CN101515781A - 高压开关设备电机操动机构通用伺服控制平台装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高压开关设备电机操动机构通用伺服控制平台装置及控制方法，包括操动机构、主回路和控制回路，其中在控制回路中信号预处理电路输入端连接电压互感器和电流互感器，用于测量电网电压和电网电流。该装置的控制方法为通过电网采集的电压和电流值，计算最优触头速度，控制触头动作。本发明的优点运用电网电压和电流值在DSP芯片中计算出最优速度曲线，在调控开关分合闸速度时与最优速度曲线进行比较，调整分合闸速度，使开关的冲击力小、速度最优、减少电弧产生、机械磨损小，开关效果好，并且节省电能。同时在本发明的操动平台上可以多种操动机构想和替换，节约制作成本，操作简单，节省人力和物力。

Description

高压开关设备电机操动机构通用伺服控制平台装置及方法

技术领域

本发明属于输变电设备技术领域，特别涉及一种高压开关设备电机操动机构通用伺服控制平台装置及方法。

背景技术

目前的高压开关设备电机操动机构伺服控制装置没有设置电压互感器和电流互感器，不能实时测量电网电压和电流值，没有根据电网的实时状态进行操动，调控开关开合闸时是按照拟定的最大电流进行，使开关的冲击力大、触头多次反弹、机械磨损大、产生截流和较大的过电压，开关效果不好，并且浪费电能。同时传统高压开关设备电机操动机构伺服控制装置只能适配一种电机操动机构，不能替换，操作复杂，制作成本高，浪费人力和物力。

发明内容

针对现有高压开关操动技术中存在的问题，本发明提出一种基于微计算机控制、电力电子驱动的高压断路器动触头伺服控制装置及方法，实现其动触头运动位置、速度可控可调，响应速度快，合闸特性好的效果。

包括操动机构、主回路和控制回路，操动机构包括电机、连杆、高压断路器、温度传感器、电压传感器和光栅传感器，电机通过连杆连接高压断路器，主回路包括三相全波整流器、充电限流电阻、储能滤波电容、功率驱动电路和分压电阻；控制回路包括DSP芯片、检测模块、信号预处理电路、电压监测电路、通讯模块、隔离驱动电路、电压互感器和电流互感器，检测模块包括速度检测电路、电流检测电路和温度检测电路，通讯模块包括电平转换芯片、转接桥设备和上位机；位于操动机构中电机上的温度传感器和电压传感器通过控制回路检测模块中的电流检测电路和温度检测电路连接信号预处理电路，信号预处理电路连接DSP芯片，位于操动机构中电机上的光栅传感器通过控制回路中的速度检测电路连接DSP芯片，控制回路中的DSP芯片连接隔离驱动电路和电压监测电路，隔离驱动电路连接主回路中的功率驱动电路，功率驱动电路连接操动机构中电机的主轴上，电压监测电路连接主回路的充电限流电阻，信号预处理电路输入端连接电压互感器和电流互感器，用于测量电网电压和电网电流。

主回路实现功率变换，将系统的工作电源(直流电源或交流整流电源)转换为机构的驱动电源，包括三相全波整流器、充电限流电阻、储能滤波电容、功率驱动电路和分压电阻，其中三相全波整流器的两极分别连接储能滤波电容、充电限流电阻和功率驱动电路，分压电阻一端连接功率驱动电路，另一端接地。限流电阻是用来防止主电路上电时对电容的充电电流过大，电容充电结束后，由继电器将其切除。

控制回路包括DSP芯片、检测模块，信号预处理电路，电压监测电路，通讯模块和隔离驱动电路，检测模块包括速度检测电路，电流检测电路和温度检测电路，通讯模块包括电平转换芯片、转接桥设备和上位机，其中DSP芯片分别连接速度检测电路、信号预处理电路、隔离驱动电路、电压监测电路和电平转换芯片，电平转换芯片连接转接桥设备，转接桥设备连接上位机，电平转换芯片用于将DSP芯片的输出信号转化为通讯接口芯片可接收的5V信号。位于操动机构中电机上的温度传感器和电压传感器通过控制回路检测模块中的电流检测电路和温度检测电路连接信号预处理电路。电压监测电路包括过压、欠压保护和过热保护。过压、欠压保护首先通过电压监测电路进行故障监测。

本发明中，高压断路器动触头的位置、速度和电流的实时信号经检测电路及信号转化电路并反馈给DSP控制器，DSP控制器通过信号采集并与理想的特性曲线进行比较，再进行运算和处理后得到偏差作为下一步控制信号输出给电机操动机构，从而保持偏差尽可能小，使电机操动机构都能按照预定的方式进行运动。在满足控制精度和处理器的运算速度的要求后，确定采样周期。从而如此反复的对电机操动机构进行采样、控制，使断路器的动触头的运动能够获得接近理想的曲线。本发明的伺服控制方法可采用传统的用于过程控制的PID算法与现代的智能控制理论相结合，能达到较好的控制效果。对于交流电机，针对高压开关操动机构这一特殊场合，引入直接推力控制方法，其也可嵌入先进的控制算法，进而控制高压断路器动触头的速度和位置，使分、合闸达到理想的曲线。

该装置的控制方法是在DSP芯片中按如下方法进行：

当DSP未接到分、合闸指令时，对电网的电压，电流等参数进行采样并显示，计算最优速度曲线，当DSP接到分、合闸指令时，调用最优触头速度子程序，确定与当前电网状态相匹配的最优速度曲线，然后调用伺服控制子程序来调整动触头的位置，

步骤一、系统初始化，进行系统自检；

步骤二、采集电网的数据、显示在上位机上；

步骤三、断路器接到分、合闸命令；

步骤四、开始调用伺服控制子程序；

步骤五、中断入口；

步骤六、现场保存；

步骤七、调用不同状态下最优触头速度子程序；

步骤八、调用电机伺服控制程序；

步骤九、判断断路器是否拒分，如果是，则记录故障状态，如果否，则执行步骤十；

步骤十、存储正常开关记录；

步骤十一、现场恢复；

步骤十二、调用伺服控制子程序结束；

步骤十三、向上位机发出分、合闸完毕信息；

步骤十四、返回。

控制器开机时在加载应用程序之前首先载入加电自检程序，这样系统每次开机就首先执行自检程序，这段程序对仪器自身进行硬件扫描，即针对每一个分系统发送特定的测试信号，看看能否接收无故障时的所期望的信号，以此判定各个分系统是否正常。步骤七中最优触头速度子程序按如下步骤进行：

步骤一、开始；

步骤二、电流、电压数据采样；

对电流互感器和电压互感器输出的电流、电压信号进行滤波和采样处理，由DSP的模数转换器转化为数字信号。

步骤三、计算有效值；

与电流瞬时值相比，电流有效值更能够反映负载电流的真实情况。大部分电网参数如电压、电流等的有效值可以通过简单的算法计算出来，但在很大范围内不能保证精度，这对于高精度的测量和保护是不够的，而且存在谐波测量等复杂的问题，因此通过快速傅里叶变换算法作为采样计算算法。应用傅立叶公式计算有效值按如下方法：

