專利名稱：一種高壓斷路器用的電機操動機構(gòu)數(shù)字伺服控制裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于輸變電設備技術領域，特別涉及一種高壓斷路器用的電機操動機構(gòu)數(shù)字 伺服控制裝置，適用于斷路器的智能化操作。
背景技術：
在高壓斷路器中，操動機構(gòu)占有重要地位。它不但要保證斷路器長期的動作可靠性，而 且要求滿足滅弧特性對操動機構(gòu)的要求。傳統(tǒng)的操動機構(gòu)主要是由連桿、鎖扣以及能量供應 系統(tǒng)等幾部分組成，環(huán)節(jié)多、累計運動公差大且響應緩慢、可控性差、效率低。響應時間一 般要幾十毫秒，另外這些操動機構(gòu)的動作時間分散性也比較大，對于交流控制信號甚至大于 十毫秒，即使采用直流操作，動作時間的分散性也在毫秒級。上述操動機構(gòu)只能實現(xiàn)斷路器 動作要求，不能實現(xiàn)對操動過程的調(diào)節(jié)和控制，因此在這種操動機構(gòu)中高壓斷路器的動觸頭 運動特性難以達到理想的水平。
在斷路器一方面向高電壓、大容量發(fā)展， 一方面向高可靠性發(fā)展的今天，傳統(tǒng)的斷路器 操動機構(gòu)似乎己無法滿足當今社會對高質(zhì)量產(chǎn)品的需求，因此有必要研究一種新型的具有可 靠性的控制系統(tǒng)，對于提高斷路器操動機構(gòu)智能化水平具有重要的創(chuàng)新意義。

實用新型內(nèi)容
針對現(xiàn)有高壓開關操動技術中存在的問題，本實用新型提出一種基于DSP控制、電力電 子驅(qū)動的一種高壓斷路器用的電機操動機構(gòu)數(shù)字伺服控制裝置，實現(xiàn)其動觸頭位置可控、速 度可控可調(diào)，響應速度快，合閘特性好的效果。
該裝置包括主回路，控制回路及操動機構(gòu)三個部分。主回路由三相全波整流器、充電限 流電阻、儲能濾波電容、三相逆變器構(gòu)成。它將系統(tǒng)的工作電源(直流電源或交流整流電源) 轉(zhuǎn)換為操動機構(gòu)的驅(qū)動電源?？刂苹芈酚蒁SP控制器、檢測模塊，電平轉(zhuǎn)換電路，保護電路， 通訊模塊和隔離驅(qū)動電路組成，其中電平轉(zhuǎn)換電路由兩部分組成，第一電平轉(zhuǎn)換電路將濾波 后的信號轉(zhuǎn)化為DSP控制器可接收的信號，第二電平轉(zhuǎn)換電路將DSP控制器的輸出信號轉(zhuǎn) 化為通訊模塊可接收的信號；檢測模塊由位移速度檢測模塊，溫度檢測模塊和電流檢測模塊 組成，采用高精度的傳感器，完成對高壓斷路器動觸頭的位置、速度、溫度和電流的檢測， 并反饋給DSP控制器；保護電路輸出的端口與DSP控制器輸出端口 PDPINT連接；隔離驅(qū)
動電路通過三相逆變電路與操動機構(gòu)連接，隔離驅(qū)動電路采用反相驅(qū)動芯片IR2130連接到三 相逆變電路上，通訊模塊完成DSP控制器與其上位機的通訊，通訊模塊采用RS232接口 。
高壓斷路器動觸頭的位置、速度和電流的實時信號經(jīng)檢測電路及信號轉(zhuǎn)化電路并反饋給 DSP控制器，DSP控制器通過信號采集并與理想的特性曲線進行比較，再進行運算和處理后 得到偏差作為下一步控制信號輸出給電機操動機構(gòu)，從而保持偏差盡可能小，使電機操動機 構(gòu)都能按照預定的方式進行運動。在滿足控制精度和處理器的運算速度的要求后，確定采樣 周期。從而如此反復的對電機操動機構(gòu)進行釆樣、控制，使斷路器的動觸頭的運動能夠獲得 接近理想的曲線。
本實用新型高壓斷路器操動機構(gòu)數(shù)字伺服裝置可采用傳統(tǒng)的用于過程控制的PID算法與 現(xiàn)代的智能控制理論相結(jié)合，能達到較好的控制效果，進而控制高壓斷路器動觸頭的速度和 位置，使分、合閘達到理想的曲線。
本裝置的控制方法最終由嵌入DSP控制器的程序?qū)崿F(xiàn)，由主程序和若干個子程序組成，。 該伺服控制系統(tǒng)的主程序包括以下步驟
1. 系統(tǒng)初始化；
