок силового ключа обмотки удержания, блок защиты от перегрева ключа удержания, блок защиты от короткого замыкания, блок диагностики обрыва обмотки удержания, блок управления ключом втягивания, блок заряда автономного накопителя, блок разряда автономного накопителя, автономный накопитель, блок силового ключа втягивающей обмотки, блок защиты от перегрева ключа втягивания, блок измерения тока а так же блоки защиты от индуктивных выбросов.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежом (фиг.), где:
1) фильтр питающего напряжения;
2) блок контроля питания;
3) блок управления включением;
4) блок питания;
5) блок микроконтроллера;
6) блок управления ключом удержания;
7) блок защиты от перегрева ключа удержания;
8) блок защиты от короткого замыкания;
9) блок контроля обрыва обмотки удержания;
10) блок индикации;
11) блок защиты от перегрева ключа втягивания;
12) блок управления ключом втягивания;
13) блок заряда автономного накопителя;
14) блок разряда автономного накопителя;
15) автономный накопитель;
16) блок силового ключа обмотки удержания;
17) блок защиты от индуктивных выбросов на обмотке удержания;
18) блок защиты от индуктивных выбросов на втягивающей обмотки;
19) блок измерения тока;
20) блок силового ключа втягивающей обмотки.
Основная работа устройства начинается подачи питающего напряжения через фильтр питающего напряжения 1) на блоки силовых ключей 16) 20) блок питания 4) и блок контроля питания 2). При отсутствии питающего напряжения постоянно работает автономный накопитель 15) и блок разряда автономного накопителя 14). Автономный накопитель 15) предназначен для анализа состояния нагрева обмоток соленоида. Автономный накопитель 15) рассчитан таким образом, что накопление электрического напряжения в нем повторяет график повышения роста температуры на обмотках соленоида, а уменьшение напряжения повторяет график охлаждения обмоток. Так как охлаждение происходит постоянного, когда шток не втянут, независимо от наличия или отсутствия питающего напряжения на электронном реле соленоида, то и блок разряда автономного отеплителя 14) также работает постоянно, питаясь от автономного накопителя 15) и разряжая его. После подачи питания, блок питания 4) формирует питающее напряжение для всех блоков. При появлении питания, блок микроконтроллера 5) через блок контроля питания 2) анализирует состояние линии питания. Линия считается исправной, если напряжение питания находится в диапазоне от 14В до 31В, а также на линии отсутствуют провалы напряжения ниже 14В длительностью более 5мс. Далее микроконтроллер 5) считывает данные с автономного накопителя 15) и рассчитывает температуру обмоток соленоида. Затем микроконтроллер 5) считывает с блока контроля обрыва обмотки удержания 9) состояние обмотки удержания. Контроль обрыва обмотки удержания определяется по напряжению на выходе, следующим образом: блок 9) через высокое сопротивление подключает выход силового ключа обмотки удержания 16) к питающему напряжению и считывает значение напряжение на выходе силового ключа 16). Если к выходу обмотки удержания не подключена нагрузка, то там появляется высокое напряжение равное напряжению питания, если подключена низкоомная нагрузка, то напряжение на выходе будет существенно (более чем в два раза) ниже чем напряжение питания. После проверки входного напряжения, расчета температуры обмоток, контроля обрыва обмотки удержания, начинается чтение состояния входа управления через блок управления включением 3). Как только на нем появляется сигнал включения, начинается процедура втягивания штока соленоида. Для этого блок микроконтроллера 5) через блок управления ключом втягивания 12) подает команду включения на блок силового ключа втягивающей обмотки 20). После чего через блок измерения тока 19 считывает ток втягивающей обмотки. Если ток втягивающей обмотки нулевой, то фиксируется обрыв втягивающей обмотки. Если нет обрыва втягивающей обмотки, то анализируется форма тока. По силе тока втягивающей обмотки блок микроконтроллера 5) определяет усилие на штоке соленоида. Учитывая время возникновения усилия на штоке, а также величину усилия, определяется начал ли шток перемещение, на какое расстояние переместился и в какой момент уперся в ограничитель штока. В случае если фиксируется что шток не начал движение или двигался слишком короткий отрезок времени, фиксируется ошибка «заклинивание штока». Если после подачи команды на блок силового ключа втягивающей обмотки с блока измерения тока фиксируется слишком большой ток, превышающий допустимый ток втягивающей обмотки, то блок микроконтроллера 5) фиксирует короткое замыкание втягивающей