$a_1=\frac{1}{N}\left[2\underset{k=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_k\sin \left(k\frac{2\mathrm{\π}}{N}\right)\right]$ $b_1=\frac{1}{N}[x_0+2\underset{k=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_k\cos \left(k\frac{2\mathrm{\π}}{N}\right)+x_N]$

有效值： $X=\frac{\sqrt{a_1^2+b_1^2}}{\sqrt{2}}$ 相角： $\mathrm{\α}=\mathrm{arctg}\frac{b_1}{a_1}$

其中：N：基波信号1周期采样点数；

x_k：第k次采样值；

x₀：k＝0时的采样值；

x_N：k＝N时的采样值。

步骤四、识别断路器的工作状态；

由于电力系统的复杂性和故障的多样性，使得系统状态与系统各参数之间的关系很难用严格的逻辑和数学方法来描述，因此，采用精确的数学模型控制是非常困难的。

步骤五、确定断路器分合闸触头最优速度曲线；

因此根据反映当时系统状态的电流、电压、功率因数等参数的数值及各参数之间的关系来确定所需分合闸速度的大小.在此建立以电流，相位为输入，速度为输出的模糊控制系统，通过参数模糊化，模糊推理和去模糊化处理来识别当时的断路器工作状态并确定断路器分合闸速度特性曲线。

步骤六、返回。

步骤八中电机伺服控制程序按如下步骤进行：

步骤一、保存当前各寄存器的值；

步骤二、读取动触头速度曲线，与最优速度曲线比较；

步骤三、调用速度控制程序；

步骤四、确定电流参考值；

步骤五、读A/D转换的电流值；

步骤六、调用电流控制程序；

步骤七、调整PWM波形的宽度，确定占空比；

步骤八、更新PWM寄存器；

步骤九、现场恢复；

步骤十、返回。

步骤三速度控制程序按如下步骤进行：

步骤一、开始；

步骤二、读速度给定值；

步骤三、计算测量值与速度给定值的偏差；

步骤四、判断第k次速度偏差e(k)是否大于ξ，其中ξ为常数，根据控制精度来确定，

如果是则积分分离开关S＝0，如果否则积分分离开关S＝1；

步骤五、应用如下公式计算电流参考值，

I_ref(k)＝I_ref(k-1)+K_PV[e(k)-e(k-1)]+SK_IVTe(k)

式中I_ref—速度调节输出，作为电流调节的参考值；

e(k)—第k次速度偏差；

K_PV—速度比例系数；

K_IV—速度积分系数；

S—积分分离开关；

T—速度调节周期

步骤五电流控制程序按如下步骤进行：

步骤一、开始；

步骤二、读电流给定值；

步骤三、计算测量值与电流给定值的偏差；

步骤四、应用如下公式计算电流输出值，

COMP(k)＝COMP(k-1)+(K_PI+K_IIT_I+K_DI/T_I)e(k)-(K_PI+2K_DI/T_I)*e(k-1)+K_DIe(k-2)/T_I

式中COMP(k)—电流的输出值；

K_PI—电流的比例系数；

K_II—电流的积分系数；

K_DI—电流的微分系数；

T_I—电流的采样周期；

e(k)—第k次电流偏差。

本发明的优点为通过信号预处理电路将电压互感器和电流互感器连接到DSP芯片，实时测量电网电压和电流值，运用电网电压和电流值在DSP芯片中计算出最优速度曲线，在调控开关分合闸速度时与最优速度曲线进行比较，调整分合闸速度，使开关的冲击力小、速度最优、减少电弧产生、机械磨损小，开关效果好，并且节省电能。同时在本发明的操动平台上可以多种操动机构想和替换，节约制作成本，操作简单，节省人力和物力。

附图说明

图1是实施例1配高压断路器永磁直线旋转电机操动机构结构示意图；

图2是实施例1操动机构是永磁直流旋转电机的电路原理图；

图3是电机功率驱动电路电路图；

图4是速度检测电路电路图；

图5是信号预处理电路电路图；

图6是电压监测电路电路图；

图7是伺服控制器的主程序流程图

图8是系统自检程序流程图；

图9是最优触头速度子程序流程图；

图10是电机伺服控制程序流程图；

图11是实施例1操动机构是永磁直流旋转电机时速度控制子程序流程图；

图12是实施例1操动机构是永磁直流旋转电机时电流控制子程序流程图；

图13是实施例2配高压断路器永磁直流直线电机结构示意图；

图14是实施例2操动机构是永磁直流直线电机的电路原理图；

图15是实施例2操动机构是永磁直流直线电机时速度控制子程序流程图；

图16是实施例3操动机构是圆筒形直线感应电机的电路原理图；

图17是实施例3操动机构是圆筒形直线感应电机时电机伺服控制子程序流程图；

图18是最优速度曲线图。

图中：1-静触头，2-灭弧室，3-动触头，4-连杆，5-永磁直流旋转电机，6-控制回路，7-光电编码器，8-光栅传感器，9-控制对象，10-主回路，11-上位机，12-转接桥设备，13-温度传感器，14-永磁直流直线电机，15-圆筒形直线感应电机，16-霍尔电流传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明：

实施例1：其中操动机构为永磁直流旋转电机，DSP芯片选取的型号为TMS320LF2407A，储能滤波电容选取的型号为3300μF/450V，隔离驱动电路选取的型号为IR2130，电平转换芯片选取的型号为MAX3232，转接桥设备12的型号为RS232，分压电阻选取200Ω，光栅传感器8选择速度为4.8m/s，分辨率为1μm。

该装置如图1所示，包括操动机构、主回路10和控制回路6，操动机构包括永磁直流旋转电机5、连杆4、高压断路器、温度传感器13、电压传感器和光栅传感器8，永磁直流旋转电机5通过连杆4连接高压断路器，主回路10如图2所示包括三相全波整流器、充电限流电阻R₂和R₃、储能滤波电容C、分压电阻R₄、四个IGBT(V₁-V₄)和四个续流二极管组成的H型桥式功率驱动电路，可实现过流和欠压保护；控制回路6如图2所示包括DSP芯片、检测模块，信号预处理电路、电压监测电路、通讯模块、隔离驱动电路、电压互感器和电流互感器，检测模块包括速度检测电路、电流检测电路和温度检测电路，通讯模块包括电平转换芯片、转接桥设备12和上位机11；电机操动机构可能较长时间处于堵转状态，由于摩擦等因素，使得机构迅速发热，若温度过高将直接影响电机操动机构和控制器的正常工作，位于操动机构中电机上的温度传感器13和电压传感器通过控制回路6检测模块中的电流检测电路和温度检测电路连接信号预处理电路，信号预处理电路连接DSP芯片，将结果反馈给DSP芯片，若该采样值大于预设温度转换值，则停止PWM输出。位于操动机构中永磁直流旋转电机5上的光栅传感器8通过控制回路6中的速度检测电路连接DSP芯片TMS320LF2407A的CAP1、CAP2、CAP3端口，控制回路6中的DSP芯片TMS320LF2407A的PWM1-PWM4端口连接隔离驱动电路IR2130的HIN1、LIN1、LIN2、HIN2，隔离驱动电路的HO1、LO1、HO2、LO2连接主回路10中的功率驱动电路V₁-V₄的基极，功率驱动电路连接操动机构中电机的主轴上，DSP芯片的PDPIN端口连接电压监测电路的输入端，电压监测电路输出端连接主回路10的充电限流电阻。信号预处理电路反馈信号输入端连接电压互感器和电流互感器，用于测量电网电压和电网电流。

