CN103578844A - 基于角位移控制的高压断路器电机操动机构控制装置 - Google Patents
基于角位移控制的高压断路器电机操动机构控制装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于角位移控制的高压断路器电机操动机构控制装置，包括角位移传感器模块，角位移传感器模块连接信号调理模块，信号调理模块连接AD转换模块，AD转换模块连接电平转换模块，电平转换模块连接数据处理模块，数据处理模块分别连接通讯模块、隔离驱动模块、液晶显示模块以及面板控制模块，隔离驱动模块连接升压模块，升压模块连接IGBT模块，电源模块为上述各模块供电。本发明有效实现了对高压断路器分合闸速度的控制。
Description
技术领域
本发明属于高压断路器电机操动机构控制技术领域，更具体地说是一种基于角位移控制的高压断路器电机操动机构控制装置。
背景技术
断路器在电力系统起到对电力系统开断的作用，它能否正常稳定的工作对电网的安全稳定运行起到决定性的作用。随着电压等级的提高，人们对高压断路器分合闸速度以及分合闸速度的控制都提出了要求，电机操动机构克服了传动操动机构的非线性和难以控制的缺点，具有易于实现大转动惯量、分合闸速度的全程控制的性能。高压断路器电机操动机构是断路器操动机构发展的一个重要方向。本发明就是应用于控制高压断路器电机操动机构，实现对分合闸速度的全程控制，同时控制面板的引入可以清楚直观实现对相关参数的修改。目前数字信号处理技术已经收到广泛重视，利用数字信号处理技术实现对高压断路器分合闸的控制。
发明内容
发明目的
本发明的目的在于为高压断路器电机操动机构提供一种控制装置，利用检测安装在电机上的角位移传感器输出的信号改变PWM的频率和占空比以及控制器发出的PWM顺序，进而改变加在电机上面的电压和电机电流的导通顺序以及加在IGBT上的有效电压，实现对高压断路器分合闸速度的控制。
技术方案
本发明是通过以下技术方案来实现的：
一种基于角位移控制的高压断路器电机操动机构控制装置，其特征在于：包括电源模块、角位移传感器模块、信号调理模块、AD转换模块、电平转换模块、数据处理模块、隔离驱动模块、升压模块、IGBT模块、液晶显示模块以及面板控制模块、通讯模块；角位移传感器模块连接信号调理模块，信号调理模块连接AD转换模块，AD转换模块连接电平转换模块，电平转换模块连接数据处理模块，数据处理模块分别连接通讯模块、隔离驱动模块、液晶显示模块以及面板控制模块，隔离驱动模块连接升压模块，升压模块连接IGBT模块，电源模块为上述各模块供电。
电源模块包括：5V、12V、15V，他们均是由外接交流220V直接转换而成；数据处理单元工作的3.3V电源则是有5V转换而得。
角位移传感器选用的是WDD35D—4精密导电塑料电位器。
信号调理模块是由以LM358为核心加上外围硬件电路组成。
AD转换模块是由16位的ADS8364及其外围硬件电路组成；电平转换模块是由2块LL254A组成。
数据处理模块是以TMS320F28335数据处理单元为核心搭建其工作需要的外围硬件电路组成。
隔离驱动电路模块是由74HC245和光耦器件HCPL-63N组成。
升压模块是由2SC0108T2A0—17及其外围硬件电路组成；
IGBT模块该装置选用的是SKM600GB066D。
液晶显示模块选用的液晶型号是LM270Y-128064；面板控制模块包括以低功耗单片机STC12LE5A60S2为核心组成液晶工作的硬件电路和4个独立按键；面板控制模块是通过232通讯与数据处理模块实现通讯。
通讯模块包括232通讯和485通讯。
优点及效果
本发明具有如下优点及有益效果：
（1）该发明装置使用了液晶显示和面板控制模块。以菜单形式编写的面板控制程序能清楚直观的实现对PWM初始参数的修改和分闸、合闸、自动重合闸指令的操作。
（2）该发明装置的AD转换模块选用的是具有16位采样精度的ADS8364芯片，相对于TMS320F28335内部的12位采样精度有了较大提高，使角位移信号的采集精度大大提高。对控制程序的编写提供了支持。
（3）经过测试和实验该发明装置具有安装简单，工作稳定的特点，能稳定有效的实现高压断路器分合闸以及自动重合闸的操作。
附图说明