обмотки. Одновременно с перемещением штока соленоида микроконтроллер постоянно измеряет напряжение на входе через блок контроля питания 2) и зная значения тока считанное с блока измерения тока 19) рассчитывает энергию передаваемую в обмотки соленоида, далее через блок заряда автономного накопителя 15) микроконтроллер 5) заряжает автономный накопитель 15) пропорционально энергии переданной в обмотки соленоида. При этом постоянно проводится контроль напряжения на автономном накопителе 15) с пересчетом его в температуру на обмотках соленоида. Если блок микроконтроллера 5) не зафиксировал короткое замыкание втягивающей обмотки при этом по датчику тока определил, что шток соленоида переместился на достаточное расстояние и расчетная температура обмотка не превысила допустимую, то блок микроконтроллера 5) переходит к этапу включения обмотки удержания. Для этого блок микроконтроллера 5) через блок управления ключом удержания 6) передает команду включения блоку силового ключа обмотки удержания 16). После включения, блок защиты от короткого замыкания 8) контролирует состояние силового ключа 16). Контроль короткого замыкания обмотки удержания осуществляя по падению напряжение на входе и выходке блока силового ключа 16). Если разница напряжений на входе и выходе блока силового ключа 16) превышает допустимое значение, то блок защиты от короткого замыкания выдает сигнал блоку микроконтроллера 5), который в свою очередь принимает этот сигнал и фиксирует ошибку «короткое замыкание обмотки удержания». Если обмотка удержания включилась и не было зафиксировано короткого замыкания, то далее блок микроконтроллера 5) через блок управления ключом втягивания 12) дает команду на отключение блоку силового ключа втягивающей обмотки 20). Таким образом, подача питания на обмотку удержания происходит только после того как сердечник соленоида втянулся и прекращается подача питания на втягивающую обмотку, что позволяет значительно снизить разогрев обмоток соленоида, а учет нагрева обмоток позволяет предотвратить перегрев соленоида при попытках многократного включения выключения. В процессе втягивания и в процессе удержания штока микроконтроллер 5) через блок контроля питания 2) следит за тем чтобы напряжение питания не снизилось ниже допустимого. Помимо контроля обрыва и короткого замыкания блок микроконтроллера 5) считывает данные с блоков защиты от перегрева ключей удержания и втягивания 7) 11). Блоки защиты от перегрева ключей 7) 11) подключатся к соответствующем блокам силового ключа 16) 20) и постоянно в процессе работы измеряют температуру этих блоков, если температура превышает заданный порог, то формируется сигнал ошибки для блока микроконтроллера 5). Если с блока защиты от перегрева ключа удержания 7) или ключа втягивания 11) приходит сигнал ошибки, то блок микроконтроллера 5) фиксирует перегрев в соответствующем блоке силового ключа 16) 20). Данная защита служит для предотвращения повреждения ключей в случаях эксплуатации изделия в условиях окружающей среды превышающих допустимые.
При возникновении ошибки «перегрев обмоток соленоида» втягивание прекращается, а на блок индикации 10) передается информация о соответствующей ошибке, далее микроконтроллер 5) следит чтобы напряжение на автономном накопителе 15) опустилось до уровня соответствующего безопасной температуре обмоток, после чего автоматически начинает операцию втягивания штока если на входе все еще присутствует сигнал включения. При определении ошибок «превышение напряжения питания», «перегрев соленоида», «перегрев ключей», «короткое замыкание обмотки удержания», «короткое замыкание втягивающей обмотки», «обрыв обмотки удержания», «обрыв втягивающей обмотки», блок микроконтроллера 5) выдает команды отключения на оба блока управления ключом 6) 12) и с помощью блока индикации 10) отображает код ошибки. При фиксации ошибки «напряжение ниже допустимого» на блок индикации передается код ошибки «снижение напряжения питания, возможно отпускание штока». Если провал напряжения продолжительный, но при этом через некоторое время напряжение восстанавливается, то микроконтроллер 5) повторно втягивает шток соленоида, т.к. шток соленоида мог опуститься при провале напряжения. На выходе блоков силового ключа обмотки удержания 16) и втягивающей обмотки 20) установлены блоки защиты от индуктивных выбросов 17) 18), защищающие блоки силовых ключей от выбросов напряжения обратной полярности в момент прекращения подачи питания на обмотки соленоида.
В настоящее время изготовлены образцы предлагаемого устройства. Испытания подтвердили их работоспособность и соответствие всем заявленным характеристикам.