CN104113241A - 高压gis隔离开关摆角电机操动机构控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高压GIS隔离开关摆角电机操动机构控制装置及方法,该装置包括霍尔电流传感器、旋转编码器、霍尔位置传感器、角位移传感器、线圈电流检测电路、电机转速检测电路、位置捕获电路、转子行程检测电路、DSP处理器、整流桥、储能电容器、电容电压检测及充电电路、电力电子控制电路、IGBT全桥整流电路、遥控器模块和直流电源模块，该控制方法为采集高压GIS隔离开关摆角电机操动机构转子位置信号、转速信号、电流信号和角位移信号，IGBT全桥整流电路根据位置信号驱动高压GIS隔离开关摆角电机操动机构旋转，DSP处理器根据转速信号、电流信号和角位移信号进行PID控制，实时调节摆角电机操动机构的转速。

Description

高压GIS隔离开关摆角电机操动机构控制装置及方法

技术领域

本发明属于电气自动化控制领域，具体涉及一种高压GIS隔离开关摆角电机操动机构控制装置及方法。

背景技术

高压GIS隔离开关摆角电机操动机构的机械传动简单，零部件只有弹簧操动机构的30％左右，线圈励磁电流产生的磁场和永磁磁场相互作用驱动转子转动，进而带动隔离开关的传动轴完成分合闸操作，无需传统的机械脱扣及锁扣装置，这种简单、直接的传动方式使得摆角电机操动机构的分合闸时间稳定且运动时间分散性小。但是，由于环境条件不同将导致高压隔离开关的动作时间具有分散性，例如，在常温时永磁材料的矫顽磁力为850kA/m，而当温度为80℃时，矫顽磁力下降为750kA/m，产生的直接结果是摆角电机操动机构的输出转矩变小，合成磁场密度降低，进而造成隔离开关的分合闸时间发生变化。对隔离开关而言，分合闸过程的动作时间稳定性是其重要的工作特性之一，因此需要对隔离开关进行过程性控制，通过实时改变触头的运动速度，对动作时间的分散性进行补偿，进而保证隔离开关具有良好的动作时间稳定性。目前对于高压GIS隔离开关动作时间补偿方法仍较为有限，因此，在高压GIS隔离开关摆角电机操动机构控制系统的实际运行中，通过调节触头运动速度保证动作时间稳定性的能力较低。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种高压GIS隔离开关摆角电机操动机构控制装置及方法。

本发明的技术方案是：

一种高压GIS隔离开关摆角电机操动机构控制装置，括霍尔电流传感器、旋转编码器、霍尔位置传感器、角位移传感器、线圈电流检测电路、电机转速检测电路、位置捕获电路、转子行程检测电路、DSP处理器、整流桥、储能电容器、电容电压检测及充电电路、电力电子控制电路、IGBT全桥整流电路、遥控器模块和直流电源模块。

旋转编码器安装在高压GIS隔离开关摆角电机操动机构主轴同轴位置，霍尔位置传感器安装在高压GIS隔离开关摆角电机操动机构端部，霍尔电流传感器穿过高压GIS隔离开关摆角电机操动机构线圈，角位移传感器安装在高压GIS隔离开关摆角电机操动机构主轴同轴位置。

直流电源模块的输入端和整流桥的输入端分别接入市电电网，直流电源模块的输出端连接霍尔电流传感器的输入端、旋转编码器的输入端、霍尔位置传感器的输入端、角位移传感器的输入端、DSP处理器的一个输入端、线圈电流检测电路的一个输入端和电力电子控制电路的一个输入端，整流桥的不同输出端分别连接储能电容器的正极和电容电压监测及充电电路的一个输入端，储能电容器的正极连接电容电压监测及充电电路的一个输入端，电容电压监测及充电电路的一个输出端连接储能电容器的负极，霍尔电流传感器的输出端连接线圈电流检测电路的另一个输入端，旋转编码器的输出端连接电机转速检测电路的输入端，霍尔位置传感器的输出端连接位置捕获电路的输入端，角位移传感器的输出端连接转子行程检测电路的输入端，线圈电流检测电路的输出端、电机转速检测电路的输出端、位置捕获电路的输出端、转子行程检测电路的输出端、遥控器模块的输出端和电容电压检测及充电电路的一个输出端分别连接DSP处理器的不同输入端，DSP处理器的不同输出端分别连接电容电压检测及充电电路的另一个输入端和电力电子控制电路的输入端，电力电子控制电路的输出端连接IGBT全桥整流电路的输入端，储能电容器的负极连接IGBT全桥整流电路的一路输入端，IGBT全桥整流电路的一个输出端连接储能电容器的正极，IGBT全桥整流电路的输出端连接高压GIS隔离摆角电机操动机构三相输入端。