主回路10实现功率变换，将系统的工作电源(直流电源或交流整流电源)转换为机构的驱动电源，包括三相全波整流器、充电限流电阻R₂和R₃、储能滤波电容C、分压电阻R₄和四个IGBT(V₁-V₄)和四个续流二极管组成的H型桥式功率驱动电路如图3所示，其中三相全波整流器的两极分别连接储能滤波电容C、充电限流电阻R₂和R₃和功率驱动电路，分压电阻R₄一端连接功率驱动电路，另一端接地。限流电阻是用来防止主电路上电时对电容的充电电流过大，电容充电结束后，由继电器将其切除。

控制回路6包括DSP芯片TMS320LF2407A、检测模块，信号预处理电路如图5所示，电压监测电路如图6所示，通讯模块和隔离驱动电路IR2130，检测模块包括速度检测电路如图4所示，电流检测电路和温度检测电路，通讯模块包括电平转换芯片MAX3232、转接桥设备12RS232和上位机11，其中DSP芯片TMS320LF2407A的CAP1、CAP2、CAP3端口连接速度检测电路的输入端，DSP芯片TMS320LF2407A的ADCIN00-ADCIN03连接信号预处理电路输入端，DSP芯片TMS320LF2407A的PWM1-PWM6端口连接隔离驱动电路IR2130的HIN1、LIN1、LIN2、HIN2隔离驱动电路，DSP芯片TMS320LF2407A的PDPIN端口连接电压监测电路的输入端，DSP芯片TMS320LF2407A的SCIRXD和SCITXD端口连接电平转换芯片MAX3232的RIOUT和TIIN端口，电平转换芯片MAX3232的RIIN和TIOUT端口连接转接桥设备12RS232的输入端，转接桥设备12输出端连接上位机11，电平转换芯片用于将DSP芯片的输出信号转化为通讯接口芯片可接收的5V信号。

TMS320LF2407A DSP对反馈回来的信号进行采样、运算处理。根据设定的位移和速度曲线，采用先进的控制算法来实现对高压断路器动触头闭环的伺服控制。同时DSP控制器通过串行通信接口模块(SCI)经MAX3232电平转换电路与变电站、变电所上位机11的串口连接，这样可以通过变电站、变电所PC机上的控制界面输出命令和参数到DSP控制器来对永磁直流电机操动机构进行控制，从而实现对断路器开、断过程的控制。

本发明中，高压断路器动触头的位置、速度和电流的实时信号经检测电路及信号转化电路并反馈给DSP控制器，DSP控制器通过信号采集并与理想的特性曲线进行比较，再进行运算和处理后得到偏差作为下一步控制信号输出给电机操动机构，从而保持偏差尽可能小，使电机操动机构都能按照预定的方式进行运动。在满足控制精度和处理器的运算速度的要求后，确定采样周期。从而如此反复的对电机操动机构进行采样、控制，使断路器的动触头的运动能够获得接近理想的曲线。本发明的伺服控制方法可采用传统的用于过程控制的PID算法与现代的智能控制理论相结合，能达到较好的控制效果。对于交流电机，针对高压开关操动机构这一特殊场合，引入直接推力控制方法，其也可嵌入先进的控制算法，进而控制高压断路器动触头的速度和位置，使分、合闸达到理想的曲线。

该装置的控制方法是在DSP芯片中按如下方法进行，如图7所示：

本实例中，当DSP未接到分、合闸指令时，对电网的电压，电流等参数进行采样并显示，计算最优速度曲线，当DSP接到分、合闸指令时，调用最优触头速度子程序，确定与当前电网状态相匹配的最优速度曲线，然后调用伺服控制子程序来调整动触头的位置，

步骤一、系统初始化，进行系统自检；

步骤二、采集电网的数据、显示在上位机11上；

步骤三、断路器接到分、合闸命令；

步骤四、开始调用伺服控制子程序；

步骤五、中断入口；

步骤六、现场保存；

步骤七、调用不同状态下最优触头速度子程序；

步骤八、调用电机伺服控制程序；

步骤九、判断断路器是否拒分，如果是，则记录故障状态，如果否，则执行步骤十；

步骤十、存储正常开关记录；

步骤十一、现场恢复；

步骤十二、调用伺服控制子程序结束；

步骤十三、向上位机11发出分、合闸完毕信息；

步骤十四、返回。

控制器开机时在加载应用程序之前首先载入加电自检程序，如图8所示，这样系统每次开机就首先执行自检程序，这段程序对仪器自身进行硬件扫描，即针对每一个分系统发送特定的测试信号，看看能否接收无故障时的所期望的信号，以此判定各个分系统是否正常。步骤七中最优触头速度子程序按如下步骤进行：如图9所示，

步骤一、开始；

步骤二、电流、电压数据采样；

对电流互感器和电压互感器输出的电流、电压信号进行滤波和采样处理，由DSP的模数转换器转化为数字信号。

步骤三、计算有效值；

与电流瞬时值相比，电流有效值更能够反映负载电流的真实情况。大部分电网参数如电压、电流等的有效值可以通过简单的算法计算出来，但在很大范围内不能保证精度，这对于高精度的测量和保护是不够的，而且存在谐波测量等复杂的问题，因此通过快速傅里叶变换算法作为采样计算算法。应用傅立叶公式计算有效值按如下方法：

$a_1=\frac{1}{N}\left[2\underset{k=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_k\sin \left(k\frac{2\mathrm{\π}}{N}\right)\right]$ $b_1=\frac{1}{N}[x_0+2\underset{k=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_k\cos \left(k\frac{2\mathrm{\π}}{N}\right)+x_N]$

有效值： $X=\frac{\sqrt{a_1^2+b_1^2}}{\sqrt{2}}$ 相角： $\mathrm{\α}=\mathrm{arctg}\frac{b_1}{a_1}$

其中：N：基波信号1周期采样点数；

x_k：第k次采样值；

x₀：k＝0时的采样值；

x_N：k＝N时的采样值。

步骤四、识别断路器的工作状态；

由于电力系统的复杂性和故障的多样性，使得系统状态与系统各参数之间的关系很难用严格的逻辑和数学方法来描述，因此，采用精确的数学模型控制是非常困难的。

步骤五、确定断路器分合闸触头最优速度曲线；

因此根据反映当时系统状态的电流、电压、功率因数等参数的数值及各参数之间的关系来确定所需分合闸速度的大小.在此建立以电流，相位为输入，速度为输出的模糊控制系统，通过参数模糊化，模糊推理和去模糊化处理来识别当时的断路器工作状态并确定断路器分合闸速度特性曲线。

步骤六、返回。

步骤八中电机伺服控制子程序按如下步骤进行：如图10所示，

当DSP接到分、合闸指令并确定了该电网状态下的最优速度曲线后，控制器就会不断的以A/D中断的形式调用电机伺服控制子程序来调整动触头的速度，

步骤一、保存当前各寄存器的值；

步骤二、读取动触头速度曲线，与最优速度曲线比较；

步骤三、调用速度控制程序；

步骤四、确定电流参考值；

步骤五、读A/D转换的电流值；

每个PWM周期对电流采样一次。在PWM周期的“关”期间，电流经过同一个桥臂的另外两个IGBT的续流二极管到电源形成续流回路，在R上产生负压降。所以在此期间不能进行电流采样。在PWM周期的“开”的瞬间电流上升并不稳定，也不宜采样。所以电流的采样时刻应该是在PWM周期的“开”的中部。所以它可以通过DSP定时器采用连续增减计数方式时周期匹配事件启动ADC转换来实现；