图1为本发明控制装置系统及和电机连接的基本组成框图；
图2为本发明装置的电源模块（5V转3.3V）；
图3为本发明装置的角位移传感器模块；
图4为本发明装置的以LM358为核心的信号调理模块；
图5为本发明装置的以ADS8364为核心的AD转换模块电路原理图；
图6为本发明装置的5V转3.3V的电平转换电路；
图7为本发明装置的核心处理单元芯片TMS320F28335的管脚接线说明图；
图8为本发明装置的隔离驱动模块的接线原理图；
图9为本发明装置的升压模块原理图；
图10为本发明装置的本发明装置的IGBT接线图；
图11为本发明装置的液晶模块接线图；
图12为本发明装置的面板控制模块电路原理图，图12（a）为按键及指示灯显示电路图，图12（b）为面板主控芯片及通讯模块电路图；
图13为本发明装置的RS232通讯模块的电路原理图；
图14为本发明装置的RS485通讯模块的电路原理图；
图15为本发明装置的箱体正面实物图；
图16为本发明装置的箱体背面实物图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
本发明是一种基于角位移控制的高压断路器电机操动机构控制装置，如图1中所示，包括电源模块、角位移传感器模块、信号调理模块、AD转换模块、电平转换模块、数据处理模块、隔离驱动模块、升压模块、IGBT模块、液晶显示模块以及面板控制模块、通讯模块；角位移传感器模块连接信号调理模块，信号调理模块连接AD转换模块，AD转换模块连接电平转换模块，电平转换模块连接数据处理模块，数据处理模块分别连接通讯模块、隔离驱动模块、液晶显示模块以及面板控制模块，隔离驱动模块连接升压模块，升压模块连接IGBT模块，电源模块为上述各模块供电。
该装置设置在电机与上位机之间，电机连接该装置的角位移传感器模块和IGBT模块，该装置通过通讯模块连接上位机。
电源模块包括：5V、12V、15V，他们均是由外接交流220V直接转换而成。数据处理单元工作的3.3V电源则是有5V转换而得。
角位移传感器选用的是WDD35D—4精密导电塑料电位器。该传感器总阻值为10 
，独立线性度是±0.1%。
信号调理模块是由以LM358为核心，加上外围硬件电路组成的。该模块组要是把输入的检测信号限制在5V以内，避免AD芯片的烧毁。
AD转换模块是由16位的ADS8364及其外围硬件电路组成。
电平转换模块是实现ADS8364出来的高电平由5V转变成TMS320F28335允许的高电平3.3V。该模块是由2块LL254A组成。
数据处理模块是以TMS320F28335数据处理单元为核心搭建其工作需要的外围硬件电路组成。
隔离驱动电路模块组要是实现数据处理模块和外围其他硬件电路的隔离，同时使PWM的幅值由3.3V提高到5V，以实现后面升压模块的正常工作。该模块主要是由74HC245和光耦器件HCPL-63N组成。
升压模块主要是实现PWM在保证频率不变的情况下，实现其幅值由5V到15V的转换，以驱动IGBT的开断。该模块主要是由2SC0108T2A0—17及其外围硬件电路组成。
IGBT模块该装置选用的是SKM600GB066D。该IGBT功率管额定电压1200V，额定电流600A。
液晶显示模块，该模块选用的液晶型号是LM270Y-128064。
面板控制模块实现通过面板来控制高压断路器电机操动机构分闸、合闸、自动重合闸的操作以及改变PWM初始值的参数。该模块包括以低功耗单片机STC12LE5A60S2为核心组成液晶工作的硬件电路和4个独立按键。该模块是通过232通讯与DSP实现通讯。
通讯模块包括232通讯和485通讯，方便控制装置和上位机的通讯，实现角位移等信号数据往上位机传送的同时也实现通过上位机对该装置分合闸操作的控制。
为使本发明的技术方案及有点更加清晰明了，一下结合附图对该控制装置经行进一步的详细说明。
电源模块，在该装置中需要5V、12V、15V和3.3V4个直流电源。其中5V电源为LL245A、ADS8364、光耦器件HCPL-63N、LM358等提供工作电源，同时还为TMS320F28335工作所需要的3.3V提供转换电源。12V为角位移传感器提供工作电压，接在WDD35D—4的1引脚处。15V电源为IGBT的升压模块2SC0108T2A0—17提供工作电源。在该装置中，5V、12V、15V三个直流电源均是由220V交流电直接转换得到电源模块（市场上常见的开关电源）。其中5V转3.3V的模块是以由AMS1117和0.1μF、10μF的滤波电容组成。他们实际接线图如图1所示。