线圈电流检测电路有三个，每个线圈电流检测电路包括两个运算放大器，且两个运算放大器串联。

电机转速检测电路采用总线收发器。

位置捕获电路有三个，每个位置捕获电路包括一个降压稳压器和两个电容，降压稳压电路与串联的两个电容并联，该降压稳压器的输入端连接霍尔位置传感器的输出端，位置捕获电路的降压稳压器的输出端连接DSP处理器的输入端。

转子行程检测电路包括降压稳压器和两个电容，降压稳压电路与串联的两个电容并联，该降压稳压器的输入端连接角位移传感器，该降压稳压器的输出端连接DSP处理器的输入端。

电力电子控制电路为IGBT驱动电路。

电容电压检测及充电电路包括电容电压检测电路和电容电压充电电路，电容电压检测电路包括第一线性光耦和运算放大器，电容电压充电电路包括第二线性光耦、IGBT和并联电阻，第一线性光耦的输入端连接储能电容器的正极，第一线性光耦的一个输出端连接运算放大器的输入端，第一线性光耦的另一输出端连接并联电阻的一端，运算放大器的输出端连接DSP处理器的输入端，第二线性光耦的两个输出端分别连接储能电容器的负极和IGBT的输入端，第二线性光耦的另一个输出端连接并联电阻，第二线性光耦的输入端连接DSP处理器的输出端。

高压GIS隔离开关摆角电机操动机构控制方法，包括以下步骤：

步骤1：遥控器模块向DSP处理器发出导通电容电压检测及充电电路的IGBT的指令，电容电压检测及充电电路的IGBT导通，市电电网经过整流桥向储能电容器进行充电，市电电网经过直流电源模块对霍尔电流传感器、旋转编码器、霍尔位置传感器、角位移传感器、DSP处理器、线圈电流检测电路和电力电子控制电路进行供电。

步骤2：电容电压检测及充电电路将储能电容器的电压缩小200倍并传送给DSP处理器，当储能电容器电压值达到额定值时，DSP处理器向电容电压检测及充电电路发出截止指令，结束对储能电容器的充电。

步骤3：遥控器模块向DSP处理器发出高压GIS隔离开关分闸或合闸操作指令，储能电容器通过IGBT全桥整流电路对高压GIS隔离开关摆角电机操动机构进行供电。

步骤4：霍尔位置传感器采集高压GIS隔离开关摆角电机操动机构转子的位置信号，旋转编码器采集高压GIS隔离开关摆角电机操动机构的转速信号，霍尔电流传感器采集高压GIS隔离开关摆角电机操动机构线圈的电流信号，角位移传感器采集高压GIS隔离开关摆角电机操动机构的角位移信号。

步骤5：位置捕获电路获取高压GIS隔离开关摆角电机操动机构转子的位置信号，IGBT全桥整流电路根据高压GIS隔离开关摆角电机操动机构转子的位置信号控制IGBT全桥整流电路中的IGBT的导通顺序，驱动高压GIS隔离开关摆角电机操动机构旋转。

步骤6：在高压GIS隔离开关摆角电机操动机构转动过程中，将电机转速检测电路获取的高压GIS隔离开关摆角电机操动机构的转速信号、线圈电流检测电路获取的高压GIS隔离开关摆角电机操动机构线圈的电流信号、转子行程检测电路获取的高压GIS隔离开关摆角电机操动机构的角位移信号传送给DSP处理器。

步骤7：DSP处理器根据实时获取的高压GIS隔离开关摆角电机操动机构的转速信号、高压GIS隔离开关摆角电机操动机构线圈的电流信号和高压GIS隔离开关摆角电机操动机构的角位移信号进行PID控制，实时调节高压GIS隔离开关摆角电机操动机构的转速。

步骤8：根据高压GIS隔离开关摆角电机操动机构的角位移信号，判断高压GIS隔离开关摆角电机操动机构的转子是否完成全部行程，若是，则高压GIS隔离开关摆角电机操动机构完成分闸或合闸操作，切断市电电网供电，否则，返回步骤4。