系統(tǒng)的初始化包括對DSP控制器的寄存器，時鐘倍頻等進行設置，對分時復用的引腳進 行定義，對常量賦值，變量賦初值。
2. 系統(tǒng)自檢；
調(diào)用自檢程序進行開機自檢，若自檢未通過，則報警。
3. 等待分、合閘命令；
4. 接到分、合閘命令；
5. 調(diào)用伺服控制程序；
6. 向上位機發(fā)出分、合閘完畢信息；
7. 結(jié)束。
當DSP接到分、合閘指令后，控制器就會不斷的以中斷的形式調(diào)用伺服控制程序來調(diào)整 動觸頭的位置，該伺服控制程序包括以下步驟
1) 保存現(xiàn)場(保存當前各寄存器的值)；
2) 動觸頭速度讀??；
3) 調(diào)用速度控制程序；
4) 確定電流參考值；
5) 讀A/D轉(zhuǎn)換的電流值；
6) 調(diào)用電流控制程序；
7) 確定占空比；
8) 更新PWM寄存器；
9) 現(xiàn)場恢復；
10) 返回。
本實用新型可用于各種高壓斷路器的操動系統(tǒng)(電機機構(gòu)的控制系統(tǒng))中，克服了傳統(tǒng) 操動機構(gòu)操動過程不可控的缺點，實現(xiàn)了對高壓斷路器狀態(tài)的邏輯判斷。伺服系統(tǒng)的控制程 序能夠?qū)崿F(xiàn)分閘優(yōu)先的功能，滿足了高壓斷路器對操動機構(gòu)的自由脫扣要求；通過對斷路器 工作狀態(tài)的判斷，避免斷路器連續(xù)多次分、合短路電流，在斷路器在關合短路而又自動分閘 后，即使合閘命令尚未解除，斷路器也不會再次合閘，防止了跳躍；通過伺服控制器對斷路 器狀態(tài)的監(jiān)測，如果斷路器的狀態(tài)不滿足動作要求，則不控制電機動作。保證了斷路器對操 動機構(gòu)連鎖的要求即斷路器在合閘位置不進行合閘操作，在分閘位置不進行分閘操作。如果 儲能機構(gòu)儲能不足，則操動機構(gòu)不能進行分合閘操作。通過伺服控制使高壓斷路器動觸頭始 終都能嚴格按照理想的特性曲線運動，從而能夠補償由斷路器間的差異和斷路器系統(tǒng)內(nèi)注入 的變化(如觸頭和機構(gòu)磨損及外部環(huán)境因素)所引起的操動特性的改變。本實用新型有利 于提高斷路器關合、開斷能力，以及斷路器的機械、電氣壽命和可靠性。


圖l是本裝置結(jié)構(gòu)示意圖，
圖2是本裝置的伺服控制原理框圖，
圖3是本裝置電路圖，
圖4是伺服控制器的主程序流程圖，
圖5是圖4中分/合閘伺服控制程序流程圖，
圖6為圖5的控制方法伺服控制程序中電流調(diào)節(jié)程序流程圖，
圖7為圖5的控制方法伺服控制程序中速度調(diào)節(jié)的PI控制程序流程圖，
圖8為圖7的伺服控制程序中速度調(diào)節(jié)的神經(jīng)網(wǎng)絡PID控制結(jié)構(gòu)圖9為圖7的伺服控制程序中速度調(diào)節(jié)的神經(jīng)網(wǎng)絡PID控制程序流程圖IO是實施例中的預設速度曲線；圖ll是濾波放大電路電路圖； 圖12是電壓監(jiān)測電路電路圖13是永磁直線電機操動機構(gòu)的硬件框圖。 圖中l(wèi)-靜觸頭，2-滅弧室，3-動觸頭，4-傳動機構(gòu)，5-永磁直線電機，6-控制回路，7-霍爾 傳感器，8-光柵傳感器，9-電機操動機構(gòu)，10-主回路，11-顯示單元，12-接口單元，13-溫度 傳感器。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型進行進一步說明
如圖1所示，本實用新型的一個實例中操動機構(gòu)為永磁直線電機操動機構(gòu)，該電機為帶 位置傳感器的永磁直流直線電機。伺服控制系統(tǒng)的控制原理圖如圖2所示。
