一種高壓斷路器直線電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的自抗擾控制器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種高壓斷路器直線電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的自抗擾控制器，其特征在于該控制器包括：自抗擾位置模塊、自抗擾速度模塊，所述的自抗擾位置控制模塊與自抗擾速度控制模塊串聯(lián)，自抗擾位置控制模塊的輸出作為自抗擾速度控制模塊的給定速度輸入，所述的自抗擾位置控制模塊和自抗擾速度控制模塊由跟蹤微分器、非線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測器和非線性誤差反饋控制率構(gòu)成。本發(fā)明將非線性自抗擾技術(shù)應(yīng)用于高壓斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)的控制中，提高響應(yīng)速度，減小沖擊力，延長觸頭電氣壽命；系統(tǒng)設(shè)計(jì)成三閉環(huán)系統(tǒng)，位置環(huán)和速度環(huán)采用自抗擾控制技術(shù)，可以實(shí)時(shí)抑制推力紋波擾動(dòng)、摩擦擾動(dòng)，減小端部效應(yīng)對(duì)電機(jī)出力影響，解決操動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能與超調(diào)性之間的矛盾。
【專利說明】一種高壓斷路器直線電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的自抗擾控制器

【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001] 本發(fā)明提出一種高壓斷路器直線電機(jī)的自抗擾控制器，適用于動(dòng)態(tài)性能好、可靠 性要求高的高壓斷路器操作控制，屬于高壓電器的【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】：
[0002] 中國電力科學(xué)研究院的調(diào)查研究表明，在1989-1997年間高壓斷路器發(fā)生的4632 次故障中，操動(dòng)機(jī)構(gòu)(包括機(jī)械部分和電氣控制回路）引起的故障是高壓斷路器最主要的故 障原因。其中，機(jī)械故障（39. 3%)又占主要部分。由于高壓斷路器與被保護(hù)的設(shè)備如發(fā)電 機(jī)、變壓器等相比其價(jià)格要低得多，而故障造成的損失，如引起其它電力設(shè)備損壞和電力系 統(tǒng)停電，卻比斷路器價(jià)值大得多。因此，在實(shí)際應(yīng)用中斷路器的可靠性應(yīng)當(dāng)置于首要因素予 以考慮。研制新型操動(dòng)機(jī)構(gòu)，提高可靠性的理論依據(jù)應(yīng)為簡化機(jī)械結(jié)構(gòu)，減少零部件數(shù)目， 提高其可靠性。國內(nèi)外均對(duì)高壓斷路器的操動(dòng)機(jī)構(gòu)提出改進(jìn)措施：ABB公司在2002年GIGRE 國際大電網(wǎng)會(huì)議上報(bào)告了一種旋轉(zhuǎn)電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)，在歐洲已有少量試運(yùn)行。國內(nèi)，平高電 氣與清華大學(xué)正合作研究126kV的旋轉(zhuǎn)電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)。而直線電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)在沈陽工業(yè)大 學(xué)、大連理工大學(xué)等高校有所涉及。
[0003] 永磁直線電機(jī)是永磁同步電機(jī)沿徑向剖開伸直展開成直線形式，為了提高功率密 度減少橫向端部效應(yīng)，又沿直線方向卷起制成圓筒形的直線電機(jī)。與永磁同步電機(jī)相同的 是其控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜且非線性，在運(yùn)行過程中參數(shù)會(huì)發(fā)生變化。除此以外還存在著端部效應(yīng)， 導(dǎo)致其參數(shù)變化，特別是不同位置磁鏈幅度變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過永磁同步電機(jī)。
[0004] 傳統(tǒng)PID控制方法難以克服負(fù)載擾動(dòng)和參數(shù)大范圍變化對(duì)控制系統(tǒng)帶來性能的 下降，雖然PID控制算法設(shè)計(jì)簡單、實(shí)現(xiàn)方便，但具體應(yīng)用到高壓斷路器操動(dòng)控制時(shí)很難解 決超調(diào)與高速性能之間的矛盾，這將給斷路器帶來一個(gè)非常棘手的困境：要么犧牲高速性 能，抑制超調(diào)，這樣雖然能夠延長觸頭的機(jī)械壽命，卻會(huì)延遲故障切除時(shí)間，有可能造成斷 路器后續(xù)保護(hù)設(shè)備的重大損失；或者為了追求減少關(guān)斷、開通時(shí)間，提高其響應(yīng)性能而造成 超調(diào)，這樣使得觸頭閉合和關(guān)斷仍存在較大動(dòng)能，一方面需要機(jī)械結(jié)構(gòu)上的"硬碰硬"來降 速，另一方面較大的動(dòng)能會(huì)造成接觸端口反彈，造成合閘失敗。
