Электронное реле соленоида

Полезная модель относится к области транспортного машиностроения, а именно, к системе управления топливоподачей, предназначена для управления соленоидом открытия заслонки топливоподачи, с возможностью контроля перемещения штока соленоида, с защитами от короткого 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, H03K17/00, 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.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство «Электронное реле с трансформаторной развязкой и с защитой от перегрузки по току и перегрева электронного ключа» [Патент Российской Федерации № 2380828, H03K17/08, 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, защёлки 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.
Задача, на решение которой направлена ПМ, состояла в создании устройства для управления соленоидом, имеющим две обмотки: втягивающую обмотку и обмотку удержания, предназначенного для эксплуатации в составе транспортных средств, позволяющее контролировать перемещение штока соленоида с защитами от короткого замыкания обмоток соленоида, защитами от перегрева силовых ключей, с диагностикой обрыва обмоток соленоида.
Технический результат достигается тем, что электронное реле соленоида содержит 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 также блоки защиты от индуктивных выбросов.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежом (фиг.), где
1 - фильтр питающего напряжения;
2 - блок питания;
3 - блок микроконтроллера;
4 - блок управления ключом удержания;
5 - блок защиты от перегрева ключа удержания;
6 - блок защиты от короткого замыкания;
7 - блок контроля обрыва обмотки удержания;
8 - блок индикации;
9 - блок защиты от перегрева ключа втягивания;
10 - блок управления ключом втягивания;
11 - блок силового ключа обмотки удержания;
12 - блок защиты от индуктивных выбросов на обмотке удержания;
13 - блок защиты от индуктивных выбросов на втягивающей обмотке;
14 - блок измерения тока;
15 - блок силового ключа втягивающей обмотки.
Работа устройства начинается подачи питающего напряжения через фильтр питающего напряжения 1) на блоки силовых ключей 11) 15) и блок питания 2). После чего блок питания 2) формирует питающее напряжение для всех блоков. При появлении питания, блок микроконтроллера 3) выдерживает паузу, необходимую для стабилизации напряжения на ключах 11) 15) и окончания переходных процессов на линиях питающего напряжения. Далее микроконтроллер 3) считывает с блока контроля обрыва обмотки удержания 7) состояние обмотки удержания. Контроль обрыва обмотки удержания определяется по напряжению на выходе, следующим образом: блок 7) через высокое сопротивление подключает выход силового ключа обмотки удержания 11) к питающему напряжению и считывает значение напряжения на выходе силового ключа 11). 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 того как блок микроконтроллера 3) определяет, что нет обрыва обмотки удержания, начинается процедура втягивания штока соленоида. Для этого блок микроконтроллера 3) через блок управления ключом втягивания 10) подаёт команду включения на блок силового ключа втягивающей обмотки 15), после чего через блок измерения тока 14) 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 3) 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 упёрся 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 3) фиксирует короткое замыкание втягивающей обмотки. Если блок микроконтроллера 3) не зафиксировал короткое замыкание втягивающей обмотки, при этом по датчику тока определил, что шток соленоида переместился на достаточное расстояние, то блок микроконтроллера 3) переходит к этапу включения обмотки удержания. Для этого блок микроконтроллера 3) через блок управления ключом удержания 4) передаёт команду включения блоку силового ключа обмотки удержания 11). После включения блок защиты от короткого замыкания 6) контролирует состояние силового ключа 11). Контроль короткого замыкания обмотки удержания осуществляется по падению напряжения на входе и выходе блока силового ключа 11). Если разница напряжений на входе и выходе блока силового ключа 11) превышает допустимое значение, то блок защиты от короткого замыкания выдаёт сигнал блоку микроконтроллера 3), 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 3) через блок управления ключом втягивания 10) даёт команду на отключение блоку силового ключа втягивающей обмотки 15). 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.
Помимо контроля обрыва и короткого замыкания блок микроконтроллера 3) считывает данные с блоков защиты от перегрева 5) 9). Блоки защиты от перегрева 5) 9) подключаются к соответствующим блокам силового ключа 11) 15) и постоянно в процессе работы измеряют температуру этих блоков, если температура превышает заданный порог, то формируется сигнал ошибки для блока микроконтроллера 3). Если с блока защиты от перегрева ключа удержания 5) или ключа втягивания 9) приходит сигнал ошибки, то блок микроконтроллера 3) фиксирует перегрев в соответствующем блоке силового ключа 11) 15).
При определении ошибок «перегрев», «короткое замыкание обмотки удержания», «короткое замыкание втягивающей обмотки», «обрыв обмотки удержания», «обрыв втягивающей обмотки», блок микроконтроллера 3) выдаёт команды отключения на оба блока управления ключом 4) 10) и с помощью блока индикации 8) отображает код ошибки. Если определяется ошибка «заклинивание штока соленоида», то блок микроконтроллера 3) прерывает втягивания штока соленоида, выдерживает паузу и пытается повторно втянуть шток соленоида. Только после пяти неудачных попыток втягивания штока на блок индикации передаётся код ошибки «заклинивание штока соленоида». На выходе блоков силового ключа обмотки удержания 11) и втягивающей обмотки 15) установлены блоки защиты от индуктивных выбросов 12) 13), защищающие блоки силовых ключей от выбросов напряжения обратной полярности в момент прекращения подачи питания на обмотки соленоида.
В настоящее время на предприятии ООО «НИКТЕС» изготовлены образцы предлагаемого устройства. Испытания подтвердили их работоспособность и соответствие всем заявленным характеристикам.