Silnik slingshot — elektryka: cewki, tor mocy, sterowanie
Wygenerowano: 2026-07-06 06:15:41
Plik generowany automatycznie przez kreator — nie modyfikować ręcznie.
1. Zasada działania
Silnik pracuje jako liniowy silnik reluktancyjny (odmiana "coilgun" z biegnikiem ferromagnetycznym):
- Pierścień 1 (stal ferrytyczna 1.4016, ferromagnetyczna, 1,85 kg) jest wciągany w oś aktualnie zasilanej cewki. Przełączanie zasilania na kolejne cewki przesuwa go wzdłuż rury.
- Pierścień 2 (WHA ASTM B777 kl. 4, założenie prawie zerowego magnetyzmu, 40,53 kg) nie reaguje na pole — pierścień 1 popycha go mechanicznie (w górę) lub pierścień 2 opada na nim grawitacyjnie (w dół).
- Tłok jest liczony z tego samego materiału (WHA ASTM B777 kl. 4, 22,83 kg). Jeśli w wariancie wykonawczym tłok uczestniczy w ruchu, jego masa musi zostać doliczona do profilu sił i energii.
- Rura stalowa 1.4301/1.4404 jest przewodząca. To oznacza prądy wirowe, opóźnienie narastania pola w osi, grzanie rury i brak możliwości użycia optycznej diagnostyki przez ścianę. Ten wariant wymaga osobnej symulacji transient i prób cewek.
Sekwencja 1 — opuszczanie (odpowiada powolnemu obniżaniu siedzeń o ~170 cm):
zasilanie jest przełączane na coraz niższe cewki; pierścień 1 schodzi krokowo w dół, a pierścień 2 opada na nim grawitacyjnie. Sekwencja kończy się przy najniższej cewce.
Oczekiwanie: elektronika czeka na przycisk START od obsługi.
Sekwencja 2 — wyrzut: cewki są załączane kolejno od dołu do góry ("fala krocząca") — pierścień 1 jest gwałtownie wciągany ku górze i wypycha pierścień 2, docelowo nasuwając go na tłok.
Dodatki: przycisk bezpieczeństwa E-STOP przerywający każdą sekwencję oraz tryb diagnostyczny (przejście między kolejnymi cewkami trwa 1 s).
| Wielkość | Wartość |
|---|---|
| Liczba cewek | 28 |
| Rozstaw cewek | 120 mm |
| Skok roboczy pierścienia 1 | ~2576 mm |
| Masa rozpędzana (pierścień 1 + 2) | 42,37 kg (1,85 + 40,53) |
| Materiał tłoka i pierścienia 2 | Tungsten heavy alloy ASTM B777 kl. 4 (18,5 g/cm³) |
| Siła utrzymania (F = M·g) | 416 N |
| Siła przy przyspieszeniu 1 g | 831 N |
| Siła przy przyspieszeniu 2 g | 1247 N |
| Siła przy przyspieszeniu 3 g | 1663 N |
Uwaga konstrukcyjna: pierścień 1 (48 mm) jest krótszy od rozstawu cewek (120 mm) — między cewkami występuje strefa słabszego ciągu. W sekwencji 2 kompensuje to bezwładność (pierścień przelatuje strefę), w sekwencji 1 należy zasilać dwie sąsiednie cewki jednocześnie (przekazanie "z ręki do ręki"). Rozkład siły zweryfikować w darmowym programie FEMM 4.2 (symulacja osiowosymetryczna).
Wariant stalowej rury nie jest elektrycznie równoważny PMMA. Orientacyjna głębokość wnikania pola dla 1.4301/1.4404: 100 Hz ≈ 42,5 mm, 1 kHz ≈ 13,5 mm, 10 kHz ≈ 4,3 mm. Ściana 10 mm może silnie tłumić szybkie składowe impulsu; konieczne jest przeliczenie prądów, strat i czasów zapłonu na modelu elektromagnetycznym z przewodzącą rurą.
Wariant WHA kl. 4 zwiększa masę pierścienia 2 względem kl. 1 o około 8,8%. Tabele sił, czasy przejazdu, impulsy prądowe i progi diagnostyczne muszą zostać ponownie zweryfikowane dla większej masy, nawet przy identycznej geometrii.
2. Cewki
2.1 Dostępność gotowych cewek — wynik analizy
Gotowe (katalogowe) cewki elektromagnetyczne dostępne w handlu to niemal wyłącznie cewki do zaworów hydraulicznych/pneumatycznych — ich otwory wewnętrzne mają 9–16 mm. Cewek o otworze ≥ Ø122 mm (na rurę Ø120) nie ma w katalogach — konieczne jest nawinięcie na zamówienie według poniższej specyfikacji.