如圖3所示，該裝置的電路圖，包括主回路IO,控制回路6和控制對象電機操動機構(gòu)9。 主回路實現(xiàn)功率變換，由三相全波整流器、充電限流電阻、儲能濾波電容、三相逆變電路構(gòu) 成。它將系統(tǒng)的工作電源(直流電源或交流整流電源)轉(zhuǎn)換為機構(gòu)的驅(qū)動電源。儲能濾波電容 為3300pF/450V ，限流電阻R2、 R3是用來防止主電路上電時對電容的充電電流過大，電容 充電結(jié)束后，由繼電器將其切除。保護電路包括過壓、欠壓保護和過熱保護。過壓、欠壓保 護首先通過電壓監(jiān)測電路進行故障監(jiān)測，其輸出的端口與控制回路6的主控制芯片 TMS320LF2407輸出端口 PDPINT連接。電機操動機構(gòu)可能較長時間處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，由于摩 擦等因素，使得機構(gòu)迅速發(fā)熱，若溫度過高將直接影響電機操動機構(gòu)和控制器的正常工作， 所以用WPH3PH100TMP溫度傳感器監(jiān)測機構(gòu)溫度，經(jīng)放大濾波電路與TMS320LF2407A的 ADCIN01相連若該采樣值大于預設溫度轉(zhuǎn)換值，則停止PWM輸出?？刂苹芈凡糠钟蒚I 公司的TMS320LF2407A系列DSP作為控制芯片。電平轉(zhuǎn)換電路主要由兩個芯片組成，其中 74ALVC1642465將放大濾波后的信號轉(zhuǎn)化為DSP控制器可接收的電壓小于3.3V的信號， MAX3232用于將DSP的輸出信號轉(zhuǎn)化為通訊接口芯片可接收的5V信號。反饋量是由檢測電 路得到的,電流的檢測是通過分壓電阻R4來實現(xiàn)的，(R4電阻值一般選200Q) R4的選擇可考 慮當過流發(fā)生時能輸出最大電壓，同時也起到了電流檢測的作用。電流反饋輸出經(jīng)放大濾波 后連接到DSP控制器的ADC輸入端ADCIN00。速度反饋是通過高速(4.8m/s)，高分辨率(l pm) 的光柵傳感器輸出量再經(jīng)過計算得到的，傳感器中傳出的信號經(jīng)過放大濾波后還需經(jīng)過電平 轉(zhuǎn)換電路與DSP控制器相連。位置反饋是通過三個HK15P1霍爾位移傳感器得到的，該位置信號用于電機的換向，其輸出的三路位置信號經(jīng)放大電路放大濾波后分別接入74ALVC1642465 的輸入&、 A2、 A3端，74ALVC1642465的輸出B!、 B2、 B3端分別接于TMS320LF2407A DSP的CAP1、 CAP2、CAP3端。光柵傳感器輸出的兩路正交編碼脈沖與TMS320LF2407A的事件管理器B的QEP3 和QEP4相連。TMS320LF2407A DSP通過PWM1-PWM6引腳經(jīng)一個反相驅(qū)動芯片IR2130連接到 三相逆變電路上。三相逆變電路為六個功率MOSFET和六個續(xù)流二極管組成的H型橋式功率驅(qū) 動電路，該電路的輸出接于電機操動機構(gòu)上。檢測電路中的霍爾傳感器置于永磁無刷直流電 機的定子側(cè)。TMS320LF2407A DSP對反饋回來的信號進行采樣、運算處理。根據(jù)設定的位移 和速度曲線，采用改進PID控制算法來實現(xiàn)對高壓斷路器動觸頭閉環(huán)的伺服控制。同時DSP 控制器通過串行通信接口模塊(SCI)經(jīng)MAX3232電平轉(zhuǎn)換電路與變電站、變電所上位機的串 口連接，這樣可以通過變電站、變電所PC機上的控制界面輸出命令和參數(shù)到DSP控制器來 對直線電機操動機構(gòu)進行控制，從而實現(xiàn)對斷路器開、斷過程的控制。
本實用新型高壓斷路器操動機構(gòu)數(shù)字伺服裝置采用數(shù)字式雙閉環(huán)。首先通過位置檢測， 獲得斷路器動觸頭的位置信號，確保操動機構(gòu)中直線伺服電機能正確的換相。內(nèi)環(huán)為電流環(huán)， 它調(diào)節(jié)定子磁場的大小，定子磁場的大小正比于流過定子線圈的電流，控制定子線圈的電流 即可控制定子磁場的大小，即電流調(diào)節(jié)環(huán)；采用PID增量式控制算法其程序流程圖如圖6所 示。外環(huán)為速度環(huán)，可采用積分分離的PI控制算法，其程序流程圖如圖7所示。