步骤六、调用电流控制程序；

步骤七、调整PWM波形的宽度，确定占空比；

通过调整PWM波形的宽度可以调整电流的平均值，而PWM波形的宽度则是通过调整DSP事件管理器比较寄存器的比较值COMP实现的；

步骤八、更新PWM寄存器；

步骤九、现场恢复；

步骤十、返回。

步骤三速度控制子程序按如下步骤进行：

速度调节可采用传统的PI控制算法，该算法原理简单，易于实现。该算法程序流程图如图11所示。转速的输出为电流的参考值，其计算公式如下：

步骤一、开始；

步骤二、读速度给定值；

步骤三、计算测量值与速度给定值的偏差；

步骤四、判断第k次速度偏差e(k)是否大于ξ，其中ξ为常数，根据控制精度来确定，如果是则积分分离开关S＝0，如果否则积分分离开关S＝1；

步骤五、应用如下公式计算电流参考值，

I_ref(k)＝I_ref(k-1)+K_PV[e(k)-e(k-1)]+SK_IVTe(k)

式中I_ref—速度调节输出，作为电流调节的参考值；

e(k)—第k次速度偏差；

K_PV—速度比例系数；

K_IV—速度积分系数；

S—积分分离开关；

T—速度调节周期

步骤五电流控制子程序按如下步骤进行：

PID增量控制算法程序流程图如图12所示，其算法公式如下：

步骤一、开始；

步骤二、读电流给定值；

步骤三、计算测量值与电流给定值的偏差；

步骤四、应用如下公式计算电流输出值，

COMP(k)＝COMP(k-1)+(K_PI+K_IIT_I+K_DI/T_I)e(k)-(K_PI+2K_DI/T_I)*e(k-1)+K_DIe(k-2)/T_I

式中COMP(k)—电流的输出值；

K_PI—电流的比例系数；

K_II—电流的积分系数；

K_DI—电流的微分系数；

T_I—电流的采样周期；

e(k)—第k次电流偏差。

在电力系统中，断路器可关合正常负荷，短路，断线以及空载线路等状态。对于不同的工作状态，其开断要求也是不同的，所以需调用不同的分合闸速度曲线，以达到不同条件下的最优分断，最大程度的减小机构冲击，提高断路器寿命，限制截流和过电压。对于理想合闸速度特性，真空断路器的合闸过程可分为两个重要阶段：刚合前、刚合后。刚合前3ms阶段指从分闸位置到刚合位置，这要求较高的刚合速度，减少预击穿电弧对灭弧室触头的烧损。刚合后阶段指触头闭合到其完全停止运动为止，要求刚合后速度快速降低直至停止。合闸阶段的速度变化过程应为“零—高速—低速—零”，速度曲线应平滑，不出现拐点。刚合后，要求机构提供的能量迅速减少，防止合闸弹跳和整机冲击过大；对于理想合闸速度特性，分闸过程可分为4个阶段：刚分点前(灭弧室触头在合闸位置)；刚分点、刚分后3ms，刚分后3ms—刚分后6ms；刚分后6ms—分闸结束位置。这4个阶段对分闸速度的要求分别是：快—更快—慢—停止，尤其要求很高的刚分速度。如图18所示为理想合闸曲线。

实施例2：其中操动机构为永磁直流直线电机，该电机为带位置传感器的永磁直流直线电机，DSP芯片选取的型号为TMS320LF2407A，储能滤波电容选取的型号为3300μF/450V，隔离驱动电路选取的型号为IR2130，电平转换芯片选取的型号为MAX3232，转接桥设备12的型号为RS232，分压电阻选取200Ω，光栅传感器8选择速度为4.8m/s，分辨率为1μm。

该装置如图13所示，包括操动机构、主回路10和控制回路6，操动机构包括永磁直流直线电机14、连杆4和高压断路器、温度传感器13、电压传感器和光栅传感器8，电机通过连杆4连接高压断路器，主回路10如图15所示包括三相全波整流器、充电限流电阻R₂和R₃、储能滤波电容C、分压电阻R₄、四个IGBT(V₁-V₄)和四个续流二极管组成的H型桥式功率驱动电路，可实现过流和欠压保护；控制回路6如图15所示包括DSP芯片、检测模块，信号预处理电路、电压监测电路、通讯模块、隔离驱动电路、电压互感器和电流互感器，检测模块包括速度检测电路、电流检测电路和温度检测电路，通讯模块包括电平转换芯片、转接桥设备12和上位机11；电机操动机构可能较长时间处于堵转状态，由于摩擦等因素，使得机构迅速发热，若温度过高将直接影响电机操动机构和控制器的正常工作，位于操动机构中电机上的温度传感器13和电压传感器通过控制回路6检测模块中的电流检测电路和温度检测电路连接信号预处理电路，信号预处理电路连接DSP芯片，将结果反馈给DSP芯片，若该采样值大于预设温度转换值，则停止PWM输出。位于操动机构中永磁直流直线电机14上的光栅传感器8通过控制回路6中的速度检测电路连接DSP芯片TMS320LF2407A的CAP1、CAP2、CAP3端口，控制回路6中的DSP芯片TMS320LF2407A的PWM1-PWM4端口连接隔离驱动电路IR2130的HIN1、LIN1、LIN2、HIN2，隔离驱动电路的HO1、LO1、HO2、LO2连接主回路10中的功率驱动电路V₁-V₄的基极，功率驱动电路连接操动机构中永磁直流直线电机14的主轴上，DSP芯片的PDPIN端口连接电压监测电路的输入端，电压监测电路输出端连接主回路10的充电限流电阻。信号预处理电路反馈信号输入端连接电压互感器和电流互感器，用于测量电网电压和电网电流。

主回路10实现功率变换，将系统的工作电源(直流电源或交流整流电源)转换为机构的驱动电源，包括三相全波整流器、充电限流电阻R₂和R₃、储能滤波电容C、分压电阻R₄和四个IGBT(V₁-V₄)和四个续流二极管组成的H型桥式功率驱动电路如图3所示，H型桥式功率模块用到V1、V2、V4和V5，就可以实现电机线圈的正反向通电，实现对电机出力方向的控制，从而实现断路器等开关设备的开断与关合。功率驱动电路的输出接于电机操动机构上。当合闸时，通正向电流，IGBT1和IGBT4导通；当分闸操作时，通以反向电流时，IGBT2和IGBT5导通；

其中三相全波整流器的两极分别连接储能滤波电容C、充电限流电阻R₂和R₃和功率驱动电路，分压电阻R₄一端连接功率驱动电路，另一端接地。限流电阻是用来防止主电路上电时对电容的充电电流过大，电容充电结束后，由继电器将其切除。