本发明的有益效果是：

本发明高压GIS隔离开关摆角电机操动机构控制装置及方法，在高压GIS隔离开关摆角电机操动机构操作过程中，利用旋转编码器、角位移传感器及霍尔电流传感器对高压GIS隔离开关摆角电机的转速、角位移及线圈电流进行实时采集，自适应PID控制器根据采集信号对摆角电机的转动过程进行调节，实现摆角电机速度的跟踪控制，提高隔离开关分合闸过程的动作时间稳定性。同时，可以减小分合闸末期触头运动速度，进而降低动、静触头的刚性碰撞，避免出现触头合闸弹跳现象，提高高压GIS隔离开关摆角电机操动机构的动作可靠性，减少触头因碰撞造成的能量损失，提高了控制系统的鲁棒性、控制精度和机构动作的可靠性，避免线圈烧毁，延长机构使用寿命，实现了高压GIS隔离开关摆角电机操动机构具有良好动作时间稳定性的目的。

附图说明

图1为本发明具体实施方式的高压GIS隔离开关摆角电机操动机构控制装置结构图；

图2为本发明具体实施方式的旋转编码器接线图；

图3为本发明具体实施方式的霍尔位置传感器接线图；

图4为本发明具体实施方式的霍尔电流传感器接线图；

图5为本发明具体实施方式的角位移传感器接线图；

图6为本发明具体实施方式的线圈电流检测电路原理图；

图7为本发明具体实施方式的电机转速检测电路原理图；

图8为本发明具体实施方式的位置捕获电路原理图；

图9为本发明具体实施方式的转子行程检测电路原理图；

图10为本发明具体实施方式的电力电子控制模块电路原理图；

图11为本发明具体实施方式的电容电压检测及充电电路原理图；

图12为本发明具体实施方式的直流电源模块接线图；

图13为本发明具体实施方式的DSP处理器引脚示意图；

图14为本发明具体实施方式的整流桥接线图；

图15为本发明具体实施方式的IGBT全桥整流电路原理图；

图16为本发明具体实施方式的遥控器模块接线图；

图17为本发明具体实施方式的DSP处理器进行PID控制的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式加以详细的说明。

如图1所示，一种高压GIS隔离开关摆角电机操动机构控制装置，包括霍尔电流传感器、旋转编码器、霍尔位置传感器、角位移传感器、线圈电流检测电路、电机转速检测电路、位置捕获电路、转子行程检测电路、DSP处理器、整流桥、储能电容器、电容电压检测及充电电路、电力电子控制电路、IGBT全桥整流电路、遥控器模块和直流电源模块。

直流电源模块的输入端和整流桥的输入端分别接入市电电网，直流电源模块的输出端分别连接霍尔电流传感器的输入端、旋转编码器的输入端、霍尔位置传感器的输入端、角位移传感器的输入端、DSP处理器的一个输入端、线圈电流检测电路的一个输入端和电力电子控制电路的一个输入端，整流桥的不同输出端分别连接储能电容器的正极和电容电压监测及充电电路的一个输入端，储能电容器的正极连接电容电压监测及充电电路的一个输入端，电容电压监测及充电电路的一个输出端连接储能电容器的负极，霍尔电流传感器的输出端连接线圈电流检测电路的另一个输入端，旋转编码器的输出端连接电机转速检测电路的输入端，霍尔位置传感器的输出端连接位置捕获电路的输入端，角位移传感器的输出端连接转子行程检测电路的输入端，线圈电流检测电路的输出端、电机转速检测电路的输出端、位置捕获电路的输出端、转子行程检测电路的输出端、遥控器模块的输出端和电容电压检测及充电电路的一个输出端分别连接DSP处理器的不同输入端，DSP处理器的不同输出端分别连接电容电压检测及充电电路的另一个输入端和电力电子控制电路的输入端，电力电子控制电路的输出端连接IGBT全桥整流电路的输入端，储能电容器的负极连接IGBT全桥整流电路的一路输入端，IGBT全桥整流电路的一路输出端连接储能电容器的正极，IGBT全桥整流电路的输出端连接高压GIS隔离摆角电机操动机构三相输入端。

如图2所示，旋转编码器安装在高压GIS隔离开关摆角电机操动机构主轴同轴位置，在高压GIS隔离开关摆角电机操动机构转动过程中，旋转编码器采集高压GIS隔离开关摆角电机操动机构的转速信号，本实施方式中，选取的旋转编码器的型号为E6B2-CWZ1X1000P/R,旋转编码器的1引脚接地，旋转编码器的0引脚连接直流电源模块的+5V引脚，旋转编码器的2引脚连接电机转速检测电路的A1引脚。