Firmy nawijające cewki na zamówienie w Polsce:
| Firma | Strona | Uwagi |
|---|---|---|
| NEOTECH | neotech.pl | Cewki do silników liniowych i elektromagnesów, termospiekane, pod indywidualne zamówienie — profil najbliższy tej aplikacji |
| ELSIT | elsit.pl | Nawijanie cewek powietrznych (bezrdzeniowych) i rdzeniowych na zamówienie |
| MILEX (Wrocław) | milexele.com | Cewki elektromagnesów w szerokim zakresie wykonań, także regeneracja i przewijanie |
2.2 Specyfikacja mechaniczna cewki (z karkasem)
Cewka jest nawinięta na karkasie-obręczy dwudzielnej (dwie połówki skręcane śrubami), która wciska się w nacięcie na rurze — nacięcie (szer. 10,5 mm, głęb. 1,8 mm) pełni rolę rowka ustalającego pozycję obręczy wzdłuż osi.
| Parametr mechaniczny | Wartość |
|---|---|
| Materiał karkasu | poliamid PA6 (lub PA6+GF30); dwudzielny, skręcany 4 śrubami M4 (poliamid/A2) |
| Klin ustalający karkasu | wewnętrzny pierścień o szer. 10,2 mm i wys. 1,6 mm, wchodzący w nacięcie rury |
| Średnica wewnętrzna uzwojenia | Ø122 mm |
| Średnica zewnętrzna uzwojenia | Ø180 mm |
| Szerokość uzwojenia (wzdłuż osi) | 80 mm |
| Masa miedzi jednej cewki | 6,81 kg |
| Masa miedzi — komplet 28 cewek | 191 kg |
| Wyprowadzenia | przewód silikonowy 4 mm², dł. 500 mm, końcówki oczkowe M5 |
| Zabezpieczenie uzwojenia | impregnacja lakierem elektroizolacyjnym (albo termospiekanie), owinięcie taśmą szklaną |
2.3 Specyfikacja elektryczna cewki
| Parametr elektryczny | Wartość |
|---|---|
| Drut nawojowy | Cu emaliowany Ø1,8 mm, klasa termiczna 200 °C (np. DAMID 200) |
| Liczba zwojów | 630 (42 zw./warstwę × 15 warstw) |
| Długość drutu | 299 m |
| Rezystancja (20 °C) | 2,02 Ω |
| Indukcyjność (bez biegnika) | 112 mH |
| Prąd impulsowy (sekwencja 2) | 40 A (15,7 A/mm² — dopuszczalne impulsowo) |
| Prąd trzymania (sekwencja 1) | 10 A (3,9 A/mm² — dopuszczalne ciągle) |
| Amperozwoje przy prądzie impulsowym | 25,2 kA·zw |
| Energia zmagazynowana przy 40 A | 89 J |
| Moc cieplna przy prądzie trzymania | 202 W (dopuszczalna ciągle z konwekcją naturalną) |
| Wytrzymałość izolacji | min. 2 kV DC uzwojenie–karkas |
Wartości R, L i N są wyliczone analitycznie z geometrii — po nawinięciu pierwszej cewki prototypowej zmierzyć rzeczywiste R i L i skorygować nastawy regulatora prądu. Siłę ciągu na pierścień 1 zweryfikować w FEMM 4.2.
2.4 Instrukcja montażu cewki na rurze
- Przygotowanie: sprawdzić czystość nacięcia na rurze; krawędzie nacięcia nie mogą mieć zadziorów (ryzyko przecięcia izolacji karkasu i koncentracji naprężeń).
- Rozłożenie obręczy: rozkręcić karkas na dwie połówki.
- Założenie: przyłożyć obie połówki tak, aby klin wewnętrzny trafił w nacięcie (szer. 10,5 mm); skręcić śruby na krzyż momentem max 1,5 N·m (karkas poliamidowy).
- Kontrola pozycji: obręcz nie może się przesuwać wzdłuż osi ani obracać z oporem — luz obwodowy jest dopuszczalny.
- Podłączenie: wyprowadzenia poprowadzić wzdłuż rury do listwy zaciskowej; zachować jednakową polaryzację nawinięcia wszystkich cewek (kierunek pola musi być zgodny — oznaczyć początek uzwojenia).
- Pomiar odbiorczy: zmierzyć R każdej cewki (tolerancja ±5% między cewkami) i rezystancję izolacji (min. 100 MΩ przy 500 V DC).
- Kolejność: montować od środka rury ku końcom, aby nie kumulować błędów pozycjonowania i naprężeń w karkasach.
3. Tor mocy
Płytka sterująca nie zasila cewek bezpośrednio — steruje kluczami półprzewodnikowymi. Pełny schemat ideowy: plik schemat-elektryki.svg (generowany razem z tym dokumentem, także w ZIP).
3.1 Topologia gałęzi cewki — asymetryczny półmostek
Każda cewka ma własną gałąź w topologii asymetrycznego półmostka (dokładnie tak, jak fazy w napędach silników reluktancyjnych SRM — ten silnik to w istocie liniowy SRM): dwa klucze IGBT (T_H od strony DC+, T_L od strony DC−) i dwie diody zwrotne (D_L z DC− do węzła A, D_H z węzła B do DC+). Cewka jest włączona między węzłami A i B, szeregowo z przetwornikiem prądu LEM.
