CN106773983B - 一种智能操动机构及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种智能操动机构及控制方法，为智能电网的信息采集和户外高压隔离开关、高压接地开关的安全运行提供实时的可靠保障。所述机构包括动力传动组件和驱动控制模块；动力传动组件包括伺服电机，依次连接在伺服电机输出端的一级减速机和二级减速机；驱动控制模块包括设置在一级减速机或二级减速机上的编码器，DSP/ARM芯片，PC/上位机和多路开关量；DSP/ARM芯片的输入端分别连接编码器、PC/上位机和多路开关量，输出端连接伺服电机控制端；编码器用于采集一级减速机或二级减速机上的角位移信号；PC/上位机用于伺服电机的参数和功能设定；多路开关量用于发送触发指令；DSP/ARM芯片用于对伺服电机进行控制。

Description

一种智能操动机构及控制方法
技术领域
本发明涉及户外高压隔离开关、高压接地开关的操动机构，具体为一种智能操动机构及控制方法。
背景技术
目前，随着科技的迅速发展，我国正在进入以智能科技为特征的新一轮技术变革时代，智能控制技术在各行各业得到了充分的运用。为确保输变电系统的安全性、可靠性，本发明为输变电系统的户外高压隔离开关和高压接地开关提供了一种智能操动机构及控制方法。
现有技术中，高压隔离开关和高压接地开关用的操动机构通常采用单相电机或三相异步电机和不同速比的减速机作为动力源和动力传递装置，操动机构操作过程中，通过安装在减速机输出轴上的拐臂切换限位开关来控制操动机构中电机的转动，最终实现对操动机构输出轴转动角度的控制。该控制方法为开环控制方法，该控制方法只对电机的启动和停止进行控制，而不能对电机的运动过程进行控制，更不能进行程序设定和信息采集、储存。另外，用于不同电压等级的高压隔离开关和高压接地开关的分、合时间、机构的转动角度、所需机构的输出扭矩等各不相同，这就需要设计多种操动机构来分别满足不同电压等级高压隔离开关和高压接地开关的要求。这使现有的操动机构突显出品种多、批量小、生产周期长、成本高的劣势。
本发明所涉及的一种智能操动机构及控制方法，是在伺服控制的基础上结合智能电网的需求，将操动机构的预知需求写入控制系统中，机构在运行过程中实时采集相关数据，并进行比对分析，使操动机构的运行始终处于受控制中，确保满足高压隔离开关和高压接地开关分、合操作的时间、转动角度和时序要求，并对相关信息进行储存。该发明可实现一种操动机构同时可满足多种高压隔离开关和高压接地开关分、合操作的需求，大量减少操动机构的品种。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种智能操动机构及控制方法，为智能电网的信息采集和户外高压隔离开关、高压接地开关的安全运行提供实时的可靠保障。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种智能操动机构，包括动力传动组件和驱动控制模块；所述的动力传动组件包括伺服电机，依次连接在伺服电机输出端的一级减速机和二级减速机；所述的驱动控制模块包括设置在一级减速机或二级减速机上的编码器，DSP/ARM芯片，PC/上位机和多路开关量；DSP/ARM芯片的输入端分别连接编码器、PC/上位机和多路开关量，输出端连接伺服电机控制端；编码器用于采集一级减速机或二级减速机上的角位移信号；PC/上位机用于伺服电机的参数和功能设定；多路开关量用于发送分闸、合闸和停止的触发指令；DSP/ARM芯片用于根据PC/上位机的设定和编码器的反馈，执行多路开关量的触发指令对伺服电机进行控制。