如图3所示，霍尔位置传感器包括三个霍尔元件，三个霍尔元件分别安装在高压GIS隔离开关摆角电机操动机构端部霍尔盘不同位置上，在高压GIS隔离开关摆角电机操动机构转动过程中，霍尔位置传感器采集高压GIS隔离开关摆角电机操动机构转子的位置信号，本实施方式中，选取的霍尔元件的型号是TO-92UA，霍尔位置传感的三个霍尔元件的0引脚均连接直流电源模块的+5V引脚，霍尔位置传感的三个霍尔元件的1引脚接地，霍尔位置传感的三个霍尔元件的A、B、C引脚连接位置捕获电路的1引脚。

如图4所示，霍尔电流传感器有三个，霍尔电流传感器穿过高压GIS隔离开关摆角电机操动机构线圈，在高压GIS隔离开关摆角电机操动机构转动过程中，霍尔电流传感器采集高压GIS隔离开关摆角电机操动机构线圈的电流信号，本实施方式中，霍尔电流传感器选取的型号为CHF-400B，霍尔电流传感器的0引脚连接直流电源模块的+12V引脚，霍尔电流传感器的1引脚连接直流电源模块的-12V引脚，霍尔电流传感器的2引脚连接线圈电流检测电路的0引脚，霍尔电流传感器的3引脚接地。

如图5所示，角位移传感器安装在高压GIS隔离开关摆角电机操动机构主轴同轴位置，在高压GIS隔离开关摆角电机操动机构转动过程中，角位移传感器采集高压GIS隔离开关摆角电机操动机构的角位移信号，本实施方式中，选取的角位移传感器的型号是WDD35D4，角位移传感器的0引脚连接直流电源模块+5V引脚，角位移传感器的1引脚连接转子行程检测电路的1引脚，角位移传感器的2引脚接地。

如图6所示，线圈电流检测电路有三个，每个线圈电流检测电路包括两个运算放大器，且两个运算放大器串联。线圈电流检测电路用于获取的霍尔电流传感器采集的高压GIS隔离开关摆角电机操动机构线圈的电流信号，将电流信号传递给DSP处理器，保证外部电路与控制电路的电气隔离，提高采集精度，本实施方式中，线圈电流检测电路的两个运算放大器型号为OP07，线圈电流检测电路的0引脚连接霍尔电流传感器的2引脚，三个线圈电流检测电路的1引脚分别连接DSP处理器的ADCINB0、ADCINB1、ADCINB2引脚，线圈电流检测电路的2、4引脚连接直流电源模块的+12V引脚，线圈电流检测电路的1、3引脚连接直流电源模块的-12V引脚。

如图7所示，电机转速检测电路采用总线收发器，电机转速检测电路用于获取旋转编码器采集的高压GIS隔离开关摆角电机操动机构的转速信号，实现5V到3V的高精度电平转换，将转速信号传递给DSP处理器，本实施方式中，电机转速检测电路的总线收发器的型号为SN74LVCH245A，电机转速检测电路的A1引脚连接旋转编码器的2引脚，电机转速检测电路的B1引脚连接DSP处理器的CAP4引脚，电机转速检测电路的VCC、DIR引脚连接3.3V电池，电机转速检测电路的OE、GND、A4～A8引脚接地。

如图8所示，位置捕获电路有三个，每个位置捕获电路包括一个降压稳压器和两个电容，降压稳压电路与串联的两个电容并联，位置捕获电路获取霍尔位置传感器采集的高压GIS隔离开关摆角电机操动机构转子的位置信号，并将该5V输出信号转换成3V信号，将高压GIS隔离开关摆角电机操动机构转子的位置信号传递给DSP处理器，本实施方式中，位置捕获电路的降压稳压器的型号为LTI930，三个位置捕获电路的0引脚接地，三个位置捕获电路的1引脚分别连接霍尔位置传感器的A、B、C引脚，三个位置捕获电路的2引脚分别连接DSP处理器的CAP1、CAP2、CAP3引脚。

如图9所示，转子行程检测电路包括降压稳压器和两个电容，降压稳压电路与串联的两个电容并联，转子行程检测电路用于获取的角位移传感器采集的高压GIS隔离开关摆角电机操动机构的角位移信号，并实现5V到3V的电平转换，将角位移信号传递给DSP处理器，本实施方式中，转子行程检测电路的降压稳压器的型号为LM3940，转子行程检测电路的0引脚接地，转子行程检测电路的1引脚连接角位移传感器1引脚；2引脚DSP处理器的ADCINA4引脚。