但為確保整 個系統(tǒng)具有良好的動、靜態(tài)特性，速度環(huán)采用神經(jīng)網(wǎng)絡PID控制算法，其神經(jīng)網(wǎng)絡PID控制 的結(jié)構(gòu)圖如圖8所示，其網(wǎng)絡為2X3X1結(jié)構(gòu)，屬多層前向傳播網(wǎng)絡形式，包括輸入層、隱 含層和輸出層。輸入層有2個神經(jīng)元，其輸入分別為控制系統(tǒng)給定值r和被控對象輸出值y。 隱含層有3個神經(jīng)元，隱含層各神經(jīng)元的輸出函數(shù)互不相同，分別對應比例(P)，積分(1)， 微分(D) 3個部分，網(wǎng)絡的輸出層完成N-PID控制規(guī)律的綜合，P， I， D系數(shù)由網(wǎng)絡的權體 現(xiàn)。網(wǎng)絡的前向計算實現(xiàn)PID參數(shù)的自適應調(diào)整。它既具有傳統(tǒng)PID控制的優(yōu)點，又具有神 經(jīng)網(wǎng)絡的并行結(jié)構(gòu)和學習記憶功能及多層網(wǎng)絡逼近任意函數(shù)的能力。由速度環(huán)的神經(jīng)網(wǎng)絡PID 運算得到新的電流參考值，經(jīng)電流限幅后送入電流環(huán)，作為電流參考值。電流參考值與電流 反饋值相比得到電流環(huán)輸入誤差e(。，該誤差信號經(jīng)過PID運算，經(jīng)限幅輸出得到新的PWM 波形，并由功率管驅(qū)動電路控制功率MOSFET晶體管的開關，進而控制高壓斷路器動觸頭的速 度和位置，使分、合閘達到理想的曲線。
本裝置的控制方法最終由嵌入DSP芯片的程序?qū)崿F(xiàn)。本裝置中伺服控制器的控制過程，
按以下步驟執(zhí)行
1. 系統(tǒng)初始化；
2. 系統(tǒng)自檢；
3. 等待上位機發(fā)出的分、合閘命令；
4. 接到分、合閘命令；
5. 調(diào)用伺服控制程序；
6. 向上位機發(fā)出分、合閘完畢信息；
7. 結(jié)束。
該伺服系統(tǒng)控制程序流程如圖4所示。
本實例中，當DSP接到分、合閘指令后，控制器就會不斷的以A/D中斷的形式調(diào)用伺服 控制程序來調(diào)整動觸頭的位置，該伺服控制程序包括以下步驟
1) 保存現(xiàn)場；
2) 動觸頭速度讀取；
3) 與理想曲線比較； 如圖IO所示。
4) 上述步驟3、 4的調(diào)用速度控制程序，確定電流參考值；
速度調(diào)節(jié)可采用傳統(tǒng)的PI控制算法，該算法原理簡單，易于實現(xiàn)。該算法程序流程圖如 圖7所示。轉(zhuǎn)速的輸出為電流的參考值，其計算公式如下
V ("=乙/ (" 1) +』,- -1)] + 式中；一速度調(diào)節(jié)輸出，作為電流調(diào)節(jié)的參考值；
第A:次速度偏差； 《w—速度比例系數(shù)； 《w—速度積分系數(shù)；
S—積分分離開關，當II <纟時，S = l; I| ^f時，S = 0;其中《為常數(shù)， 根據(jù)控制精度來確定。 ^一速度調(diào)節(jié)周期。
傳統(tǒng)的PID控制雖實現(xiàn)比較簡單，但對理想曲線的跟蹤性不太好。采用神經(jīng)網(wǎng)絡PID控 制算法，將這種智能的控制策略與傳統(tǒng)的PID相結(jié)合，實現(xiàn)了控制器的自學習和自適應，可 獲得最佳的動態(tài)效果。該算法程序流程圖如圖9所示。
5) 讀A/D轉(zhuǎn)換的電流值；
每個PWM周期對電流采樣一次。在PWM周期的"關"期間，電流經(jīng)過同一個橋臂的另外 兩個MOSFET的續(xù)流二極管到電源形成續(xù)流回路，在R上產(chǎn)生負壓降。所以在此期間不能進 行電流采樣。在PWM周期的"開"的瞬間電流上升并不穩(wěn)定，也不宜采樣。所以電流的采樣 時刻應該是在PWM周期的"開"的中部。所以它可以通過DSP定時器采用連續(xù)增減計數(shù)方式 時周期匹配事件啟動ADC轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)。
6) 調(diào)用電流控制程序，確定電流調(diào)節(jié)值； 電流的調(diào)節(jié)過程是新的PWM產(chǎn)生的過程。