Trzy stany pracy gałęzi:
| Stan | Klucze | Napięcie na cewce | Zastosowanie |
|---|---|---|---|
| Magnesowanie | T_H i T_L załączone | +540 V | narastanie prądu (di/dt ≈ 4,8 kA/s przy L = 112 mH) |
| Podtrzymanie | tylko T_L (lub tylko T_H) | ≈ 0 V | krążenie prądu przez klucz + diodę; tak realizowana jest regulacja histerezowa (PWM) |
| Wygaszanie | oba wyłączone | −540 V | prąd płynie przez D_L i D_H do banku kondensatorów — energia wraca do magistrali, cewka gaśnie najszybciej jak się da |
Uwaga fizyczna (ważna dla profilu wyrzutu): indukcyjność cewki ogranicza tempo zmian prądu do U/L ≈ 540 V / 0,112 H ≈ 4,8 A/ms. Przy krokach <1 ms na końcowych cewkach prąd nie zdąży narosnąć do pełnych 40 A — realne opcje do rozważenia na etapie strojenia: (a) końcowe cewki nawinięte grubszym drutem i mniejszą liczbą zwojów (mniejsze L, większy prąd przy tych samych amperozwojach), (b) podbicie napięcia magistrali, (c) wcześniejsze wyprzedzające magnesowanie (zapłon 2–3 cewki przed pierścieniem — tabele czasowe w firmware na to pozwalają). Do przeliczenia w FEMM + na rozruchu.
3.2 Bloki toru mocy
Aktywne wygaszanie (zwrot energii do magistrali) jest kluczowe przy przełączaniu cewek w sekwencji 2.
| Blok | Specyfikacja | Ilość |
|---|---|---|
| Zasilanie | wejście: standardowe przyłącze siłowe 3×400 V AC (CEE 32 A, 5-stykowe — zwykła "siła", żadna specjalna instalacja); wewnątrz szafy prostownik B6 wytwarza z niego wewnętrzną szynę 540 V DC — dokładnie tak, jak robi to każdy falownik; szyna DC nie wychodzi poza szafę (szczegóły: §3.5) | 1 |
| Bank kondensatorów | 4× 4700 µF / 450 V (2 gałęzie po 2 szeregowo, z rezystorami wyrównawczymi) — buforuje impulsy i odbiera energię wygaszania | 1 kpl. |
| Czoper hamujący | IGBT + rezystor hamowania 10 Ω / 2 kW; załącza się powyżej 580 V na magistrali | 1 |
| Klucze cewek | moduł półmostkowy IGBT 1200 V / 100 A (np. klasy FF100R12) na każdą cewkę | 28 |
| Drivery bramek | izolowane, dwukanałowe, z desaturacją i miękkim wyłączaniem (np. klasy 1ED332x) | 28 |
| Pomiar prądu | przetwornik LEM 100 A w każdej gałęzi + lokalny komparator progowy; wspólny sygnał FAULT (suma OR) do sterownika | 28 |
| Regulacja prądu | PWM 20 kHz z histerezowym ograniczeniem do nastawionego prądu (impulsowy 40 A / trzymania 10 A) | — |
| Zabezpieczenia | bezpieczniki topikowe szybkie (aR) w każdej gałęzi; przekaźnik bezpieczeństwa E-STOP rozłączający stycznik główny | 28 + 1 |
Orientacyjny bilans mocy: w sekwencji 1 zasilane są 2 cewki prądem trzymania (2 × 202 W ≈ 0,4 kW); w sekwencji 2 chwilowo 1–2 cewki prądem impulsowym (szczytowo ~6 kW z magistrali, czas < 2 s).
Bezpieczeństwo: E-STOP musi działać sprzętowo (przekaźnik bezpieczeństwa, np. kategorii PL d wg EN ISO 13849, rozłącza stycznik K1 po stronie AC — łatwiej przerwać 400 V AC niż 540 V DC; bank kondensatorów rozładowują rezystory rozładowcze) — niezależnie od firmware. Sygnał stanu E-STOP jest dodatkowo czytany przez sterownik, który gasi wszystkie bramki. Urządzenie rozrywkowe podlega normie EN 13814.
3.3 Lista zakupowa — proponowane gotowe elementy i płytki
Wszędzie, gdzie się dało, wskazano gotowe moduły/płytki. Typy są przykładowe z popularnych, długo produkowanych rodzin — przed zamówieniem potwierdzić dostępność i parametry u dystrybutora (TME, Farnell, Mouser, Digi-Key; większość pozycji jest z magazynów PL/EU).