如图10所示，电力电子控制电路为IGBT驱动电路。本实施方式采用六个2SC010T升压模块的高速IGBT驱动电路，对DSP处理器的PWM信号进行升压操作，实现对IGBT的有效导通和截止。电力电子控制电路的+15V电压由直流电源模块供给，可以获得良好的上升下降沿波，实现IGBT全桥整流电路的驱动，电力电子控制电路的GND引脚接地，电力电子控制电路的VCC引脚连接直流电源模块的+15V引脚，电力电子控制电路的sPWM1～6引脚连接DSP处理器的PWM1～6引脚，电力电子控制电路的1引脚连接IGBT全桥整流电路的2～7引脚，电力电子控制电路的2引脚连接IGBT全桥整流电路的T1～T6引脚，电力电子控制电路的3引脚连接IGBT全桥整流电路的8～13引脚。

如图11所示，电容电压检测及充电电路用于将储能电容器的输出电压进行降压处理，将储能电容器输出电压缩小200倍后提供给DSP处理器，同时实现对储能电容器的充电，电容电压检测及充电电路包括电容电压检测电路和电容电压充电电路，电容电压检测电路包括型号为HCNR200的第一线性光耦和型号为OPAMP的运算放大器，电容电压充电电路包括型号为HCNR200的第二线性光耦、IGBT和并联电阻，第一线性光耦HCNR200的输入端连接储能电容器的正极，第一线性光耦HCNR200内光电二极管输出端连接运算放大器OPAMP的输入端，第一线性光耦HCNR200的光电二极管输出端连接并联电阻，运算放大器OPAMP的输出端连接DSP处理器ADCINA0引脚，第二线性光耦HCNR200的发光二极管输出端连接储能电容器的负极，第二线性光耦HCNR200的发光二极管输出端连接IGBT栅极，第二线性光耦HCNR200发光二极管输入端连接并联电阻，第二线性光耦HCNR200光电二极管的输入端连接DSP处理器的GPIO54引脚。

如图12所示，直流电源模块为DSP处理器、霍尔位置传感器、旋转编码器、角位移传感器、霍尔电流传感器、IGBT全桥整流电路和线圈电流检测电路供电，直流电源模块的输入端接入220V电网，直流电源模块的±12V引脚连接霍尔电流传感器的0、1引脚，直流电源模块的+5V引脚连接旋转编码器的0引脚，直流电源模块的+5V引脚连接霍尔位置传感器的0引脚，直流电源模块的+5V引脚连接角位移传感器的0引脚，直流电源模块的+5V引脚连接DSP处理器的VCC引脚，直流电源模块的+12V引脚连接线圈电流检测电路的2、4引脚，直流电源模块的-12V引脚连接线圈电流检测电路的3、5引脚，直流电源模块的+15V引脚连接IGBT全桥整流电路的VCC引脚。

如图13所示，DSP处理器为高压GIS隔离开关摆角电机操动机构控制装置的核心处理器，在高压GIS隔离开关摆角电机操动机构转动过程中，对实时获取的高压GIS隔离开关摆角电机操动机构的转速信号、高压GIS隔离开关摆角电机操动机构线圈的电流信号和高压GIS隔离开关摆角电机操动机构的角位移信号进行PID控制，实时调节高压GIS隔离开关摆角电机操动机构的转速，并对电容电压检测及充电电路的IGBT发出控制指令。

本实施方式中选用型号为TMS320F28335的DSP处理器。

DSP处理器的CAP1～CAP3引脚连接位置捕获电路的2引脚，DSP处理器的CAP4引脚点连接电机转速检测电路的B1引脚，DSP处理器的ADCINB0～ADCINB2引脚连接线圈电流检测电路的1引脚，DSP处理器的ADCINA4引脚连接转子行程检测电路的2引脚，DSP处理器的GPIO49、GPIO51、GPIO53引脚分别连接遥控器模块的输出1、输出2、输出3引脚，DSP处理器的ADCINA0引脚连接电容电压检测及充电电路2引脚，DSP处理器的GPIO54引脚连接电容电压检测及充电电路3引脚，DSP处理器的PWM1～PWM6引脚分别连接电力电子控制模块的sPWM1～sPWM6引脚，DSP处理器的VCC引脚连接直流电源模块的+5V引脚。

如图14所示，整流桥用于将AC220V市电电网的交流电转变为直流电，通过电容电压检测及充电电路为储能电容器充电，本实施方式中选用型号为6RI100G-160的整流桥。