为获得准确的角位移信号该装置选用的角位移型号是WDD35D—4，他的独立线性度是±0.1%，能很好的满足工程的需要。该传感器有三个引脚，其中1引脚接12V电源，3引脚接地，2引脚作为信号输出端。该传感器具体接线图如图2所示。
为使获得的角位移信号限定在ADS8364允许输入的0~5V范围内需要对信号进行调理。信号调理模块是以LM358为主要核心芯片组成信号放大电路。其中在LM3581脚和2脚之间接入一个由1μF和10K电阻组成的滤波电路，能有效的滤去杂波，增加信号的准确性。LM358的4脚接地，8脚接5V工作电源。2脚接信号输入端，1脚接信号输出端。在信号输入前加入2个10K的限流电阻。R1作为反馈电阻接在2脚和1脚处，该电阻的取值为1K。该模块具体接线图如图3所示。
该装置的AD转换模块选用的是16位转换精度的ADS8364，他的采样频率为
，能很好的满足需求。该模块具体接线图如图4所示。
由于ADS8364工作电压是5V，他的高电平也是5V。而TMS320F28335允许输入的电压是0~3.3V，故需要在他们之间接入一个电平转换电路，实现由5V到3.3V的转换。该模块是由LL245A组成。该装置使用了2块LL254A芯片，其中第一块芯片的43、44、46引脚用来控制通道的选择，如：当43、44、46三引脚的电平是000，则选择的是第一通道，一次类推（注该装置设置有预留通道）。通过控制芯片1引脚和24引脚能实现对该芯片输入输出方向的控制。该模块具体接线图如图5所示。
数据处理模块，该装置选择的核心数据处理芯片是TMS320F28335，该芯片支持浮点型数据的计算，提高了数据处理的效率和精度。该模块具体接线图如图6所示。
隔离驱动模块，该模块主要是显示TMS320F28335发出的PWM幅值的转变和对核心板的保护。由于TMS320F28335发出的PWM波的幅值是3.3V，而后面的升压模块识别的PWM波的幅值是5V，故该模块就是显示PWM波幅值有3.3V到5V的转变。该模块是由一个74HC245实现隔离和3个光耦器件HCPL-63N组成。一个光耦器件是实现2路PWM的转换，其中2、3脚作为信号输入端和74HC245相连接，6、7脚作为信号输出端和升压模块相连。他们具体接线图如图7所示。
升压模块，该模块主要是实现PWM波幅值由5V到15V的转换。该装置选择的IGBT需要的开断电压是15V，故需要通过该模块提高PWM波幅值。该模块是由芯片2SC0108T2A0—17及其外围硬件电路组成。一个2SC0108T2A0—17芯片控制2路PWM波的导通，故该装置需要3个2SC0108T2A0—17芯片。其中该芯片第一引脚接地，第2、3引脚分别PWM波的输入端，第4引脚接15V的工作电源，第7和17引脚分别作为PWM波的信号输出端，连接在IGBT的栅极上。该模块具体接线图如图8所示。
IGBT模块，该装置选择的IGBT型号是SKM600GB066D。一个SKM600GB066D组成一个独立的上下桥臂该模块共有7个引脚。1、2、6分别是下桥臂的集电极、发射极和栅极，3、4、5分别是上桥臂的集电极、发射极和栅极。4、6为控制脚，接PWM波信号。3、2脚分别接到电容器组的两端，为电机驱动提供电压。5、7脚和4、6引脚电压差开断IGBT。2与7，5与1共点，1脚与2脚，3脚与5脚之间接0.47μF的吸波电容，防止IGBT被击穿。其实际接线图如图9所示。
液晶显示模块，选用的是LM270Y-128064。他的1、19、20脚接地；2脚接3.3V的外接电源；7—14引脚用作数据的输入；5、6脚用作数据的读写。其实际接线图如图10所示。