控制回路6包括DSP芯片TMS320LF2407A、检测模块，信号预处理电路如图5所示，电压监测电路如图6所示，通讯模块和隔离驱动电路IR2130，检测模块包括速度检测电路如图4所示，电流检测电路和温度检测电路，通讯模块包括电平转换芯片MAX3232、转接桥设备12RS232和上位机11，其中DSP芯片TMS320LF2407A的CAP1、CAP2、CAP3端口连接速度检测电路的输入端，DSP芯片TMS320LF2407A的ADCIN00-ADCIN03连接信号预处理电路输入端，DSP芯片TMS320LF2407A的PWM1-PWM6端口连接隔离驱动电路IR2130的HIN1、LIN1、LIN2、HIN2隔离驱动电路，DSP芯片TMS320LF2407A的PDPIN端口连接电压监测电路的输入端，DSP芯片TMS320LF2407A的SCIRXD和SCITXD端口连接电平转换芯片MAX3232的RIOUT和TIIN端口，电平转换芯片MAX3232的RIIN和TIOUT端口连接转接桥设备12RS232的输入端，转接桥设备12输出端连接上位机11，电平转换芯片用于将DSP芯片的输出信号转化为通讯接口芯片可接收的5V信号。

TMS320LF2407A DSP对反馈回来的信号进行采样、运算处理。根据设定的位移和速度曲线，采用先进的控制算法来实现对高压断路器动触头闭环的伺服控制。同时DSP控制器通过串行通信接口模块(SCI)经MAX3232电平转换电路与变电站、变电所上位机11的串口连接，这样可以通过变电站、变电所PC机上的控制界面输出命令和参数到DSP控制器来对永磁直流电机操动机构进行控制，从而实现对断路器开、断过程的控制。

本发明采用数字式双闭环，内环为电流环，它调节定子磁场的大小，定子磁场的大小正比于流过定子线圈的电流，控制定子线圈的电流即可控制定子磁场的大小，即电流调节环，采用PID增量式控制算法其程序流程图如图12所示。外环为速度环，但为确保整个系统具有良好的动、静态特性，速度环采用神经网络PID控制算法，其神经网络PID控制的结构图如图15所示，其网络为2×3×1结构，属多层前向传播网络形式，包括输入层、隐含层和输出层。输入层有2个神经元，其输入分别为控制系统给定值r和被控对象输出值y。隐含层有3个神经元，隐含层各神经元的输出函数互不相同，分别对应比例(P)，积分(I)，微分(D)3个部分，网络的输出层完成N-PID控制规律的综合，P，I，D系数由网络的权体现。网络的前向计算实现PID参数的自适应调整。它既具有传统PID控制的优点，又具有神经网络的并行结构和学习记忆功能及多层网络逼近任意函数的能力。由速度环的神经网络PID运算得到新的电流参考值，经电流限幅后送入电流环，作为电流参考值。电流参考值与电流反馈值相比得到电流环输入误差e(k)，该误差信号经过PID运算，经限幅输出得到新的PWM波形，并由功率管驱动电路控制功率IGBT晶体管的开关，进而控制高压断路器动触头的速度和位置，使分、合闸达到理想的曲线。

该装置的控制方法是在DSP芯片中按如下方法进行，如图7所示：

本实例中，当DSP未接到分、合闸指令时，对电网的电压，电流等参数进行采样并显示，计算最优曲线，当DSP接到分、合闸指令时，调用最优触头速度子程序，确定与当前电网状态相匹配的最优速度曲线，然后调用伺服控制子程序来调整动触头的位置，

步骤一、系统初始化，进行系统自检；

步骤二、采集电网的数据、显示在上位机11上；

步骤三、断路器接到分、合闸命令；

步骤四、开始调用伺服控制子程序；

步骤五、中断入口；

步骤六、现场保存；

步骤七、调用不同状态下最优触头速度子程序；

步骤八、调用电机伺服控制程序；

步骤九、判断断路器是否拒分，如果是，则记录故障状态，如果否，则执行步骤十；

步骤十、存储正常开关记录；

步骤十一、现场恢复；

步骤十二、调用伺服控制子程序结束；

步骤十三、向上位机11发出分、合闸完毕信息；

步骤十四、返回。

控制器开机时在加载应用程序之前首先载入加电自检程序，如图8所示，这样系统每次开机就首先执行自检程序，这段程序对仪器自身进行硬件扫描，即针对每一个分系统发送特定的测试信号，看看能否接收无故障时的所期望的信号，以此判定各个分系统是否正常。步骤七中最优触头速度子程序按如下步骤进行：如图9所示，

步骤一、开始；

步骤二、电流、电压数据采样；

对电流互感器和电压互感器输出的电流、电压信号进行滤波和采样处理，由DSP的模数转换器转化为数字信号。

步骤三、计算有效值；

与电流瞬时值相比，电流有效值更能够反映负载电流的真实情况。大部分电网参数如电压、电流等的有效值可以通过简单的算法计算出来，但在很大范围内不能保证精度，这对于高精度的测量和保护是不够的，而且存在谐波测量等复杂的问题，因此通过快速傅里叶变换算法作为采样计算算法。应用傅立叶公式计算有效值按如下方法：

$a_1=\frac{1}{N}\left[2\underset{k=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_k\sin \left(k\frac{2\mathrm{\π}}{N}\right)\right]$ $b_1=\frac{1}{N}[x_0+2\underset{k=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_k\cos \left(k\frac{2\mathrm{\π}}{N}\right)+x_N]$

有效值： $X=\frac{\sqrt{a_1^2+b_1^2}}{\sqrt{2}}$ 相角： $\mathrm{\α}=\mathrm{arctg}\frac{b_1}{a_1}$

其中：N：基波信号1周期采样点数；

x_k：第k次采样值；

x₀：k＝0时的采样值；

x_N：k＝N时的采样值。

步骤四、识别断路器的工作状态；

由于电力系统的复杂性和故障的多样性，使得系统状态与系统各参数之间的关系很难用严格的逻辑和数学方法来描述，因此，采用精确的数学模型控制是非常困难的。

步骤五、确定断路器分合闸触头最优速度曲线；因此根据反映当时系统状态的电流、电压、功率因数等参数的数值及各参数之间的关系来确定所需分合闸速度的大小.在此建立以电流，相位为输入，速度为输出的模糊控制系统，通过参数模糊化，模糊推理和去模糊化处理来识别当时的断路器工作状态并确定断路器分合闸速度特性曲线。

步骤六、返回。

步骤八中电机伺服控制子程序按如下步骤进行：如图10所示，

当DSP接到分、合闸指令并确定了该电网状态下的最优速度曲线后，控制器就会不断的以A/D中断的形式调用电机伺服控制子程序来调整动触头的速度，

步骤一、保存当前各寄存器的值；

步骤二、读取动触头速度曲线，与最优速度曲线比较；

步骤三、调用速度控制程序；

步骤四、确定电流参考值；

步骤五、读A/D转换的电流值；

每个PWM周期对电流采样一次。在PWM周期的“关”期间，电流经过同一个桥臂的另外两个IGBT的续流二极管到电源形成续流回路，在R上产生负压降。所以在此期间不能进行电流采样。在PWM周期的“开”的瞬间电流上升并不稳定，也不宜采样。所以电流的采样时刻应该是在PWM周期的“开”的中部。所以它可以通过DSP定时器采用连续增减计数方式时周期匹配事件启动ADC转换来实现；