优选的，还包括外围适配模块，外围适配模块包括连接在DSP/ARM芯片输出端的加热器、风扇和报警指示装置。
进一步，还包括与DSP/ARM芯片交互的感知模块；感知模块通过温湿度模块对操动机构的温度和湿度进行温湿度信息采集，通过指示报警模块对操动机构的电流、电压和负载进行运行信息采集；感知模块通过对采集的温湿度信息和运行信息进行阈值比较发送监测信息，经DSP/ARM芯片分别对加热器、风扇和报警指示装置进行控制。
优选的，还包括连接在DSP/ARM芯片输出端的储存模块和显示模块，连接在DSP/ARM芯片上的时钟模块；DSP/ARM芯片对伺服电机进行控制的同时，以时钟模块输出的时间为标签，将控制信息保存到储存模块，并上传至显示模块显示。
优选的，还包括时序端口；所述的时序端口包括多组连接在DSP/ARM芯片输出端的自保持继电器；当分别达到DSP/ARM芯片设置的时序位置时，对应时序位置的自保持继电器线圈接通或断开，对DSP/ARM芯片输出端进行转换和时序控制。
优选的，还包括用于对外接电源进行整流和滤波的EMC电源模块。
优选的，一级减速机和二级减速机均采用齿轮减速装置，二级减速机设置有自锁装置。
一种智能操动机构的控制方法，包括如下步骤，
步骤1，DSP/ARM芯片接收PC/上位机对伺服电机的参数和功能设定；
步骤2，DSP/ARM芯片接收多路开关量发送的分闸、合闸或停止的触发指令；
步骤3，DSP/ARM芯片接收编码器的反馈信号；
步骤4，DSP/ARM芯片根据反馈信号判断伺服电机工作状态，对比触发指令中的目标工作状态，如果相同则发送维持原状态的控制指令，否则发送触发指令中的动作指令作为控制指令；
步骤5，根据PC/上位机设定的参数，伺服电机执行DSP/ARM芯片发送的控制指令；同时实时执行步骤3，当DSP/ARM芯片接收到达到目标工作状态的反馈信号时，发出停止动作的控制指令；
步骤6，根据PC/上位机设定的功能，重复步骤2到步骤5，按照时序依次执行触发指令。
优选的，还包括DSP/ARM芯片接收感知模块监控信号的步骤；感知模块对采集的温湿度信息和运行信息进行阈值比较发送监控信号，当温湿度信息和运行信息超过阈值时，DSP/ARM芯片分别对加热器、风扇和报警指示装置进行控制或发出停止动作的指令。
优选的，还包括时序控制的步骤；根据编码器的反馈信号，通过DSP/ARM芯片对自保持继电器的开闭点位置的独立设置，当分别达到DSP/ARM芯片设置的时序位置时，自保持继电器线圈接通或断开，对DSP/ARM芯片输出端进行转换和时序控制。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明以伺服控制技术为核心，通过编码器、传感器及相关通讯技术的有机链接实现数据的实时采集、数据分析和判断、信息反馈功能，进而实现操动机构的智能控制。以使户外高压隔离开关、高压接地开关在开断和关合的操作过程中始终处于受控之中，最终达到所需的状态。通过PC/上位机对输出角度、操作时间任意进行设定、调整，同一台机构可适于不同电压等级的高压隔离开关、高压接地开关开关特的要求，可大幅度减少操动机构的品种，降低成本。
进一步的，利用显示模块和储存模块，能显示出设置的各种数据信息，以及工作状态下实时监测的数据，具有人机交互功能，同时能实时将监测到的工作状态的数据、故障信息上传并储存，供用户和技术人员对高压开关运行状态进行监测、分析和故障排除。
进一步的，通过时序端口的设置和驱动具有时序输出功能并可控，可满足GB1985中“关于操动机构时序信号标准要求”规定，以及用户对操动机构能特殊时序要求。
附图说明
图1为本发明实例中所述智能操动机构的原理框图。
图2为本发明实例中所述智能操动机构的结构框图。