| Blok | Propozycja zakupu | Ilość | Uwagi |
|---|---|---|---|
| Rozłącznik Q1 | Eaton P3-63 lub Siemens 3LD2 | 1 | rozłącznik izolacyjny 63 A z rączką na drzwi szafy |
| Bezpieczniki F1–F3 | wkładki aR 63 A 14×51 (np. ETI ZSF lub Mersen) + podstawy | 3 | ultraszybkie, ochrona półprzewodników |
| Stycznik K1 | Eaton DILM65 / Siemens 3RT2037 (AC-3 30 kW), cewka 24 V DC | 1 | sterowany z przekaźnika bezpieczeństwa |
| Prostownik B6 | moduł mostka 3-faz., np. Semikron SKD 62/16 (60 A / 1600 V) na radiatorze | 1 | gotowy moduł śrubowy |
| Bank kondensatorów | kondensatory śrubowe 4700 µF / 450 V, np. Kemet ALS8(0/1) lub EPCOS B43456 | 4 | 2 szeregowo × 2 równolegle + rezystory wyrównawcze 47 kΩ/10 W i rozładowcze |
| Czoper hamujący | gotowy moduł hamowania do falowników 400 V (np. z rodziny Eaton DX-BCU / Danfoss MCE) + rezystor Danotherm 10 Ω / 2 kW | 1 | alternatywnie własny: IGBT + komparator progu 580 V |
| Klucze cewek | moduły półmostkowe IGBT 1200 V / 100 A: Infineon FF100R12RT4 lub Semikron SKM100GB12T4 | 28 | jeden moduł = kompletna gałąź (2 klucze + 2 diody) |
| Drivery bramek | gotowe płytki 2-kanałowe izolowane na HCPL-316J / Infineon 1ED3122 (moduły ewaluacyjne lub przemysłowe "IGBT driver board"); dla FF100R12 pasują też plug-and-play Power Integrations SCALE-2 (2SP0115T2A0) | 28 | wejście logiczne 3,3–5 V wymagane (dobór pod poda Zmod A) |
| Pomiar prądu | LEM HO 100-S (montaż PCB, zasilanie 3,3/5 V) lub HAS 100-S (panelowy) | 28 | wyjście do komparatora progowego FAULT |
| Komparatory FAULT | płytka z LM339 + rezystory progowe (można zmieścić na płycie driverów lub osobna prosta PCB) | 7 układów | 4 kanały/układ; suma OR na wspólną linię FAULT |
| Przekaźnik bezpieczeństwa | PILZ PNOZ s4 (751104) lub Siemens SIRIUS 3SK1121 | 1 | dwukanałowy E-STOP, kat. PL d / SIL 2 |
| Zasilacz 24 V (obwody sterowania) | bez szyny DIN: Mean Well LRS-150-24 lub RSP-240-24 — obudowa do przykręcenia wkrętami wprost do płyty montażowej; (wariant na szynę DIN, gdyby jednak była: NDR-240-24) | 1 | zasila TYLKO obwody sterowania: czujniki, przekaźnik bezp., pulpit, stronę pierwotną driverów — nie cewki (te z magistrali 540 V) i nie Eclypse (ma własny zasilacz 12 V w komplecie) |
| Czujniki pozycji | do przeprojektowania dla rury stalowej (optyka przez ścianę odpada) | 16 | wariant stalowy wymaga oddzielnego doboru czujników i prób EMC |
| Sterownik | Digilent Eclypse Z7 (nr kat. 410-393) | 1 | Farnell / Mouser / Trenz Electronic |
| Złącza SYZYGY | Samtec seria QSE/QTE 40-pin 0,8 mm (strona wg SYZYGY Specification V1.1) | 2 | na własne pody Zmod A/B |
| Pody Zmod A/B | PCB własne — projekt w katalogu pcb/ (specyfikacja + wizualizacje + parametry zamówienia, np. propcb.pl) |
2 | jedyne płytki, których nie da się kupić gotowych |
| Pulpit obsługi | kaseta sterownicza: przycisk START (NO), grzybek E-STOP 2×NC (np. Eaton M22), przełącznik kluczykowy, lampki | 1 | elementy M22/Ø22 z katalogu |
| Szafa sterownicza + akcesoria | Rittal SE 5852.600 (1800×800×500, IP55) z cokołem, daszkiem, wentylacją, grzałką i resztą wyposażenia | 1 kpl. | pełny dobór, lista akcesoriów i rozmieszczenie: §3.6 |
Stanowisko testowe stołowe — do zmontowania i odbioru całej elektroniki bez silnika (okablowanie co-do-pinu, scenariusz odbioru i podział pracy na ekipy: testy-stolowe.md). Zamówić razem z resztą — testy można zacząć w pierwszym tygodniu:
| Element stanowiska | Propozycja zakupu | Ilość | Uwagi |
|---|---|---|---|
| Breakout SYZYGY | Opal Kelly SZG-BRK-STD (~30 USD, opalkelly.com) | 1 (+1 opcjonalnie) | wpinany w Zmod A zamiast poda; DNA fabrycznie zaprogramowane; drugi egzemplarz — opcjonalna symulacja czujników w Zmod B |
| Ring LED | moduł 32× WS2812 5050, Ø110 mm, 5 V (np. mikrobot.pl) | 1 | 28 diod = cewki, 4 = statusy; jedna linia danych — zero lutowania |
| Przewody połączeniowe | kabelki żeńskie raster 2 mm + zworki 2,54 mm + płytka stykowa | 1 kpl. | headery breakoutu mają 2 mm — zworki od Arduino nie pasują wprost |
| Drobnica | rezystor 330 Ω, kondensator 470 µF/6,3 V, dioda 1N5817 | 1 kpl. | linia danych + zasilanie ringu (obniżenie 5 V → ~4,6 V dla progu logicznego) |
| Elementy operatorskie (testowe) | przycisk NO (START), grzybek/przełącznik NC (E-STOP), przełącznik dwupozycyjny (DIAG) | 3 | na kabelkach do Pmod A; docelowy pulpit M22 — wiersz wyżej |
3.4 Okablowanie, EMC i uziemienie
- Przewody cewek: linka silikonowa 4 mm² (odporna termicznie), prowadzona parami skręconymi (tam/powrót każdej cewki razem) — minimalizuje pętlę pola i przesłuchy do czujników.
- Magistrala DC: szyny laminowane lub para grubych szyn możliwie blisko siebie; kondensatory snubberowe (0,47–1 µF/1000 V MKP) przy każdym module IGBT (przepięcia przy twardym wygaszaniu).
- Sygnały bramek: ekranowana skrętka od poda A do driverów; ekran uziemiony jednostronnie (od strony sterownika).