步骤六、调用电流控制程序；

步骤七、调整PWM波形的宽度，确定占空比；

通过调整PWM波形的宽度可以调整电流的平均值，而PWM波形的宽度则是通过调整DSP事件管理器比较寄存器的比较值COMP实现的；

步骤八、更新PWM寄存器；

步骤九、现场恢复；

步骤十、返回。

步骤三速度控制子程序按如下步骤进行：如图15所示，

速度调节采用神经网络PID控制算法，将这种智能的控制策略与传统的PID相结合，实现了控制器的自学习和自适应，可获得最佳的动态效果。该算法程序流程图如图15所示。

步骤一、开始；

步骤二、初始化各参数；

步骤三、读速度给定值；

步骤四、计算隐含层各值；

步骤五、计算输出层各值；

步骤六、判断采样是否完毕，如果是则转步骤七、如果否则执行步骤三；

步骤七、计算控制对象9输出值；

步骤八、获取速度改变量；

步骤九、判断偏差是否再如许范围内，如果是则执行步骤十，如果否则执行步骤二；

步骤十、确定电流参考值；

步骤十一、返回。

步骤五电流控制子程序按如下步骤进行：

PID增量控制算法程序流程图如图12所示，其算法公式如下：

步骤一、开始；

步骤二、读电流给定值；

步骤三、计算测量值与电流给定值的误差；

步骤四、应用如下公式计算电流输出值，

COMP(k)＝COMP(k-1)+(K_PI+K_IIT_I+K_DI/T_I)e(k)-(K_PI+2K_DI/T_I)*e(k-1)+K_DIe(k-2)/T_I

式中COMP(k)—电流的输出值；

K_PI—电流的比例系数；

K_II—电流的积分系数；

K_DI—电流的微分系数；

T_I—电流的采样周期；

e(k)—第k次电流偏差。

在电力系统中，断路器可关合正常负荷，短路，断线以及空载线路等状态。对于不同的工作状态，其开断要求也是不同的，所以需调用不同的分合闸速度曲线，以达到不同条件下的最优分断，最大程度的减小机构冲击，提高断路器寿命，限制截流和过电压。对于理想合闸速度特性，真空断路器的合闸过程可分为两个重要阶段：刚合前、刚合后。刚合前3ms阶段指从分闸位置到刚合位置，这要求较高的刚合速度，减少预击穿电弧对灭弧室触头的烧损。刚合后阶段指触头闭合到其完全停止运动为止，要求刚合后速度快速降低直至停止。合闸阶段的速度变化过程应为“零—高速—低速—零”，速度曲线应平滑，不出现拐点。刚合后，要求机构提供的能量迅速减少，防止合闸弹跳和整机冲击过大；对于理想合闸速度特性，分闸过程可分为4个阶段：刚分点前(灭弧室触头在合闸位置)；刚分点、刚分后3ms，刚分后3ms—刚分后6ms；刚分后6ms—分闸结束位置。这4个阶段对分闸速度的要求分别是：快—更快—慢—停止，尤其要求很高的刚分速度。如图18所示为理想合闸曲线。

实施例3：其中操动机构为圆筒形直线感应电机，该电机为带位置传感器的永磁直流直线电机，DSP芯片选取的型号为TMS320LF2407A，储能滤波电容选取的型号为3300μF/450V，隔离驱动电路选取的型号为IR2130，电平转换芯片选取的型号为MAX3232，转接桥设备12的型号为RS232，分压电阻选取200Ω，光栅传感器8选择速度为4.8m/s，分辨率为1μm。

该装置如图16所示，包括操动机构、主回路10和控制回路6，操动机构包括圆筒形直线感应电机15、连杆4和高压断路器、温度传感器13、电压传感器和光栅传感器8，电机通过连杆4连接高压断路器，主回路10如图16所示包括三相全波整流器、充电限流电阻R₂和R₃、储能滤波电容C、分压电阻R₄、六个IGBT(V₁-V₆)和六个续流二极管组成的H型桥式功率驱动电路，可实现过流和欠压保护；控制回路6如图16所示包括DSP芯片、检测模块，信号预处理电路、电压监测电路、通讯模块、隔离驱动电路、电压互感器和电流互感器，检测模块包括速度检测电路、电流检测电路和温度检测电路，通讯模块包括电平转换芯片、转接桥设备12和上位机11；电机操动机构可能较长时间处于堵转状态，由于摩擦等因素，使得机构迅速发热，若温度过高将直接影响电机操动机构和控制器的正常工作，位于操动机构中电机上的温度传感器13和电压传感器通过控制回路6检测模块中的电流检测电路和温度检测电路连接信号预处理电路，信号预处理电路连接DSP芯片，将结果反馈给DSP芯片，若该采样值大于预设温度转换值，则停止PWM输出。位于操动机构中圆筒形直线感应电机15上的光栅传感器8通过控制回路6中的速度检测电路连接DSP芯片TMS320LF2407A的CAP1、CAP2、CAP3端口，控制回路6中的DSP芯片TMS320LF2407A的PWM1-PWM4端口连接隔离驱动电路IR2130的HIN1、LIN1、LIN2、HIN2，隔离驱动电路的HO1、LO1、HO2、LO2连接主回路10中的功率驱动电路V₁-V₄的基极，功率驱动电路连接操动机构中电机的主轴上，DSP芯片的PDPIN端口连接电压监测电路的输入端，电压监测电路输出端连接主回路10的充电限流电阻。信号预处理电路反馈信号输入端连接电压互感器和电流互感器，用于测量电网电压和电网电流。

主回路10实现功率变换，将系统的工作电源(直流电源或交流整流电源)转换为机构的驱动电源，包括三相全波整流器、充电限流电阻R₂和R₃、储能滤波电容C、分压电阻R₄和六个IGBT(V₁-V₆)和六个续流二极管组成的H型桥式功率驱动电路如图3所示，其中三相全波整流器的两极分别连接储能滤波电容C、充电限流电阻R₂和R₃和功率驱动电路，分压电阻R₄一端连接功率驱动电路，另一端接地。限流电阻是用来防止主电路上电时对电容的充电电流过大，电容充电结束后，由继电器将其切除。

控制回路6包括DSP芯片TMS320LF2407A、检测模块，信号预处理电路如图5所示，电压监测电路如图6所示，通讯模块和隔离驱动电路IR2130，检测模块包括速度检测电路如图4所示，电流检测电路和温度检测电路，通讯模块包括电平转换芯片MAX3232、转接桥设备12RS232和上位机11，其中DSP芯片TMS320LF2407A的CAP1、CAP2、CAP3端口连接速度检测电路的输入端，DSP芯片TMS320LF2407A的ADCIN00-ADCIN03连接信号预处理电路输入端，DSP芯片TMS320LF2407A的PWM1-PWM6端口连接隔离驱动电路IR2130的HIN1、LIN1、LIN2、HIN2隔离驱动电路，DSP芯片TMS320LF2407A的PDPIN端口连接电压监测电路的输入端，DSP芯片TMS320LF2407A的SCIRXD和SCITXD端口连接电平转换芯片MAX3232的RIOUT和TIIN端口，电平转换芯片MAX3232的RIIN和TIOUT端口连接转接桥设备12RS232的输入端，转接桥设备12输出端连接上位机11，电平转换芯片用于将DSP芯片的输出信号转化为通讯接口芯片可接收的5V信号。反馈量是由检测电路得到的，电流的检测由直流母线电流检测和U/V/W相电流检测两个部分组成。直流母线电流检测是通过分压电阻R₄来实现的，(R₄电阻值一般选200Ω)R₄的选择可考虑当过流发生时能输出最大电压，同时也起到了电流检测的作用。该信号经信号预处理电路后连接到DSP控制器的ADC输入端ADCIN00。相电流检测是通过霍尔传感器(四川力源公司生产的霍尔电流传感器16TL10-C)来检测的，它将电流信号转换为电压信号，再输出经信号预处理电路后连接到DSP控制器的ADC输入端ADCIN01-ADCIN02。