图3为本发明实例中所述驱动控制模块的结构连接框图。
图4为本发明实例中所述感知模块原理框图。
图5为本发明实例中所述储存模块原理框图。
图6为本发明实例中所述时序端口原理框图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明一种智能操动机构包括：动力传动组件、驱动控制模块和外围适配模块。用于户外高压隔离开关和高压接地开关。
动力传动组件由伺服电机提供动力，动力的传动由一级齿轮减速装置和具有自锁功能的二级蜗轮减速机组成，之后经过输出轴和输出接头将操动机构的扭矩传输给高压开关设备，实现分、合闸操作。为确保输出位置的精确控制，将编码器与一级减速机或二级减速机连接，转动中实时测量光电码盘各道刻线，并将监测到的位置信号反馈给驱动控制模块，驱动控制模块根据反馈的数据对伺服电机输出信号进行补偿或调整。
驱动控制模块包括DSP/ARM芯片，以及分别与DSP/ARM芯片交互的EMC电源模块、编码器、PC/上位机、、多路开关量、感知模块、时序端口、储存模块、时钟模块、显示模块，能够通过显示屏实现人机交互功能。
通过PC/上位机设定机构的旋转角度、动作时间等参数。在机构分合闸动作中，控制模块对接收到的信息进行解析、比对，判断后通过通讯端口发送不同频率的脉冲信号，对操动机构的分、合闸进行控制，形成闭环控制。
所述PC/上位机可对时序端口进行参数设置和调整，由编码器进行位置信号跟踪反馈，经运算处理后即可实现对时序端口的I/O时序转换功能，满足GB1985标准中“关于时序输出”的要求和用户特殊的时序要求。
显示模块可显示设置的数据信息以及工作状态的实时监测的数据，例如，运行时间、角度及电流、电压、温度、湿度和故障信息等。
储存模块通过外扩EEPROM实现运行中数据的存储与更新，在系统发生故障时，对相应位置信息(如编码器信息)、感知信息(如：传感器信息)、故障信息(故障模式、故障时间、故障类型等)进行存储；并能在故障解除后读取这些信息。
DSP/ARM芯片通过串行接口接受PC/上位机或者多路开关量发送的指令，同时接受编码器以及感知模块的反馈信号，DSP/ARM芯片控制模块对接受的指令和反馈信号经过判断、解析、运算、处理后一方面对运行机构进行控制，另一方面将运行信息和监测信息保存到储存模块，同时上传至显示模块上，且所有活动信息都是在时钟模块状态监测下进行的。
采用绝对值编码器将采集的角位移或行程信号转换成数字信号反馈给控制驱动模块进行闭环控制。
采用感知集成技术，通过电流电压互感器以及复合传感器对温湿度以及故障信息采集反馈；复合传感器采用一个电容式聚合体测湿元件和一个能隙式测温元件，并与一个14位的A/D转换器以及串行接口电路在同一芯片上形成。
外围适配模块包括：闭锁装置、手动操作装置、风扇以及加热装置，并全部装在密封的操动机构箱体中。闭锁装置适用于智能操动机构的手动操作、自动操作之间以及就地操作、远方操作之间的互锁功能。手动装置适用于智能操动机构在失电的情况下对操动机构进行分、合闸操作。
具体的，如图1所示，智能操动机构包括以动力传动装置为主体的执行部分，以及以驱动控制模块为主体的控制部分。
如图2所示，动力传动组件包括伺服电机、采用齿轮减速机的一级减速机和采用蜗轮减速机的二级减速机；驱动控制模块包括EMC电源模块、DSP/ARM芯片、编码器、多路开关和PC/上位机。EMC电源模块可按需求接受DC110V、DC222V、AC220等不同的外接电源，经过EMC电源模块的整流、滤波、稳压后进入DSP/ARM芯片，经驱DSP/ARM芯片内部逆变后分别给伺服电机、编码器、PC/上位机、感知模块提供电源。其中DSP/ARM芯片是伺服电机的驱动器模块和控制器模块功能合并后的产物，形成硬件和软件两部分，其中控制软件采用驱动型运行机制，结合编码器、传感器采集的实时信号进行反馈，驱动器实时解算及运行。PC/上位机用于控制指令的设置和判别，故障自诊断等功能分别由不同函数实现，各部分功可以分别独立编程调试，确保伺服控制软件高效稳定地运行。