- Czujniki: kabel LiYCY, zasilanie 24 V z osobnej sekcji zasilacza; wejścia poda B filtrowane RC (odporność na zakłócenia impulsowe).
- Uziemienie: jeden punkt gwiazdowy PE w szafie; obudowy modułów IGBT i radiatory na PE; masa logiki (Eclypse) połączona z PE w jednym punkcie, bez pętli.
- Separacja: 540 V DC (obwody mocy) i 24 V/3,3 V (SELV) w osobnych korytkach; przepusty i odstępy izolacyjne wg EN 61800-5-1.
- Rozładowanie: rezystory rozładowcze na banku (czas rozładowania do <60 V w ~2 min); tabliczka ostrzegawcza + woltomierz szyny DC na drzwiach szafy.
3.5 Przyłącza zasilania — ile jest „wtyczek"
Żadna magistrala 540 V DC nie jest wymagana od instalacji klienta. 540 V DC to wyłącznie wewnętrzna szyna szafy sterowniczej, wytwarzana prostownikiem z normalnej sieci — identycznie jak w każdym falowniku przemysłowym. Od klienta potrzebne jest:
| # | Przyłącze / „wtyczka" | Co zasila | Wymagania |
|---|---|---|---|
| 1 | Jedyne przyłącze zewnętrzne: gniazdo siłowe CEE 32 A, 3×400 V AC + N + PE (5-stykowe) | całą szafę sterowniczą | zabezpieczenie 32 A char. C/D + RCD typ B (prostownik!); standardowe przyłącze każdego wesołego miasteczka |
| 2 | (wewnątrz szafy, z faz L1–L3 przyłącza #1) | tor mocy cewek: B6 → wewnętrzna szyna 540 V DC → 28 gałęzi IGBT | nie wychodzi poza szafę |
| 3 | (wewnątrz szafy, z L1+N przyłącza #1) | zasilacz 24 V DC (LRS-150-24): czujniki, przekaźnik bezp., pulpit, drivery | zabezpieczenie B6 w szafie |
| 4 | (wewnątrz szafy: gniazdo serwisowe 230 V z L1+N) | zasilacz 12 V / 5 A sterownika Eclypse Z7 (dołączony przez Digilent, z wtyczką sieciową) | gniazdo 230 V na płycie montażowej szafy |
Podsumowanie: fizycznie jedna wtyczka (CEE 32 A). Wewnątrz szafy działają trzy poziomy napięć: 540 V DC (wewnętrzna szyna mocy), 24 V DC (sterowanie/pole) i 12 V DC (sterownik). Stanowisko testowe stołowe (testy-stolowe.md) nie potrzebuje niczego z powyższych — wystarczy zasilacz 12 V Eclypse do zwykłego gniazdka.
Wariant awaryjny 230 V 1-faz. (gdyby w danej lokalizacji nie było siły): prostownik B2 z 230 V daje tylko ~325 V DC — tor działa, ale tempo narastania prądu w cewkach spada o ~40% (U/L), więc profil wyrzutu trzeba wydłużyć w tabelach czasowych firmware. Dopuszczalne do prób integracyjnych; niezalecane do eksploatacji — docelowo zawsze 3×400 V.
3.6 Szafa sterownicza — dobór, wyposażenie, rozmieszczenie
Dobór gabarytu (bilans miejsca)
Największy odbiorca miejsca to sekcja mocy: 28 modułów półmostkowych na radiatorze w siatce 7×4 z driverami (~700×650 mm płyty) + bank kondensatorów i czoper (~250 mm szerokości) + aparatura zasilająca u góry (~300 mm wysokości) + strefa sterowania SELV (~400 mm) + listwy i przepusty na dole (~250 mm). Wniosek: szafa stojąca 1800×800×500 mm (wys. × szer. × gł.) z pełną płytą montażową.
| Propozycja | Typ | Uwagi |
|---|---|---|
| Rittal SE 5852.600 (zalecana) | monoblok 1800×800×500, IP55, z płytą montażową | tańsza seria jednoszafowa (SE) — modułowość VX25 nie jest tu potrzebna |
| Rittal VX25 8805.000 lub ZPAS (odpowiednik PL) | modułowa 1800×800×500 / zbliżona | alternatywy przy problemach z dostępnością; ZPAS = producent krajowy, krótkie terminy |
| Wariant z zapasem | 2000×800×600 | jeśli klient planuje rozbudowę (np. drugi zestaw gałęzi) |
Akcesoria (lista zakupowa szafy)
| Akcesorium | Ilość | Po co |
|---|---|---|
| Cokół systemowy 200 mm | 1 | wprowadzenie kabli od dołu (wiązki cewek i czujników), ochrona przed wodą z podłoża |
| Daszek przeciwdeszczowy | 1 | praca na wolnym powietrzu (wesołe miasteczko); pod daszkiem montaż rezystora hamowania |
| Wentylator filtrujący ~180 m³/h + kratka wylotowa z filtrem | 1+1 | chłodzenie (praca impulsowa — straty średnie <200 W, duży zapas); wymienne maty filtracyjne |
| Termostat szafowy (NO, na wentylator) | 1 | załączanie chłodzenia od ~35 °C |
| Grzałka antykondensacyjna 100–150 W + higrostat | 1+1 | kluczowe na zewnątrz: noce/poranki = kondensacja na 540 V DC i elektronice |
| Oświetlenie LED + wyłącznik drzwiowy | 1 | serwis po zmroku |
| Zamek z wkładką patentową (klamka rozłącznika też na klucz) | 1 | wymóg: publiczność wokół atrakcji — dostęp tylko dla obsługi (EN 13814 / EN 60204-1) |
| Płyta przepustowa z dławnicami: ~14× M25 + 8× M20 + wpust na przewód CEE | 1 kpl. | M25: pary 4 mm² cewek (2 pary/dławnicę); M20: czujniki, pulpit |
| Listwy zaciskowe: ~60× 6 mm² (moc) + ~60× 2,5 mm² (sterowanie), szyna PE | 1 kpl. | 28 obwodów cewek ×2 + rezerwa; czujniki 3-przewodowe |
| Szyny TH35 + kanały grzebieniowe + przegroda blaszana | 1 kpl. | TH35 pod aparaturę modułową (RCD-B, zabezpieczenia); przegroda oddziela strefę 540 V od SELV |
| Woltomierz DC na drzwi + lampki stanu | 1 kpl. | wskazanie napięcia szyny (bezpieczeństwo serwisu) — patrz §3.4 |
Uwaga porządkowa: w nowej szafie odcinki szyny TH35 i tak się znajdą (aparatura modułowa ich wymaga) — dobór zasilacza 24 V w wersji na płytę (LRS-150-24) pozostaje aktualny, ale wariant NDR na TH35 też będzie miał gdzie mieszkać.