整流桥的0、1引脚接入市电电网，整流桥的2引脚连接电容电压检测及充电控制电路的4引脚，整流桥的3引脚连接储能电容器的正极。

如图15所示，IGBT全桥整流电路由六对并联的IGBT(T₁～T₆)和续流二极管D₁～D₆构成，IGBT全桥整流电路通过控制IGBT的导通和截止，分时导通摆角电机操动机构绕组电流，驱动摆角电机操动机构转动，本实施方式选用的六个IGBT的型号为Infineon FF300R17KE3。

IGBT全桥整流电路的0引脚连接储能电容器的负极，IGBT全桥整流电路的1引脚连接储能电容器的正极，IGBT全桥整流电路的T1～T6引脚分别连接电力电子控制电路的六个2SC010T升压模块的2引脚，IGBT全桥整流电路的2～7引脚分别连接电力电子控制电路的六个2SC010T升压模块的1引脚，IGBT全桥整流电路的8～13引脚分别连接电力电子控制电路的六个2SC010T升压模块的3引脚，IGBT全桥整流电路的14～16连接高压GIS摆角电机操动机构A、B、C三相线圈。

储能电容器作为摆角电机操动机构的电能来源，在高压GIS隔离开关摆角电机操动机构转动过程中，通过IGBT全桥整流电路为摆角电机操动机构供电，实现隔离开关的分合闸操作，本实施方式选用型号为HCG22000uF/450V的储能电容器。

如图16所示，遥控器模块选用型号为PT2272-M4的遥控器。遥控器模块输出1、输出2、输出3分别连接DSP处理器的GPIO49、GPIO51、GPIO53引脚。

一种高压GIS隔离开关摆角电机操动机构控制方法，包括以下步骤：

步骤1：遥控器模块向DSP处理器发出导通电容电压检测及充电电路的IGBT的指令，电容电压检测及充电电路的IGBT导通，市电电网经过整流桥向储能电容器进行充电，市电电网经过直流电源模块对霍尔电流传感器、旋转编码器、霍尔位置传感器、角位移传感器、DSP处理器、线圈电流检测电路和电力电子控制电路进行供电。

步骤2：电容电压检测及充电电路将储能电容器的电压缩小200倍并传送给DSP处理器，当储能电容器电压值达到额定值350V时，DSP处理器向电容电压检测及充电电路发出截止指令，结束对储能电容器的充电。步骤3：遥控器模块向DSP处理器发出高压GIS隔离开关分闸或合闸操作指令，储能电容器通过IGBT全桥整流电路对高压GIS隔离开关摆角电机操动机构进行供电；

步骤4：霍尔位置传感器采集高压GIS隔离开关摆角电机操动机构转子的位置信号，旋转编码器采集高压GIS隔离开关摆角电机操动机构的转速信号，霍尔电流传感器采集高压GIS隔离开关摆角电机操动机构线圈的电流信号，角位移传感器采集高压GIS隔离开关摆角电机操动机构的角位移信号。

步骤5：位置捕获电路获取高压GIS隔离开关摆角电机操动机构转子的位置信号，IGBT全桥整流电路根据高压GIS隔离开关摆角电机操动机构转子的位置信号控制IGBT全桥整流电路中的IGBT的导通顺序，驱动高压GIS隔离开关摆角电机操动机构旋转。

步骤6：在高压GIS隔离开关摆角电机操动机构转动过程中，将电机转速检测电路获取的高压GIS隔离开关摆角电机操动机构的转速信号、线圈电流检测电路获取的高压GIS隔离开关摆角电机操动机构线圈的电流信号、转子行程检测电路获取的高压GIS隔离开关摆角电机操动机构的角位移信号传送给DSP处理器。

步骤7：DSP处理器根据实时获取的高压GIS隔离开关摆角电机操动机构的转速信号、高压GIS隔离开关摆角电机操动机构线圈的电流信号和高压GIS隔离开关摆角电机操动机构的角位移信号进行PID控制，实时调节高压GIS隔离开关摆角电机操动机构的转速，原理如图17所示。

步骤7.1：在DSP处理器中，将转速检测电路获得的高压GIS隔离开关摆角电机操动机构的转速信号v与预设速度值v_a进行比较，得到误差e和误差变化率ec作为自适应PID控制装置的输入量，并根据误差e和误差变化率ec初步确定PID控制参数：比例参数K_P、积分参数K_I、微分参数K_D。

步骤7.2：在高压GIS隔离开关摆角电机操动机构运动过程中，对参数K_P、K_I、K_D进行调节，调节规则如下：

为了提高PID控制器的工作性能，在调节初期，K_P设定为较大值，提高高压GIS隔离开关摆角电机操动机构控制装置的响应速度，使高压GIS隔离开关线圈电流在短时间内达到峰值，提高输出转矩；在调节中期，K_P设定为较小值，保证系统具有较小的超调和一定的响应速度；在调节后期，将K_P设定为较大值，减小高压GIS隔离开关动作时间误差。