如图3所示，驱动控制模块中包括，用于中央算术逻辑处理的DSP/ARM芯片；用于对驱动控制器参数修改、设定功能的PC/上位机终端；可以对采集的数据及运行数据显示的显示模块；编码器与二级减速装置结合，将采集的角位移信号转换成数字信号并反馈给DSP/ARM芯片；用于发送分闸、合闸、停止等外部信号给控制器的多路开关量；用于温湿度、电流、电压及负载异常监测、报警等功能的感知模块；通过位置信号反馈，对时序端口的I/O位置设置，实现时序端口I/O输出的时序端口；对系统中采集的各种数据进行储存的储存模块；实现时间复位和管理的时钟模块；实现电源保护的EMC电源模块。所有开关量均为上升沿触发。
外接电源经EMC电源模块整流、滤波后进入驱动控制模块，由驱动控制模块逆变后给伺服电机提供电源，同时给编码器和PC/上位机供电，开机后通过PC/上位机设置高压开关所需的特性参数，成功后，通过多路开关量对DSP/ARM芯片输入命令，DSP/ARM芯片对接收的命令进行判断、解析、运算、处理后通过通讯端口对伺服电机进行控制。伺服电机输出的动力扭矩经过一级齿轮减速机和具有自锁功能的二级减速机，最终通过操动机构输出轴上的接头和高压开关连接，带动高压开关进行开断或关合，实现输配电线路的开断或关合。
操动机构通电后控制系统进入PC/上位机参数模式，根据高压开关所需特性参数，通过通讯端口对DSP/ARM芯片进行参数设置，并初始化。系统自检测成功后，通过开关量或PC/上位机对驱动控制模块进行信号指令触发，驱动控制模块对接收的指令进行判断、解析、运算，同时通过通讯端口对伺服电机发送脉冲信号对其进行运行控制。
本发明所述的一种智能操动机构，能够实现如下功能。
(1)控制器硬件电路初始化。
(2)采集传感器反馈信息。
(3)根据伺服机构工作模式，按照相应的算法实时解算并实现角度闭环。
(4)通过RS-422总线接受计算机指令，并按照指令设置系统工作模式，完成相应的流程，通过RS-422总线向计算机输出系统工作状态信息。
(5)利用增强型UART与显示器进行通讯，实现要求的显示功能。
(6)对智能机构的工作状态进行实时监测，发现故障立即执行并相应的保护操作，及时输出监测到的故障信息。
(7)实现对用于时序端口控制，通过在一定转角下转换后控制自保持继电器线圈电压通断，进行时序端口的I/O切换。
(8)程序中设置温湿度采集及控制模块，对温湿度数据进行采集并控制加热器工作，同时利用增强型UART与显示器进行通讯，将温湿度信息显示在显示屏上。
(9)通过扩展并口程序采集绝对值编码器信号，保护程序可实现伺服电机在规定的两个位置之间运动，运动过程中掉电后，在不使用外部辅助电源的情况下记忆记住当前位置以及目标位置。在外部再次恢复供电时，电机不能自行转动，且在得到操作命令后，准确运动到目标位置。
(10)通过RS-422总线，在测控系统的配合下，完成智能操动机构运行。
本发明一种智能操动机构的控制方法，其中DSP/ARM芯片通过串行接口接受PC/上位机或者多路开关量发送的分闸、合闸、停止等触发指令，同时接受编码器以及感知模块的反馈信号。DSP/ARM芯片对接受的指令和反馈信号经过判断、解析、运算、处理后一方面对伺服电机发出控制指令，另一方面将将控制信息和监测信息保存到储存模块，同时上传至显示模块上，所有活动信息都是在时钟模块状态监测下进行的；具体包括如下步骤。