Rozmieszczenie (strefy, od góry)
- Drzwi: napęd drzwiowy rozłącznika Q1, woltomierz DC, lampki, zamek. 2. Góra: TH35 z aparaturą zasilającą (RCD typ B, zabezpieczenia, stycznik K1) + zasilacz 24 V. 3. Środek: sekcja mocy — radiator z 28 modułami IGBT (siatka 7×4, drivery nad modułami), obok bank kondensatorów i czoper. 4. Strefa prawa, za przegrodą (SELV): Eclypse Z7 z podami (§5 — ochrona mechaniczna), przekaźnik bezpieczeństwa, listwy sterownicze. 5. Dół: listwy mocy + przepusty przez cokół. 6. Na zewnątrz, pod daszkiem: rezystor hamowania 2 kW w osłonie perforowanej (grzeje — nie wolno go zamykać w szafie).
4. Czujniki i sygnały wejściowe
Rura stalowa nie pozwala na obserwację optyczną przez ścianę i sama jest przewodzącym ekranem pod cewkami. Dotychczasowy dobór czujników optycznych z wariantu PMMA nie obowiązuje; pozycję trzeba wykrywać rozwiązaniem dobranym po analizie EMC i próbach z docelową rurą.
| Sygnał | Wykonanie | Ilość |
|---|---|---|
| Czujniki pozycji | do doboru po próbach z rurą stalową; obecna liczba punktów pomiarowych pozostaje tylko założeniem rozmieszczenia | 14 |
| Czujniki krańcowe | do doboru w tym samym standardzie co czujniki pozycji | 2 |
| Przycisk START | przycisk operatora (NO), pulpit obsługi | 1 |
| Przycisk E-STOP | grzybkowy dwukanałowy (NC) → przekaźnik bezpieczeństwa; styk pomocniczy → sterownik | 1 |
| Przełącznik trybu DIAG | kluczykowy dwupozycyjny (NORMAL / DIAG) | 1 |
| FAULT toru mocy | suma OR komparatorów nadprądowych | 1 |
Czujniki pozycji (24 V) są konwertowane do poziomu VIO portu Zmod B (3,3 V) przez transoptory na płycie pośredniczącej. Sygnały operatorskie (START, E-STOP status, DIAG, FAULT) wchodzą na port Pmod A — piny Pmod na Eclypse Z7 są tolerancyjne na 5 V i mają wbudowaną ochronę, więc wystarczy prosty dzielnik z 24 V do 5 V.
5. Sterownik — Digilent Eclypse Z7
Zgodnie z wymogiem klienta (złącza Zmod / SYZYGY Standard) wybrano Digilent Eclypse Z7. Uwaga: Red Pitaya 125-14/125-10 nie ma złącz SYZYGY (ma złącza szpilkowe E1/E2), więc nie spełnia wymogu wprost. Pełne porównanie obu platform wraz z analizą awarii i zwarć (w tym wariant „interfejs pasywny" na Red Pitaya): platforma.md w katalogu projektu.
Dane płyty (wg Eclypse Z7 Hardware Reference Manual):
- SoC Zynq-7020 (XC7Z020-1CLG484C): 2× ARM Cortex-A9 667 MHz (PS) + FPGA (PL);
- 1 GiB DDR3L, 16 MB QSPI Flash, slot microSD (boot z karty SD / QSPI / JTAG);
- 2 porty Zmod / SYZYGY Standard — każdy 28 linii I/O (16 pojedynczych + 8 par różnicowych używalnych jako pojedyncze), napięcie VIO programowane 1,2–3,3 V (SmartVIO);
- 2 porty Pmod (razem 16 I/O), wejścia tolerancyjne na 5 V, z ochroną;
- 2 przyciski użytkownika (BTN0/BTN1) i 2 diody RGB (LD0/LD1) na płycie;
- USB-UART (FT2232) do logu diagnostycznego, Gigabit Ethernet, zasilanie 12 V / 5 A.