面板控制模块主要是由STC12LE5A60S2最小系统、74HC573、MAX232、按键、发光二极管以及外围硬件电路组成。5个发光二极管是为了显示操动机构控制器工作在分、合、程序正常运行、自动重合、以及电源正常供电的状态，他们分别和74HC573的16、17、18、19引脚以及地线相连，其中74HC573起到了驱动发光二极管的作用，该部分及按键实际接线图如图11（a）所示。232通讯是为了实现STC12LE5A60S2和DSP的通讯以及对STC12LE5A60S2程序的烧写，它的13、14引脚与DSP相连，11、12引脚与STC12LE5A60S2相连；STC12LE5A60S2实现通过对按键控制液晶的同时也实现对发光二极管的控制以及与DSP的通讯。当STC12LE5A60S2监测到按键按下对应的低电平时，他相应直观的改变液晶实现的内容同时告诉DSP要发出不同参数的PWM波，该部分的实际接线图如图11（b）所示。
通讯模块，为了便于下位机与上位机的通讯，也便于通过上位机实现对下位机的控制，该装置还设置了RS232和RS485通讯模块。其中RS232通讯是以MAX3232为核心芯片搭建外围硬件电路得到，RS485通讯是由SP3485及其外围电路组成。他们实际接线图分别如图12、13所示。
为了便于该装置的应用，还设计了该装置的箱体。该箱体正面有液晶显示面板、按键、开关电源、电容电压显示模块以及角位移输出接口、预留通道。该箱体的背面设置了电容器电压接口、电机三相电流接口、角位移信号输入接口、通讯接口、220V交流电源接口以及预留通道。其中箱体正面角位移输出接口是为了便于通过示波器观察波形而设置。该控制装置的正面和背面图分别如图14、15所示。
本发明提供了一种基于角位移信号控制的高压断路器电机操动机构控制装置。通过在126KV高压断路器电机操动机构上的实验，证实了该控制装置的实用性。
Claims (10)
1.一种基于角位移控制的高压断路器电机操动机构控制装置，其特征在于：包括电源模块、角位移传感器模块、信号调理模块、AD转换模块、电平转换模块、数据处理模块、隔离驱动模块、升压模块、IGBT模块、液晶显示模块以及面板控制模块、通讯模块；角位移传感器模块连接信号调理模块，信号调理模块连接AD转换模块，AD转换模块连接电平转换模块，电平转换模块连接数据处理模块，数据处理模块分别连接通讯模块、隔离驱动模块、液晶显示模块以及面板控制模块，隔离驱动模块连接升压模块，升压模块连接IGBT模块，电源模块为上述各模块供电。
2.根据权利要求1所述的基于角位移控制的高压断路器电机操动机构控制装置，其特征在于：电源模块包括：5V、12V、15V，他们均是由外接交流220V直接转换而成；数据处理单元工作的3.3V电源则是有5V转换而得。
3.根据权利要求1所述的基于角位移控制的高压断路器电机操动机构控制装置，其特征在于：角位移传感器选用的是WDD35D—4精密导电塑料电位器。
4. 根据权利要求1所述的基于角位移控制的高压断路器电机操动机构控制装置，其特征在于：信号调理模块是由以LM358为核心加上外围硬件电路组成。
5. 根据权利要求1所述的基于角位移控制的高压断路器电机操动机构控制装置，其特征在于：AD转换模块是由16位的ADS8364及其外围硬件电路组成；电平转换模块是由2块LL254A组成。
6.根据权利要求1所述的基于角位移控制的高压断路器电机操动机构控制装置，其特征在于：数据处理模块是以TMS320F28335数据处理单元为核心搭建其工作需要的外围硬件电路组成。
7.根据权利要求1所述的基于角位移控制的高压断路器电机操动机构控制装置，其特征在于：隔离驱动电路模块是由74HC245和光耦器件HCPL-63N组成。
8.根据权利要求1所述的基于角位移控制的高压断路器电机操动机构控制装置，其特征在于：升压模块是由2SC0108T2A0—17及其外围硬件电路组成；
IGBT模块该装置选用的是SKM600GB066D。
9.根据权利要求1所述的基于角位移控制的高压断路器电机操动机构控制装置，其特征在于：液晶显示模块选用的液晶型号是LM270Y-128064；面板控制模块包括以低功耗单片机STC12LE5A60S2为核心组成液晶工作的硬件电路和4个独立按键；面板控制模块是通过232通讯与数据处理模块实现通讯。
10.根据权利要求1所述的基于角位移控制的高压断路器电机操动机构控制装置，其特征在于：通讯模块包括232通讯和485通讯。
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