步骤1，DSP/ARM芯片接收PC/上位机对伺服电机的参数和功能设定；
步骤2，DSP/ARM芯片接收多路开关量发送的分闸、合闸或停止的触发指令；
步骤3，DSP/ARM芯片接收编码器的反馈信号；
步骤4，DSP/ARM芯片根据反馈信号判断伺服电机工作状态，对比触发指令中的目标工作状态，如果相同则发送维持原状态的控制指令，否则发送触发指令中的动作指令作为控制指令；
步骤5，根据PC/上位机设定的参数，伺服电机执行DSP/ARM芯片发送的控制指令；同时实时执行步骤3，当DSP/ARM芯片接收到达到目标工作状态的反馈信号时，发出停止动作的控制指令；
步骤6，根据PC/上位机设定的功能，重复步骤2到步骤5，按照时序依次执行触发指令。
还包括DSP/ARM芯片接收感知模块监控信号的步骤；感知模块对采集的温湿度信息和运行信息进行阈值比较发送监测信号，当温湿度信息和运行信息超过阈值时，DSP/ARM芯片分别对加热器、风扇和报警指示装置进行控制或发出停止动作的指令。同时将控制信息和监测信息保存到储存模块，并上传至显示模块显示。
还包括时序控制的步骤；根据编码器的反馈信号，通过DSP/ARM芯片对自保持继电器的开闭点位置的独立设置，当分别达到DSP/ARM芯片设置的时序位置时，自保持继电器线圈接通或断开，对DSP/ARM芯片输出端进行转换和时序控制。
具体的，如图4所示，感知模块通过传感器对温湿度模块的信息进行采集，并对指示报警模块的电流、电压及负载等信息监测，且通过串行接口将这些数据上传至显示模块或PC/上位机上。当温湿度模块感知的温度、湿度超过设定值时会接通或断开加热器，调节箱体内部温度和湿度。当报警模块监测到电流、电压及负载的某一参数超过设定值时会接通报警回路进行报警提示。
如图4所示，储存模块中DSP/ARM芯片获取故障信息，配合时钟模块所提供的当前时间信息组合成一条记录信息存放于EEPPROM存储芯片中。PC/上位机通过相应的软件工具可以通过RS485接口将EEPPROM中的记录信息读取出并显示在软件界面上，用于工作状态的监控和故障分析。
如图6所示，时序端口模块是在PCB板上设置了多组自保持继电器，结合编码器闭环位置反馈信号，通过DSP/ARM芯片对时序端口中自保持继电器的开、闭点位置独立设置，当分别达到设置的时序位置时，自保持继电器线圈接通或断开，对输出端口的I/O进行转换和时序控制，实现输出端口的时序功能，满足GB1985标准中对操动机构时序或用户对时序的特殊要求。
所述的控制方法是由伺服技术和控制技术组合而成的新技术，在高压开关操动机构运行的过程中对运行状态进行监测、反馈，形成闭环控制。当给出分/合闸指令后，控制驱动器会根据从绝对值编码器处获得的位置信息判断操动机构是否需要转动以及转动的方向和角度位置。
结合附图，对本发明的原理、结构以及控制方法进行了描述，但是本发明的实现并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，本领域的技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明的宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (7)

1.一种智能操动机构，其特征在于，包括动力传动组件和驱动控制模块；用于户外高压隔离开关和高压接地开关；
所述的动力传动组件包括伺服电机，依次连接在伺服电机输出端的一级减速机和二级减速机；一级减速机和二级减速机均采用齿轮减速装置，二级减速机设置有自锁装置；
所述的驱动控制模块包括设置在一级减速机或二级减速机上的编码器，DSP/ARM芯片，PC/上位机和多路开关量；DSP/ARM芯片的输入端分别连接编码器、PC/上位机和多路开关量，输出端连接伺服电机控制端；