Ważne — SmartVIO/DNA: mikrokontroler płyty (PMCU) włącza zasilanie VIO portu Zmod dopiero po odczytaniu poprawnego rekordu SYZYGY DNA (EEPROM I²C) z podłączonego poda. Nasza płyta pośrednicząca musi zawierać EEPROM z rekordem DNA (deklarowane VIO 3,3 V, pobór < 1 A) — inaczej port pozostanie niezasilony. Podów nie wolno podłączać przy włączonym zasilaniu (brak hot-swap).
Przydział portów:
| Port | Kierunek | Sygnały |
|---|---|---|
| Zmod A (28 linii + zegar C2P) | wyjścia | 28 × bramka klucza cewki (przez płytę pośredniczącą z driverami) — linie S wykorzystane w całości; linia zegarowa C2P = ENABLE buforów poda (blokada sprzętowa wyjść) |
| Zmod B (28 linii) | wejścia | 16 × czujnik pozycji — 12 linii w zapasie |
| Pmod A (8 linii) | wejścia | START, E-STOP status, DIAG, FAULT — 4 linie w zapasie |
| Pmod B (8 linii) | wyjścia | PB0: globalny wybór nastawy prądu regulatorów (0 = trzymanie, 1 = impuls) — 7 linii w zapasie |
| LED RGB LD0/LD1 | wyjścia | sygnalizacja stanu maszyny stanów (kolory wg firmware) |
| Przyciski BTN0/BTN1 | wejścia | lokalny test/reset przy uruchamianiu (bez funkcji w pracy normalnej) |
Podział zadań w układzie Zynq:
- PL (FPGA): bloki AXI GPIO dla portów Zmod, sprzętowy watchdog gaszący wszystkie bramki przy braku odświeżenia z PS, generacja PWM 20 kHz.
- PS (ARM, bare-metal C): maszyna stanów sekwencji, obsługa czujników, trybu diagnostycznego i E-STOP, log diagnostyczny przez USB-UART.
Firmware znajduje się w katalogu firmware/ projektu (źródła C dla Vitis + plik ograniczeń XDC; opis budowania w firmware/README.md). Całą elektronikę można zmontować i odebrać bez silnika — na module testowym z ringiem LED (breakout SZG-BRK-STD, kompilacja TRYB_STOLOWY=1): patrz testy-stolowe.md w katalogu projektu.
Ochrona mechaniczna sterownika (obudowa)
Fabryczny Eclypse Z7 Enclosure Kit (digilent.com) jest skrojony pod karty pomiarowe Digilenta: panel tylny ma wycięcia dokładnie pod 4 złącza SMA dwóch Zmodów i otwory Pmod. Z naszymi podami nie zadziała wprost — każdy pod wyprowadza 2 taśmy IDC-20, które nie przejdą przez otwory SMA. Możliwości, od zalecanej:
- Zabudowa w szafie sterowniczej (zalecane, wariant docelowy): Eclypse na dystansach M3 na płycie montażowej szafy (IP54+), obok płyt pośredniczących — najkrótsze taśmy, szafa sama jest obudową; od góry lekka osłona z poliwęglanu przed narzędziami i skroplinami. Koszt ~0.
- Enclosure Kit + własny panel tylny: Digilent publikuje modele STP obudowy — panel tylny z wycięciami pod 4× IDC-20 można wyciąć we własnym zakresie (klient ma park CNC/WEDM). Sensowne tylko, gdyby sterownik miał stać poza szafą.
- Uniwersalna obudowa przemysłowa z dławnicami (np. Hammond lub skrzynka poliwęglanowa) — więcej pracy niż wariant 2, bez zalet.
Na etapie testów stołowych obudowy nie stosować — breakout z ringiem i przewodami musi być dostępny z góry.
6. Logika sekwencji (zaimplementowana w firmware)
Przebieg sekwencji jest w pełni deterministyczny: momenty zapłonu i wygaszenia każdej cewki wynikają wyłącznie z tabel czasowych wpisanych na stałe w firmware/src/config.h (jednostka: µs). Dla każdej cewki zdefiniowane są dwie wartości:
ZWLOKA_US— po jakim czasie cewka jest zapalana, licząc od zapłonu cewki poprzedniej w kolejności odpalania;SWIECENIE_US— po jakim czasie cewka jest gaszona, licząc od jej własnego zapłonu (gaszenie zawsze zanim pierścień minie oś cewki — inaczej cewka zaczęłaby hamować).