[0005] 專利200610096751. 3《永磁同步電機(jī)的簡化自抗擾控制器的構(gòu)造方法》針對(duì)永磁 同步電機(jī)高性能伺服系統(tǒng)應(yīng)用自抗擾控制技術(shù)，提出了一種簡化實(shí)現(xiàn)方法：1刪去了跟蹤 微分器；2利用二階線性方法實(shí)現(xiàn)擴(kuò)張狀態(tài)觀測器；3采用廣義速度誤差開發(fā)實(shí)現(xiàn)非線性狀 態(tài)誤差反饋控制。與本發(fā)明不同的是此系統(tǒng)是速度伺服系統(tǒng)，不同工作條件下給定速度不 同，其內(nèi)部控制參數(shù)都需要實(shí)時(shí)計(jì)算予以輸出，因而微處理器計(jì)算量繁重，不得不采用簡化 自抗擾方法可以提高其實(shí)時(shí)性。而本發(fā)明利用對(duì)象是高壓斷路器，每次分?jǐn)噙\(yùn)動(dòng)方式大體 確定，在控制過程中可以通過查表等技術(shù)手段大幅度減少非線性函數(shù)的計(jì)算量，提高其實(shí) 時(shí)性；并且隨著技術(shù)的進(jìn)步，以DSP為代表微處理器的計(jì)算性能也按照摩爾定律發(fā)展，這種 情況下若能采用非線性函數(shù)更能夠提高控制器性能。
[0006] 專利201010548657. 3《基于摩擦和擾動(dòng)補(bǔ)償?shù)腜MSM伺服系統(tǒng)控制方法》
[0007] 針對(duì)永磁同步電機(jī)位置伺服系統(tǒng)提出一種自抗擾控制方法。其提出先對(duì)伺服系統(tǒng) 摩擦建模，并作為系統(tǒng)的前饋補(bǔ)償量，同時(shí)使用二階自抗擾控制器的擾動(dòng)補(bǔ)償前饋控制以 及帶有跟蹤微分器的非線性反饋控制實(shí)現(xiàn)高性能伺服系統(tǒng)。在這一系統(tǒng)中，對(duì)摩擦力進(jìn)行 了兩次不同算法的預(yù)測補(bǔ)償，因而控制準(zhǔn)確精度高。但摩擦模型參數(shù)辨識(shí)中需要離線進(jìn)行， 實(shí)際斷路器在線運(yùn)行時(shí)情況與離線運(yùn)行不同，使用離線辨識(shí)參數(shù)反而會(huì)引入不準(zhǔn)確量；并 且在這一特定應(yīng)用環(huán)境下也不需要這么高的定位精度。除此以外，本發(fā)明針對(duì)對(duì)象高壓斷 路器用永磁同步直線電機(jī)，采用本控制器能夠在電機(jī)磁鏈變化、反力特性變化、動(dòng)子質(zhì)量誤 差較大的情況下保持高可靠性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 技術(shù)問題：本發(fā)明是為解決高壓斷路器直線電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的操作控制問題，而設(shè) 計(jì)的一種基于自抗擾控制方法的新型控制器。本控制器克服了高壓斷路器用直線電機(jī)的響 應(yīng)速度和超調(diào)性之間的矛盾，有效處理了斷路器最佳運(yùn)動(dòng)曲線跟蹤問題，具有響應(yīng)速度快、 可靠性高的優(yōu)勢。
[0009] 技術(shù)方案：本發(fā)明通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：一種高壓斷路器直線電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的 自抗擾控制器，其包括：自抗擾位置模塊、自抗擾速度模塊、i,電流調(diào)節(jié)器、i d電流調(diào)節(jié)器、 Park變換模塊、Parf1變換模塊、Clark變換模塊、空間矢量脈寬調(diào)制模塊，所述的自抗擾位 置控制模塊與自抗擾速度控制模塊串聯(lián)，自抗擾位置控制模塊的輸出作為自抗擾速度控制 模塊的給定速度輸入，所述的自抗擾位置控制模塊和自抗擾速度控制模塊由跟蹤微分器、 非線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測器和非線性誤差反饋控制率構(gòu)成。
[0010]自抗擾位置控制模塊采用非線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測器，其狀態(tài)模型是

【權(quán)利要求】
