CN108735538B - 一种同步控制的高压断路器电机操动机构及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种同步控制的高压断路器电机操动机构及其控制方法，属于高压电气设备控制技术领域。一种同步控制的高压断路器电机操动机构，包括调压器、低压直流电源单元、整流储能单元、电压检测单元、过零点检测单元、主处理器单元、隔离驱动单元、逆变单元、永磁无刷直流电机、信号采集单元、传动机构和断路器，本发明通过信号采集单元与过零点检测单元的配合，实时检测电网电压与电流的相位，有效减小操作过电压和涌流，延长开关使用寿命。

Description

一种同步控制的高压断路器电机操动机构及其控制方法
技术领域
本发明涉及高压电气设备控制技术领域，特别涉及一种同步控制的高压断路器电机操动机构及其控制方法。
背景技术
随着我国智能电网技术的深入发展，电力系统对高压电器设备的可靠性以及智能化操作水平提出了更高的要求。高压断路器作为电力系统中重要的开关设备，担负着保护和控制电路的双重任务，其性能好坏是决定电力系统能否安全运行的重要因素之一。断路器既要在正常工作情况下接通或开断负载电流，又要在系统处于过载、欠压、短路等故障状态下及时自动切断故障电路，从而实现对用电设备和系统本身的保护作用。高压断路器分、合闸操作是由操动机构带动动触头完成，操动机构是断路器的重要组成部分，其性能的好坏将直接影响断路器整体机能的优劣。在操动机构不采用任何控制策略的情况下，断路器分、合闸操作相位是随机的，不仅会引起涌流、操作过电压并且会增加电弧能量对灭弧室的烧蚀，甚至可能导致开断短路电流失败，造成更加严重的后果。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明通过采用信号采集单元与过零点检测单元的配合，实时检测电网电压与电流的相位，精确控制断路器的分合闸相位，并通过主处理器单元发出控制命令，使永磁无刷直流电机与传动机构相连并带动断路器的动触头运动，实现断路器在电压过零时合闸，保证目标相位精准度的关键。
本发明提供了一种同步控制的高压断路器电机操动机构，所述同步控制的高压断路器电机操动机构包括调压器、低压直流电源单元、整流储能单元、电压检测单元、过零点检测单元、主处理器单元、隔离驱动单元、逆变单元、永磁无刷直流电机、信号采集单元、传动机构和断路器；
所述调压器、低压直流电源单元和过零点检测单元的电源输入端均连接市电，所述调压器的输出端电连接整流储能单元的输入端，所述整流储能单元的输出端分别电连接电压检测单元和逆变单元的第一输入端，所述电压检测单元和过零点检测单元的输出端分别电连接主处理器单元的第一输入端和第二输入端，所述主处理器单元的输出端电连接隔离驱动单元的输入端，所述隔离驱动单元的输出端电连接逆变单元的第二输入端，所述逆变单元的输出端电连接永磁无刷直流电机的三相绕组，所述永磁无刷直流电机的输出端电连接信号采集单元的输入端，所述永磁无刷直流电机固定连接传动机构，所述信号采集单元的输出端电连接主处理器单元的第三输入端，所述传动机构连接断路器触头端；
所述低压直流电源单元的±12V引脚分别电连接信号采集单元的正负极和过零点检测单元的正负极，低压直流电源单元的+3.3V引脚电连接主处理器单元的VCC引脚，所述低压直流电源单元的+15V引脚电连接隔离驱动单元的VCC引脚，且电压检测单元的正极电连接低压直流电源单元的+15V或+12V引脚，电压检测单元的负极接地；
所述信号采集单元包括霍尔电流传感器、霍尔位置传感器、角位移传感器和旋转编码器，所述旋转编码器和角位移传感器的输出端作为信号采集单元的输出端电连接主处理器单元的第三输入端，所述霍尔电流传感器固定安装在永磁无刷直流电机的三相线圈内，所述霍尔位置传感器固定安装在永磁无刷直流电机的顶端部，所述角位移传感器和旋转编码器均固定安装在永磁无刷直流电机主轴同轴位置，且角位移传感器的外壁套接有旋转编码器，所述永磁无刷直流电机的转子主轴固定连接传动机构。