Czujniki pozycji nie sterują zapłonami — służą wyłącznie do kontroli poprawności po sekwencji i do diagnostyki. Firmware wypisuje przy starcie odcisk kontrolny (FNV-1a) tabel czasowych na UART — nadzór techniczny porównuje go z odciskiem z prób odbiorczych bez pasażerów: identyczny odcisk = identyczny przebieg zapłonów.
| Stan | Co się dzieje | Wyjście ze stanu |
|---|---|---|
| SPOCZYNEK | wszystkie cewki wyłączone; pierścienie w pozycji górnej | komenda opuszczania (START przy pierścieniu na górze) |
| SEKWENCJA 1 (opuszczanie) | tabela jednostajna: zapłon kolejnej (niższej) cewki co 400 ms, świecenie 800 ms — pierścień zawsze trzymany przez parę sąsiednich cewek prądem trzymania; łącznie ~10,8 s | koniec tabeli → najniższa cewka trzyma → OCZEKIWANIE |
| OCZEKIWANIE | najniższa cewka trzyma pierścień; czekanie na przycisk START | START → SEKWENCJA 2 |
| SEKWENCJA 2 (wyrzut) | tabela narastająca, prąd impulsowy: pierwsze 1–2 cewki powoli (250/180 ms — bez odczuwalnego szarpnięcia), potem wykładnicze skracanie odstępów do <1 ms na ostatnich cewkach (maksymalny impet); łącznie ~0,83 s. Bez hamowania na końcu — ostatnia cewka gaśnie, platforma odrywa się i leci po szynach siłą pędu | koniec tabeli + potwierdzenie czujnika górnego → SPOCZYNEK |
| STOP AWARYJNY | wszystkie bramki natychmiast wyłączone (a stycznik główny rozłączony sprzętowo przez przekaźnik bezpieczeństwa) | reset E-STOP + potwierdzenie operatora → SPOCZYNEK |
Zasady nadrzędne firmware:
- sygnały E-STOP i FAULT toru mocy są sprawdzane co ~0,1 ms (także wewnątrz kroków sekwencji) i jako jedyne wejścia mogą zmienić przebieg — przerywają go natychmiast;
- watchdog w PL gasi bramki, jeśli PS przestanie odświeżać (zawieszenie);
- w trybie DIAG tabele są zastępowane stałymi: zapłon co 1000 ms, świecenie 2000 ms (pierścień zawsze trzymany parą cewek, prąd trzymania) — dla rury stalowej nie daje obserwacji optycznej przez ścianę; stan kluczyka jest czytany raz, przy starcie sekwencji;
- po sekwencji 2 czujnik górny musi w ciągu 2 s potwierdzić dojście pierścienia → w przeciwnym razie STOP AWARYJNY (kontrola poprawności, nie wpływa na przebieg zapłonów).
7. Schemat ideowy i płytki drukowane
7.1 Schemat ideowy
Plik schemat-elektryki.svg (generowany razem z tym dokumentem, widoczny też na stronie kreatora i w ZIP) zawiera:
- tor mocy: sieć 3×400 V → Q1 → F1–F3 (aR) → K1 → prostownik B6 → magistrala 540 V DC z bankiem kondensatorów i czoperem;
- szczegół jednej gałęzi cewki (asymetryczny półmostek: T_H, T_L, D_L, D_H, LEM, driver) — gałąź powtarza się ×28;
- część sterującą: Eclypse Z7 z portami Zmod A/B i Pmod A/B, pody (PCB własne), pulpit obsługi, przekaźnik bezpieczeństwa, zasilacz 24 V;
- długie połączenia jako flagi sieci
[NAZWA]— ta sama nazwa w dwóch miejscach = to samo połączenie.
7.2 Płytki własne (pody Zmod)
Jedyne elementy, których nie da się kupić gotowych, to dwa pody SYZYGY wpinane w porty Zmod. Kompletna dokumentacja projektowa (specyfikacja, netlisty, BOM, wizualizacje layoutu SVG, parametry zamówienia) jest w katalogu pcb/ projektu:
| Płytka | Funkcja | Plik wizualizacji |
|---|---|---|
| Pod Zmod A — bramki | EEPROM DNA + bufory: 28 wyjść sterujących drivery IGBT | pcb/pod-a-layout.svg |
| Pod Zmod B — czujniki | EEPROM DNA + transoptory: 16 wejść czujników 24 V → 3,3 V | pcb/pod-b-layout.svg |
Każdy pod ma obowiązkowy EEPROM z rekordem SYZYGY DNA — to nie jest dodatek: PMCU płyty Eclypse czyta rekord po I²C i dopiero na jego podstawie ustawia i załącza napięcie VIO portu (SmartVIO); bez poprawnego DNA port zostaje niezasilony. Zawartość rekordu (zakres VIO, pobory prądu, identyfikacja) i pełne netlisty co-do-pinu obu płytek: pcb/README.md.
7.3 Zamówienie PCB (np. propcb.pl)
Parametry technologiczne obu płytek (mieszczą się w standardowej ofercie każdej polskiej płytkarni, w tym propcb.pl):
| Parametr | Wartość |
|---|---|
| Warstwy | 2 (Cu 35 µm) |
| Laminat | FR-4, 1,6 mm |
| Min. ścieżka / odstęp | 0,15 / 0,15 mm (przy złączu SYZYGY 0,8 mm) |
| Min. otwór | 0,3 mm |
| Wykończenie | ENIG (złoto chemiczne) — wymagane przez drobny raster złącza SYZYGY |
| Maska / opis | zielona / biały, obie strony |
| Format plików | Gerber RS-274X + Excellon (wiercenia) |
Status plików produkcyjnych: w
pcb/są kompletne specyfikacje (netlisty co-do-pinu, BOM, layout poglądowy SVG) — czyli pełny wsad projektowy. Finalne Gerbery należy wyeksportować z KiCada po odwzorowaniu projektu (footprint złącza SYZYGY z biblioteki Samtec); ręcznie generowane Gerbery dla rastra 0,8 mm byłyby zbyt ryzykowne bez weryfikacji DRC.