1. 一種高壓斷路器直線電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的自抗擾控制器，其特征在于該控制器包括：自 抗擾位置模塊、自抗擾速度模塊，所述的自抗擾位置控制模塊與自抗擾速度控制模塊串聯(lián)， 自抗擾位置控制模塊的輸出作為自抗擾速度控制模塊的給定速度輸入，所述的自抗擾位置 控制模塊和自抗擾速度控制模塊由跟蹤微分器、非線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測器和非線性誤差反饋 控制率構(gòu)成。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高壓斷路器直線電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的自抗擾控制 器，其特征在于：自抗擾位置控制模塊采用非線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測器，其狀態(tài)模型是
其中fal是非線性函數(shù)，β i、β 2是可調(diào)參數(shù)，X是光柵尺反饋的位置信號(hào)，b是控制模 塊參數(shù)，Z21是動(dòng)子位置X的跟蹤量，Z22是系統(tǒng)擾動(dòng)的跟蹤量，a i是非線性因子，δ i是濾波 因子，均屬于常數(shù)集，b=l，u=v*為自抗擾位置控制模塊的輸出速度信號(hào)，用作自抗擾速度控 制模塊的給定信號(hào)輸入，fal的表達(dá)式為
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高壓斷路器直線電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的自抗擾控制器，其特征 在于：自抗擾速度控制模塊于采用非線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測器，其狀態(tài)模型是
其中Ptl2是可調(diào)參數(shù)，V是速度信號(hào)，b是控制器參數(shù)，Z1是動(dòng)子速度V的 跟蹤量，Z2系統(tǒng)擾動(dòng)的跟蹤量，％是非線性因子，Sci是濾波因子，均屬于常數(shù)集。
τ是永磁直線電機(jī)極距，m是動(dòng)子質(zhì)量，np為極對(duì)數(shù)，W d是永磁磁鏈。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高壓斷路器直線電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的自抗擾控制器，其特征 在于：自抗擾位置控制模塊和自抗擾速度控制模塊可以集成為一個(gè)集成自抗擾控制模塊， 所述的集成自抗擾控制模塊的非線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測器模型是
其中β i、β 2、β 3是可調(diào)參數(shù)，X是光柵尺反饋的位置信號(hào)，b是控制器參數(shù)，Z1是動(dòng)子 位置X跟蹤量，Z2是Z1微分信號(hào)，Z3是對(duì)系統(tǒng)誤差的跟蹤，a i、α 2是非線性因子，δ是濾 波因子，均屬于常數(shù)集，
u = iq*為自抗擾控制模塊輸出電流信號(hào)，τ是直線 電機(jī)極距，m是動(dòng)子質(zhì)量，ηρ為極對(duì)數(shù)，Wd是永磁磁鏈。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高壓斷路器直線電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的自抗擾控制器，其特征 在于：自抗擾位置控制模塊和自抗擾速度控制模塊的擴(kuò)張狀態(tài)觀測器均采用非線性函數(shù)搭 建，擴(kuò)張狀態(tài)觀測器為開方函數(shù)^1(8) = f · signfe)或飽和函數(shù)
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高壓斷路器直線電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的自抗擾控制器，其特征 在于：還包括i,電流調(diào)節(jié)器、id電流調(diào)節(jié)器、Park變換模塊、Park 4變換模塊、Clark變換 模塊、空間矢量脈寬調(diào)制模塊，控制器采用dq解耦控制方法，采用id=0的控制技術(shù)，自抗擾 位置控制模塊、自抗擾速度控制模塊和i,電流調(diào)節(jié)器依次串接，構(gòu)成解耦控制的i,支路，i d 電流調(diào)節(jié)器單獨(dú)構(gòu)成解耦控制的id支路，將電流傳感器采樣的電流信號(hào)經(jīng)過Park變換模 塊和Clark變換模塊處理后所得的^丄信號(hào)作為反饋信號(hào)接入電流調(diào)節(jié)器中，兩個(gè)電流調(diào) 節(jié)器之后串接Parf 1變換模塊和空間矢量脈寬調(diào)制模塊，產(chǎn)生IGBT開斷信號(hào)控制逆變電路 通斷，實(shí)現(xiàn)信號(hào)到控制量的轉(zhuǎn)變。
【文檔編號(hào)】H02P21/05GK104393808SQ201410108058
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年3月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月21日
【發(fā)明者】張建忠, 汪仁杰 申請人:東南大學(xué)