7) 確定占空比；
通過調(diào)整PWM波形的寬度可以調(diào)整電流的平均值，而PWM波形的寬度則是通過調(diào)整 DSP事件管理器比較寄存器的比較值COMP實現(xiàn)的。其PID增量控制算法程序流程圖如圖9 所示。其算法公式如下
COMP(" = COM単-1) + (Kw + + / r, - (Kw + 2KD, / 71,) * e(A: -1) +《D,(/t - 2) / 式中COMP(A)—電流的輸出值； 電流的比例系數(shù)； 電流的積分系數(shù)； 《^一電流的微分系數(shù)； r,一電流的采樣周期； 第A:次電流偏差；
8) 更新PWM寄存器；
9) 現(xiàn)場恢復；
10) 返回。 控制流程圖如圖5所示。
權利要求1、一種高壓斷路器用的電機操動機構(gòu)數(shù)字伺服控制裝置，其特征在于包括主回路、控制回路及操動機構(gòu)，其中主回路包括三相全波整流器、充電限流電阻、儲能濾波電容和三相逆變電路，將工作電源轉(zhuǎn)換以后為操動機構(gòu)供電；控制回路由DSP控制器、檢測模塊，電平轉(zhuǎn)換電路，保護電路，通訊模塊和隔離驅(qū)動電路組成，其中電平轉(zhuǎn)換電路由兩部分組成，第一電平轉(zhuǎn)換電路將濾波后的信號轉(zhuǎn)化為DSP控制器可接收的信號，第二電平轉(zhuǎn)換電路將DSP控制器的輸出信號轉(zhuǎn)化為通訊模塊可接收的信號；檢測模塊由位移速度檢測模塊，溫度檢測模塊和電流檢測模塊組成，采用高精度的傳感器，完成對高壓斷路器動觸頭的位置、速度、溫度和電流的檢測，并反饋給DSP控制器；保護電路與DSP控制器連接；隔離驅(qū)動電路通過三相逆變電路與操動機構(gòu)連接，通訊模塊完成DSP控制器與其上位機的通訊；
2、 根據(jù)權利要求l所述的一種高壓斷路器用的電機操動機構(gòu)數(shù)字伺服控制裝置，其特征 在于所述的上位機是膝上電腦或者臺式機。
3、 根據(jù)權利要求l所述的一種高壓斷路器用的電機操動機構(gòu)數(shù)字伺服控制裝置，其特征 在于所述的檢測模塊采用的傳感器包括霍爾傳感器、光柵傳感器和溫度傳感器。
4、 根據(jù)權利要求l所述的一種高壓斷路器用的電機操動機構(gòu)數(shù)字伺服控制裝置，其特征 在于所述的三相逆變電路為六個功率MOSFET和六個續(xù)流二極管組成的H型橋式功率隔離驅(qū)動電路，該電路的輸出接于電機操動機構(gòu)上。
5、 根據(jù)權利要求l所述的一種高壓斷路器用的電機操動機構(gòu)數(shù)字伺服控制裝置，其特征 在于所述的通訊模塊，控制器通過RS232接口與上位機的串口連接。
6、 根據(jù)權利要求l所述的一種高壓斷路器用的電機操動機構(gòu)數(shù)字伺服控制裝置，其特征 在于所述的隔離驅(qū)動電路采用反相驅(qū)動芯片IR2130連接到三相逆變電路上。
專利摘要一種高壓斷路器用的電機操動機構(gòu)數(shù)字伺服控制裝置，屬于輸變電設備技術領域，包括主回路、控制回路及操動機構(gòu)，控制回路由DSP控制器、檢測模塊，電平轉(zhuǎn)換電路，保護電路，通訊模塊和隔離驅(qū)動電路組成，檢測模塊由位移速度檢測模塊，溫度檢測模塊和電流檢測模塊組成，采用高精度的傳感器；保護電路與DSP控制器連接；隔離驅(qū)動電路通過三相逆變電路與操動機構(gòu)連接，通訊模塊完成DSP控制器與其上位機的通訊；本實用新型能夠?qū)崿F(xiàn)分閘優(yōu)先的功能，滿足了高壓斷路器對操動機構(gòu)的自由脫扣要求；通過伺服控制使高壓斷路器動觸頭始終都能嚴格按照理想的特性曲線運動，補償由斷路器間的差異和斷路器系統(tǒng)內(nèi)的變化所引起的操動特性的改變。
文檔編號H01H71/42GK201185405SQ200820012160
公開日2009年1月21日 申請日期2008年4月17日 優(yōu)先權日2008年4月17日
發(fā)明者徐建源, 李永祥, 莘 林, 王曉宇 申請人:沈陽工業(yè)大學