编码器用于采集一级减速机或二级减速机上的角位移信号；PC/上位机用于伺服电机的参数和功能设定；多路开关量用于发送分闸、合闸和停止的触发指令；DSP/ARM芯片用于根据PC/上位机的设定和编码器的反馈，执行多路开关量的触发指令对伺服电机进行控制；通过PC/上位机设定机构的旋转角度、动作时间等参数；
在机构分合闸动作中，控制模块对接收到的信息进行解析、比对，判断后通过通讯端口发送不同频率的脉冲信号，对操动机构的分、合闸进行控制，形成闭环控制；
还包括外围适配模块，外围适配模块包括连接在DSP/ARM芯片输出端的加热器、风扇和报警指示装置；
还包括与DSP/ARM芯片交互的感知模块；感知模块通过温湿度模块对操动机构的温度和湿度进行温湿度信息采集，通过指示报警模块对操动机构的电流、电压和负载进行运行信息采集；感知模块通过对采集的温湿度信息和运行信息进行阈值比较发送监测信息，经DSP/ARM芯片分别对加热器、风扇和报警指示装置进行控制。
2.根据权利要求1所述的一种智能操动机构，其特征在于，还包括连接在DSP/ARM芯片输出端的储存模块和显示模块，连接在DSP/ARM芯片上的时钟模块；DSP/ARM芯片对伺服电机进行控制的同时，以时钟模块输出的时间为标签，将控制信息保存到储存模块，并上传至显示模块显示。
3.根据权利要求1所述的一种智能操动机构，其特征在于，还包括时序端口；所述的时序端口包括多组连接在DSP/ARM芯片输出端的自保持继电器；当分别达到DSP/ARM芯片设置的时序位置时，对应时序位置的自保持继电器线圈接通或断开，对DSP/ARM芯片输出端进行转换和时序控制。
4.根据权利要求1所述的一种智能操动机构，其特征在于，还包括用于对外接电源进行整流和滤波的EMC电源模块。
5.一种智能操动机构的控制方法，其特征在于，包括如下步骤，
步骤1，DSP/ARM芯片接收PC/上位机对伺服电机的参数和功能设定；
步骤2，DSP/ARM芯片接收多路开关量发送的分闸、合闸或停止的触发指令；
步骤3，DSP/ARM芯片接收编码器的反馈信号；
步骤4，DSP/ARM芯片根据反馈信号判断伺服电机工作状态，对比触发指令中的目标工作状态，如果相同则发送维持原状态的控制指令，否则发送触发指令中的动作指令作为控制指令；
步骤5，根据PC/上位机设定的旋转角度、动作时间等参数，伺服电机执行DSP/ARM芯片发送的控制指令；同时实时执行步骤3，当DSP/ARM芯片接收到达到目标工作状态的反馈信号时，发出停止动作的控制指令；
在机构分合闸动作中，控制模块对接收到的信息进行解析、比对，判断后通过通讯端口发送不同频率的脉冲信号，对操动机构的分、合闸进行控制，形成闭环控制；
步骤6，根据PC/上位机设定的功能，重复步骤2到步骤5，按照时序依次执行触发指令。
6.根据权利要求5所述的一种智能操动机构的控制方法，其特征在于，还包括DSP/ARM芯片接收感知模块监控信号的步骤；感知模块对采集的温湿度信息和运行信息进行阈值比较发送监控信号，当温湿度信息和运行信息超过阈值时，DSP/ARM芯片分别对加热器、风扇和报警指示装置进行控制或发出停止动作的指令。
7.根据权利要求5所述的一种智能操动机构的控制方法，其特征在于，还包括时序控制的步骤；根据编码器的反馈信号，通过DSP/ARM芯片对自保持继电器的开闭点位置的独立设置，当分别达到DSP/ARM芯片设置的时序位置时，自保持继电器线圈接通或断开，对DSP/ARM芯片输出端进行转换和时序控制。
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