为了避免出现积分饱和问题，在调节初期，减弱积分环节作用，积分参数K_I可以设定为零；在调节中期，积分作用应该设定为适中，保证高压GIS隔离开关摆角电机操动机构控制装置的稳定性；在调节后期，应适当增强积分作用，减小稳态误差。

K_D值的设定对控制装置的动态特性影响很大,K_D值过大，会出现调节过程制动超前现象，导致调节时间过长；K_D值过小，调节过程制动会滞后，导致超调量增大。因此，在调节初期，应加大微分作用，这样可得到较小超调甚至不产生超调；在调节中期,K_D值应设定为较小值并保持不变；在调节后期，K_D值应设定为较大值，增强控制过程的制动作用，减小高压GIS隔离开关合闸弹跳。

步骤7.3：根据调整后的K_P、K_I、K_D控制参数对速度误差值e和误差变化率ec进行计算，得出速度调节误差Δv_e，进而得到电流调节误差i_e＝K_i·Δv_e，其中K_i为电流误差计算常数。

步骤7.4：将线圈电流检测电路得到的实际线圈电流i_c与电流调节误差i_e相加，得到给定电流调节值：i_a＝i_c+i_e。

步骤7.5：根据给定电流调节值确定PWM占空比其中α_k为PWM占空比，幅值范围为0～1；I_max为线圈电流峰值。

步骤7.6：调整DSP处理器事件管理器比较寄存器的比较值COMP实现的对PWM的调整。

步骤7.7：采用计算调整后的PWM驱动摆角电机操动机构完成旋转运动，保证在相同的时间完成隔离开关分、合闸操作。

步骤8：判断高压GIS隔离开关摆角电机操动机构的角位移量是否完成全部行程，若是，高压GIS隔离开关摆角电机操动机构完成分闸或合闸操作，切断市电电网供电，否则，返回步骤4。

Claims (8)

1.一种高压GIS隔离开关摆角电机操动机构控制装置，其特征在于，包括霍尔电流传感器、旋转编码器、霍尔位置传感器、角位移传感器、线圈电流检测电路、电机转速检测电路、位置捕获电路、转子行程检测电路、DSP处理器、整流桥、储能电容器、电容电压检测及充电电路、电力电子控制电路、IGBT全桥整流电路、遥控器模块和直流电源模块；

旋转编码器安装在高压GIS隔离开关摆角电机操动机构主轴同轴位置，霍尔位置传感器安装在高压GIS隔离开关摆角电机操动机构端部，霍尔电流传感器穿过高压GIS隔离开关摆角电机操动机构线圈，角位移传感器安装在高压GIS隔离开关摆角电机操动机构主轴同轴位置；

直流电源模块的输入端和整流桥的输入端分别接入市电电网，直流电源模块的输出端连接霍尔电流传感器的输入端、旋转编码器的输入端、霍尔位置传感器的输入端、角位移传感器的输入端、DSP处理器的一个输入端、线圈电流检测电路的一个输入端和电力电子控制电路的一个输入端，整流桥的不同输出端分别连接储能电容器的正极和电容电压监测及充电电路的一个输入端，储能电容器的正极连接电容电压监测及充电电路的一个输入端，电容电压监测及充电电路的一个输出端连接储能电容器的负极，霍尔电流传感器的输出端连接线圈电流检测电路的另一个输入端，旋转编码器的输出端连接电机转速检测电路的输入端，霍尔位置传感器的输出端连接位置捕获电路的输入端，角位移传感器的输出端连接转子行程检测电路的输入端，线圈电流检测电路的输出端、电机转速检测电路的输出端、位置捕获电路的输出端、转子行程检测电路的输出端、遥控器模块的输出端和电容电压检测及充电电路的一个输出端分别连接DSP处理器的不同输入端，DSP处理器的不同输出端分别连接电容电压检测及充电电路的另一个输入端和电力电子控制电路的输入端，电力电子控制电路的输出端连接IGBT全桥整流电路的输入端，储能电容器的负极连接IGBT全桥整流电路的一路输入端，IGBT全桥整流电路的一个输出端连接储能电容器的正极，IGBT全桥整流电路的输出端连接高压GIS隔离摆角电机操动机构三相输入端。

2.根据权利要求1所述的高压GIS隔离开关摆角电机操动机构控制装置，其特征在于，所述的线圈电流检测电路有三个，每个线圈电流检测电路包括两个运算放大器，且两个运算放大器串联。