TMS320LF2407A DSP对反馈回来的信号进行采样、运算处理。根据高压开关设备电机操动机构这一特殊的应用场合，考虑到其作用时间短的特点，采用直接推力控制思想来实现对高压断路器动触头的闭环伺服控制。同时DSP控制器通过串行通信接口模块(SCI)经MAX3232电平转换电路与变电站、变电所上位机11的串口连接，这样可以通过变电站、变电所PC机上的控制界面输出命令和参数到DSP控制器来对直线电机操动机构进行控制，从而实现对断路器开、断过程的控制。

本发明中，高压断路器动触头的位置、速度和电流的实时信号经检测电路及信号转化电路并反馈给DSP控制器，DSP控制器通过信号采集并与理想的特性曲线进行比较，再进行运算和处理后得到偏差作为下一步控制信号输出给电机操动机构，从而保持偏差尽可能小，使电机操动机构都能按照预定的方式进行运动。在满足控制精度和处理器的运算速度的要求后，确定采样周期。从而如此反复的对电机操动机构进行采样、控制，使断路器的动触头的运动能够获得接近理想的曲线。本发明的伺服控制方法可采用传统的用于过程控制的PID算法与现代的智能控制理论相结合，能达到较好的控制效果。对于交流电机，针对高压开关操动机构这一特殊场合，引入直接推力控制方法，其也可嵌入先进的控制算法，进而控制高压断路器动触头的速度和位置，使分、合闸达到理想的曲线。

该装置的控制方法是在DSP芯片中按如下方法进行，如图7所示：

本实例中，当DSP未接到分、合闸指令时，对电网的电压，电流等参数进行采样并显示，计算最优曲线，当DSP接到分、合闸指令时，调用最优触头速度子程序，确定与当前电网状态相匹配的最优速度曲线，然后调用伺服控制子程序来调整动触头的位置，

步骤一、系统初始化，进行系统自检；

步骤二、采集电网的数据、显示在上位机11上；

步骤三、断路器接到分、合闸命令；

步骤四、开始调用伺服控制子程序；

步骤五、中断入口；

步骤六、现场保存；

步骤七、调用不同状态下最优触头速度子程序；

步骤八、调用电机伺服控制程序；

步骤九、判断断路器是否拒分，如果是，则记录故障状态，如果否，则执行步骤十；

步骤十、存储正常开关记录；

步骤十一、现场恢复；

步骤十二、调用伺服控制子程序结束；

步骤十三、向上位机11发出分、合闸完毕信息；

步骤十四、返回。

控制器开机时在加载应用程序之前首先载入加电自检程序，如图8所示，这样系统每次开机就首先执行自检程序，这段程序对仪器自身进行硬件扫描，即针对每一个分系统发送特定的测试信号，看看能否接收无故障时的所期望的信号，以此判定各个分系统是否正常。步骤七中最优触头速度子程序按如下步骤进行：如图9所示，

步骤一、开始；

步骤二、电流、电压数据采样；

对电流互感器和电压互感器输出的电流、电压信号进行滤波和采样处理，由DSP的模数转换器转化为数字信号。

步骤三、计算有效值；

与电流瞬时值相比，电流有效值更能够反映负载电流的真实情况。大部分电网参数如电压、电流等的有效值可以通过简单的算法计算出来，但在很大范围内不能保证精度，这对于高精度的测量和保护是不够的，而且存在谐波测量等复杂的问题，因此通过快速傅里叶变换算法作为采样计算算法。应用傅立叶公式计算有效值按如下方法：

$a_1=\frac{1}{N}\left[2\underset{k=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_k\sin \left(k\frac{2\mathrm{\π}}{N}\right)\right]$ $b_1=\frac{1}{N}[x_0+2\underset{k=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_k\cos \left(k\frac{2\mathrm{\π}}{N}\right)+x_N]$

有效值： $X=\frac{\sqrt{a_1^2+b_1^2}}{\sqrt{2}}$ 相角： $\mathrm{\α}=\mathrm{arctg}\frac{b_1}{a_1}$

其中：N：基波信号1周期采样点数；

x_k：第k次采样值；

x₀：k＝0时的采样值；

x_N：k＝N时的采样值。

步骤四、识别断路器的工作状态；

由于电力系统的复杂性和故障的多样性，使得系统状态与系统各参数之间的关系很难用严格的逻辑和数学方法来描述，因此，采用精确的数学模型控制是非常困难的。

步骤五、确定断路器分合闸触头最优速度曲线；因此根据反映当时系统状态的电流、电压、功率因数等参数的数值及各参数之间的关系来确定所需分合闸速度的大小.在此建立以电流，相位为输入，速度为输出的模糊控制系统，通过参数模糊化，模糊推理和去模糊化处理来识别当时的断路器工作状态并确定断路器分合闸速度特性曲线。

步骤六、返回。

步骤八中电机伺服控制子程序按如下步骤进行：如图17所示，

当DSP接到分、合闸指令并确定了该电网状态下的最优速度曲线后，控制器就会不断的以A/D中断的形式调用电机伺服控制子程序来调整动触头的速度，

步骤一、保存当前各寄存器的值；

步骤二、读取动触头速度曲线，与最优速度曲线比较；

步骤三、调用速度控制程序；

步骤四、确定推力参考值；

步骤五、读A/D转换的电流值，并进行电流的3/2变换；

霍尔传感器对圆筒形直线感应电机三相电流和直流母线电压进行检测，利用次级位置信号进行Clarke变换，即把三相交流系统等效变换成为两相交流系统，得到实际的两相交流系统下的i_D与i_Q；

步骤六、调用电流控制程序；

步骤七、调整PWM波形的宽度，确定占空比；

通过调整PWM波形的宽度可以调整电流的平均值，而PWM波形的宽度则是通过调整DSP事件管理器比较寄存器的比较值COMP实现的；

步骤八、更新PWM寄存器；

步骤九、现场恢复；

步骤十、返回。

步骤三速度控制子程序按如下步骤进行：

速度调节可采用传统的PI控制算法，该算法原理简单，易于实现。该算法程序流程图如图11所示。转速的输出为电流的参考值，其计算公式如下：

步骤一、开始；

步骤二、读速度给定值；

步骤三、计算测量值与速度给定值的偏差；

步骤四、判断第k次速度偏差e(k)是否大于ξ，其中ξ为常数，根据控制精度来确定，如果是则积分分离开关S＝0，如果否则积分分离开关S＝1；

步骤五、应用如下公式计算电流参考值，

通过对给定速度与反馈速度之间的差值进行PI调节，可以得到系统的给定推力，其计算公式如下：

f_ref(k)＝f_ref(k-1)+K_PV[e(k)-e(k-1)]+SK_IVf(k)

