+7 (812) 494-9090
Обратная связьEnglish
Главная → О компании → Наши клиенты → Cassel Aero → Разработка силового блока, заменяющего устаревший блок 1975 года для Cassel Aero
Версия для печати

Разработка силового блока, заменяющего устаревший блок 1975 года для Cassel Aero

Заказчик: Cassel Aero

Отрасль: Электроника и аппаратное обеспечение


Заказчик получил лёгкий и недорогой блок в сравнении со старой моделью. Кроме того, модуляция пускового напряжения позволяет уменьшить стартовый ток электромотора клапана, что положительно влияет на работу системы в целом. При коротких замыканиях в новой системе предусмотрено срабатывание электронного предохранителя, защищающего систему от повреждения.



Ситуация

Для открытия и закрытия клапана на чане с селитрой используется электромотор. Чтобы открыть клапан, мотор должен вращаться в одну сторону, а для закрытия - в другую. Также у мотора имеется тормозная колодка. Если на тормозную катушку подано напряжение - вал свободен, если напряжения нет - вал моментально затормаживается. Типовое решение для таких случаев, показано на Рис. 1. Когда все реле K1-K4 разомкнуты, электромотор остановлен. Замыкание одной пары (например, K2 и K3) запускает вращение мотора в одну сторону, замыкание другой пары (K1, K4) - в другую. Одновременное замыкание K1 и K2, либо K3 и K4, ведёт к короткому замыканию и обгоранию контактов реле. Реле K5 снимает электромотор с тормоза. 

Типовое решение задач
Рис. 1. Типовое решение задачи.

Блок управления, работающий по типовой схеме, был разработан специалистами Заказчика ещё в 1975 году. Управляющая логика также реализована на двух реле. Учитывая тот факт, что электромотор потребляет 17 ампер по стрелочному амперметру (по факту 25 ампер пускового тока, затем 10 ампер рабочего), на момент разработки это было идеальным решением. Но когда появились мощные полевые транзисторы, недостатки имеющейся системы стали явными: 

  • Большой вес реле. Главный недостаток, так как при работе с вертолётом вес оборудования должен быть уменьшен, чтобы поднять как можно больше удобрений. Мощные реле имеют большой размер и большую массу (см. Рис. 2).
  • Высокая цена реле. Открытые контакты реле со временем окисляются, а в случае коротких замыканий - обгорают. Таким образом, необходимо периодически заменять старые блоки на новые, поэтому цена оборудования также является существенным фактором.
  • Логика, реализованная на реле, не обеспечивает задержки старта мотора относительно начала отвода тормозной колодки. Таким образом система в течение короткого времени, пытается вращать заторможенный мотор, что ещё больше повышает пусковой ток.

Блок реле
Рис. 2. Блок реле

Было решено произвести замену реле на транзисторы MOSFET с целью уменьшения массы, стоимости, а также оптимизации режимов работы системы в целом.

Решение

При разработке системы требовалось учитывать следующие факторы:

  • управляющий сигнал вырабатывается бистабильным реле, размещённым на другом конце кабеля, длиной 5 метров. Сигнал подвержен сильнейшему дребезгу;
  • напряжение +24 вольта подаётся с вертолёта через отсоединяемый кабель. При работе в дождливую погоду, а также вблизи ЛЭП на вертолёте накапливается статический заряд, от которого должна быть защищена вся электроника;
  • при заклинивании электромотора, по причине большой длины кабеля и высокого тока, возможны существенные просадки напряжения +24 вольта.

Типовые решения на транзисторах MOSFET предполагают использование P-канальных транзисторов в верхнем плече системы (замена реле K1 и K3) и N-канальных в нижнем плече (замена реле K2 и K4). Но, несмотря на то, что большинство P-канальных транзисторов обладает достаточно малым сопротивлением канала, на практике при простом вращении ненагруженного мотора они разогреваются так, что менее, чем через минуту работы отпаиваются (температура транзистора становится выше температуры плавления припоя). 

Параллельное включение нескольких транзисторов решает проблему, но увеличивает стоимость системы (если один транзистор MOSFET дешевле, чем реле, то четыре транзистора вчетверо дороже одного, а в плечо надо поставить, соответственно, не 2, а 8 штук). В случае с N-канальными транзисторами удалось найти такую модель, которая не греется при работе с целевым мотором. Для оптимизации расходов было принято решение заменить все четыре реле K1-K4 на N-канальные транзисторы, обеспечив верхнему плечу дополнительное напряжение смещения на затворе. Ток, проходящий через тормозной электромагнит, не вызывает нагрева даже P-канального транзистора.

Для обеспечения логики управления был использован микроконтроллер AtMega8 фирмы Atmel. Все его линии изолированы от внешней среды при помощи оптронов. Для недопущения прохода статического электричества питание контроллера идёт через трансформаторный преобразователь (тот же преобразователь обеспечивает смещение напряжения затвора верхнего плеча).

Опытная эксплуатация такого решения показала, что иногда силовые транзисторы всё же выгорают и плавкий предохранитель не успевает защитить их. Поэтому во втором поколении устройств был добавлен электронный предохранитель, срабатывающий намного быстрее. В случае фиксации высокого тока через силовые транзисторы, он снимет напряжение и зажигает лампу «Авария» на корпусе.

В настоящее время идёт опытная эксплуатация второго поколения системы. Сбоев не зафиксировано. 

Использование микроконтроллера позволяет:

  • обеспечивать фильтрацию дребезга на управляющем проводе;
  • обеспечивать задержку подачи напряжения на электромотор относительно подачи напряжения на электромагнит, отводящий тормозную колодку. Таким образом система не пытается запустить заторможенный мотор, создавая излишне высокий ток;
  • обеспечивать модуляцию напряжения в момент запуска мотора, чтобы ограничить пусковой ток;
  • снимать напряжение с мотора, если слишком долго нет сигнала от концевого датчика (в случае с реле, на заклинивший мотор будет упорно подаваться напряжение, пока не будет отключён кабель);
  • гибко менять логику работы системы.

Плата управления
Рис. 3. Плата управления.

Плата управления в том же корпусе
Рис. 4. Плата управления в том же корпусе, в который вставляются реле (для сравнения размеров).

Результат

Заказчик получил лёгкий и недорогой блок в сравнении со старой моделью. Кроме того, модуляция пускового напряжения позволяет уменьшить стартовый ток электромотора клапана, что положительно влияет на работу системы в целом. При коротких замыканиях в новой системе предусмотрено срабатывание электронного предохранителя, защищающего систему от повреждения.


Скачать