3.根据权利要求1所述的高压GIS隔离开关摆角电机操动机构控制装置，其特征在于，所述的电机转速检测电路采用总线收发器。

4.根据权利要求1所述的高压GIS隔离开关摆角电机操动机构控制装置，其特征在于，所述的位置捕获电路有三个，每个位置捕获电路包括一个降压稳压器和两个电容，降压稳压电路与串联的两个电容并联，该降压稳压器的输入端连接霍尔位置传感器的输出端，位置捕获电路的降压稳压器的输出端连接DSP处理器的输入端。

5.根据权利要求1所述的高压GIS隔离开关摆角电机操动机构控制装置，其特征在于，所述的转子行程检测电路包括降压稳压器和两个电容，降压稳压电路与串联的两个电容并联，该降压稳压器的输入端连接角位移传感器，该降压稳压器的输出端连接DSP处理器的输入端。

6.根据权利要求1所述的高压GIS隔离开关摆角电机操动机构控制装置，其特征在于，所述的电力电子控制电路为IGBT驱动电路。

7.根据权利要求1所述的高压GIS隔离开关摆角电机操动机构控制装置，其特征在于，所述的电容电压检测及充电电路包括电容电压检测电路和电容电压充电电路，电容电压检测电路包括第一线性光耦和运算放大器，电容电压充电电路包括第二线性光耦、IGBT和并联电阻，第一线性光耦的输入端连接储能电容器的正极，第一线性光耦的一个输出端连接运算放大器的输入端，第一线性光耦的另一输出端连接并联电阻的一端，运算放大器的输出端连接DSP处理器的输入端，第二线性光耦的两个输出端分别连接储能电容器的负极和IGBT的输入端，第二线性光耦的另一个输出端连接并联电阻，第二线性光耦的输入端连接DSP处理器的输出端。

8.采用权利要求1所述的装置的高压GIS隔离开关摆角电机操动机构控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：遥控器模块向DSP处理器发出导通电容电压检测及充电电路的IGBT的指令，电容电压检测及充电电路的IGBT导通，市电电网经过整流桥向储能电容器进行充电，市电电网经过直流电源模块对霍尔电流传感器、旋转编码器、霍尔位置传感器、角位移传感器、DSP处理器、线圈电流检测电路和电力电子控制电路进行供电；

步骤2：电容电压检测及充电电路将储能电容器的电压缩小200倍并传送给DSP处理器，当储能电容器电压值达到额定值时，DSP处理器向电容电压检测及充电电路发出截止指令，结束对储能电容器的充电；

步骤3：遥控器模块向DSP处理器发出高压GIS隔离开关分闸或合闸操作指令，储能电容器通过IGBT全桥整流电路对高压GIS隔离开关摆角电机操动机构进行供电；

步骤4：霍尔位置传感器采集高压GIS隔离开关摆角电机操动机构转子的位置信号，旋转编码器采集高压GIS隔离开关摆角电机操动机构的转速信号，霍尔电流传感器采集高压GIS隔离开关摆角电机操动机构线圈的电流信号，角位移传感器采集高压GIS隔离开关摆角电机操动机构的角位移信号；

步骤5：位置捕获电路获取高压GIS隔离开关摆角电机操动机构转子的位置信号，IGBT全桥整流电路根据高压GIS隔离开关摆角电机操动机构转子的位置信号控制IGBT全桥整流电路中的IGBT的导通顺序，驱动高压GIS隔离开关摆角电机操动机构旋转；

步骤6：在高压GIS隔离开关摆角电机操动机构转动过程中，将电机转速检测电路获取的高压GIS隔离开关摆角电机操动机构的转速信号、线圈电流检测电路获取的高压GIS隔离开关摆角电机操动机构线圈的电流信号、转子行程检测电路获取的高压GIS隔离开关摆角电机操动机构的角位移信号传送给DSP处理器；

步骤7：DSP处理器根据实时获取的高压GIS隔离开关摆角电机操动机构的转速信号、高压GIS隔离开关摆角电机操动机构线圈的电流信号和高压GIS隔离开关摆角电机操动机构的角位移信号进行PID控制，实时调节高压GIS隔离开关摆角电机操动机构的转速；

步骤8：根据高压GIS隔离开关摆角电机操动机构的角位移信号，判断高压GIS隔离开关摆角电机操动机构的转子是否完成全部行程，若是，则高压GIS隔离开关摆角电机操动机构完成分闸或合闸操作，切断市电电网供电，否则，返回步骤4。