式中f_ref—速度调节输出，作为推力的参考值；

e(k)—第k次速度偏差；

K_PV—速度比例系数；

K_IV—速度积分系数；

S—积分分离开关，当|e(k)|＜ξ时，S＝1；|e(k)|≥ξ时，S＝0；其中ξ为常数，根据控制精度来确定。

T—速度调节周期。

步骤五电流控制子程序按如下步骤进行：

PID增量控制算法程序流程图如图17所示，其算法公式如下：

①初级磁链和电磁推力估计；

根据检测到的初级侧电流和电压值，计算初级磁链DQ轴分量、磁链幅值和电磁推力，其中磁链模型采用简单的电压-电流模型初级磁链的角度。

②磁链滞环比较与推力滞环比较；

将初级磁链矢量的实际幅值与给定值比较后的差值输入磁链滞环比较器，同时将推力的实际值与给定值比较后的差值送入推力滞环比较器中。

③判断磁链扇区；

根据初级磁链的D轴和Q轴方向上的分量，通过反正切函数算出初级磁链矢量与D轴之间的夹角，根据夹角来判断初级磁链所在的扇区。

④开关电压矢量的选择

两个比较器的输出与磁链所在的扇区共同决定选择哪个电压矢量，如下表1所示。

表1开关电压矢量查询表

表1中，ΔΨ的正负是根据磁链滞环比较器的输出来确定的，则有：

若|Ψ_S|≤|Ψ_Sref|-|ΔΨ_S|，输出为1，ΔΨ取1。

若|Ψ_S|≥|Ψ_Sref|+|ΔΨ_S|，输出为0，ΔΨ取-1。

Δf的正负是根据推力滞环比较器的三个输出来确定的，当需要定子磁链向前旋转时，则有：

若f≤|f_ef|-|Δf|，输出为1，Δf取1。

若|f|≥|f_ref|，输出为0，Δf取0。

当需要定子磁链向后旋转时，则有：

若f≥|f_ref|+|Δf|，输出为-1，Δf取-1。

若|f|≤|f_ref|，输出为0，Δf取0。

其中u_s1为(1，0，0)，u_s2为(1，1，0)，u_s3为(0，1，0)，u_s4为(0，1，1)，u_s5为(0，0，1)，u_s6为(1，0，1)，u_s7为(1，1，1)，u_s8为(0，0，0)。

7)更新PWM寄存器；

8)恢复现场；

9)返回。

在电力系统中，断路器可关合正常负荷，短路，断线以及空载线路等状态。对于不同的工作状态，其开断要求也是不同的，所以需调用不同的分合闸速度曲线，以达到不同条件下的最优分断，最大程度的减小机构冲击，提高断路器寿命，限制截流和过电压。对于理想合闸速度特性，真空断路器的合闸过程可分为两个重要阶段：刚合前、刚合后。刚合前3ms阶段指从分闸位置到刚合位置，这要求较高的刚合速度，减少预击穿电弧对灭弧室触头的烧损。刚合后阶段指触头闭合到其完全停止运动为止，要求刚合后速度快速降低直至停止。合闸阶段的速度变化过程应为“零—高速—低速—零”，速度曲线应平滑，不出现拐点。刚合后，要求机构提供的能量迅速减少，防止合闸弹跳和整机冲击过大；对于理想合闸速度特性，分闸过程可分为4个阶段：刚分点前(灭弧室触头在合闸位置)；刚分点、刚分后3ms，刚分后3ms—刚分后6ms；刚分后6ms—分闸结束位置。这4个阶段对分闸速度的要求分别是：快—更快—慢—停止，尤其要求很高的刚分速度。如图18所示为理想合闸曲线。

Claims (5)

1、一种高压开关设备电机操动机构通用伺服控制平台装置，包括操动机构、主回路和控制回路，操动机构包括电机、连杆、高压断路器、温度传感器、电压传感器和光栅传感器，电机通过连杆连接高压断路器，主回路包括三相全波整流器、充电限流电阻、储能滤波电容、功率驱动电路和分压电阻；控制回路包括DSP芯片、检测模块、信号预处理电路、电压监测电路、通讯模块、隔离驱动电路、电压互感器和电流互感器，检测模块包括速度检测电路、电流检测电路和温度检测电路，通讯模块包括电平转换芯片、转接桥设备和上位机；位于操动机构中电机上的温度传感器和电压传感器通过控制回路检测模块中的电流检测电路和温度检测电路连接信号预处理电路，信号预处理电路连接DSP芯片，位于操动机构中电机上的光栅传感器通过控制回路中的速度检测电路连接DSP芯片，控制回路中的DSP芯片连接隔离驱动电路和电压监测电路，隔离驱动电路连接主回路中的功率驱动电路，功率驱动电路连接操动机构中电机的主轴上，电压监测电路连接主回路的充电限流电阻，其特征在于：信号预处理电路输入端连接电压互感器和电流互感器，用于测量电网电压和电网电流。

2、根据权利要求1所述的高压开关设备电机操动机构通用伺服控制平台装置，其特征在于所述的主回路包括三相全波整流器、充电限流电阻、储能滤波电容、功率驱动电路和分压电阻，其中三相全波整流器的两极分别串连储能滤波电容、充电限流电阻和功率驱动电路，分压电阻一端连接功率驱动电路，另一端接地。

3、根据权利要求1所述的高压开关设备电机操动机构通用伺服控制平台装置，其特征在于所述的控制回路包括DSP芯片、检测模块，信号预处理电路，电压监测电路，通讯模块和隔离驱动电路，检测模块包括速度检测电路，电流检测电路和温度检测电路，通讯模块包括电平转换芯片、转接桥设备和上位机，其中DSP芯片分别连接速度检测电路、信号预处理电路、隔离驱动电路、电压监测电路和电平转换芯片，电平转换芯片连接转接桥设备，转接桥设备连接上位机。

4、权利要求1所述的高压开关设备电机操动机构通用伺服控制平台装置的控制方法，其特征在于：在DSP芯片中按如下方法进行：

步骤一、系统初始化，进行系统自检；

步骤二、采集电网的数据、显示在上位机上；

步骤三、断路器接到分、合闸命令；

步骤四、开始调用伺服控制子程序；

步骤五、中断入口；

步骤六、现场保存；

步骤七、调用不同状态下最优触头速度子程序；

步骤八、调用电机伺服控制程序；

步骤九、判断断路器是否拒分，如果是，则记录故障状态，如果否，则执行步骤十；

步骤十、存储正常开关记录；

步骤十一、现场恢复；

步骤十二、调用伺服控制子程序结束；

步骤十三、向上位机发出分、合闸完毕信息；

步骤十四、返回。

5、根据权利要求4所述的高压开关设备电机操动机构通用伺服控制平台装置的控制方法，其特征在于所述的步骤七中最优触头速度子程序按如下步骤进行：

步骤一、开始；

步骤二、电流、电压数据采样；

步骤三、计算有效值；

步骤四、识别断路器的工作状态；

步骤五、确定断路器分合闸触头最优速度曲线；

步骤六、返回。

Images