所述整流储能单元包括第一整流二极管D1、第二整流二极管D2、第三整流二极管D3、第四整流二极管D4和并联储能电容器组C0，所述调压器的一个输出端电连接到第一整流二极管D1的阴极和第三整流二极管D3的阳极，且调压器的另一个输出端电连接到第二整流二极管D2的阴极和第四整流二极管D4的阳极，所述并联储能电容器组C0的正极连接到第三整流二极管D3阴极和第四整流二极管D4阴极的连接处，且并联储能电容器组C0的负极连接到第一整流二极管D1阳极和第二整流二极管D2阳极的连接处，所述并联储能电容器组C0的正负极作为整流储能单元的输出端分别电连接电压检测单元的正负极和逆变单元的正负极。
所述过零点检测单元包括电阻R11、电流型电压互感器TV1013-1M、电容C7、电容C8、电阻R12、可调电阻R13、电阻R14、可调电阻R15、电阻R20、电阻R21和双运算放大器OP07，所述双运算放大器OP07包括第一运算放大器OP07和第二运算放大器OP07，所述电阻R11和电压互感器TV1013-1M的输入端串联，电阻R21并联到电压互感器TV1013-1M输出端的两端，所述电容C7的一端电连接电压互感器TV1013-1M输出端，且电容C7的另一端通过R12连接到第一运算放大器OP07的负极端，所述可调电阻R13的两端分别电连接第一运算放大器OP07的负引脚和第一运算放大器OP07的输出端，所述可调电阻R15的一端电连接第一运算放大器OP07的正引脚，且可调电阻R15的另一端电连接第二运算放大器OP07的负引脚，所述第一运算放大器OP07的输出端通过R14电连接第二运算放大器OP07的正引脚，且电容C8和电阻R20并联后的一端电连接第二运算放大器OP07的负引脚，电容C8和电阻R20并联后的另一端电连接第二运算放大器OP07的输出端，所述第二运算放大器OP07的输出端电连接主处理器单元。
所述主处理器单元采用型号为TMS320F28335的DSP处理器，所述DSP处理器的ADCINA0引脚电连接电压检测单元，所述DSP处理器的ADCINA1～3引脚电连接霍尔电流传感器的检测电路，所述DSP处理器的ADCINA4引脚电连接角位移传感器的检测电路，所述DSP处理器的ADCINA5引脚电连接过零点检测单元的检测电路，DSP处理器的XCAP1～3引脚电连接位置霍尔位置传感器的检测电路，DSP处理器的XCAP4～5引脚电连接旋转编码器的速度检测电路，DSP处理器的PWM1～6引脚电连接隔离驱动单元的电路，DSP处理器的VCC引脚电连接低压直流电源单元的+3.3V引脚。
所述逆变单元包括第一开关管V1、第二开关管V2、第三开关管V3、第四开关管V4、第五开关管V5、第六开关管V6、第五续流二极管D5、第六续流二极管D6、第七续流二极管D7、第八续流二极管D8、第九续流二极管D9、第十续流二极管D10、第十一续流二极管D11、第十二续流二极管D12、第十三续流二极管D13、第十四续流二极管D14、第十五续流二极管D15、第十六续流二极管D16、第一缓冲电阻R1、第二缓冲电阻R2、第三缓冲电阻R3、第四缓冲电阻R4、第五缓冲电阻R5、第六缓冲电阻R6、第一吸收电容C1、第二吸收电容C2、第三吸收电容C3、第四吸收电容C4、第五吸收电容C5和第六吸收电容C6；
所述并联储能电容器组C0的正极电连接第一开关管V1的集电极、第五续流二极管D5的阴极、第一缓冲电阻R1的一端、第十一续流二极管D11的阳极、第三开关管V3的集电极、第七续流二极管D7的阴极、第三缓冲电阻R3的一端、第十三续流二极管D13的阳极、第五开关管V5的集电极、第九续流二极管D9的阴极、第五缓冲电阻R5的一端和第十五续流二极管D15的阳极，且第十一续流二极管D11的阴极并联在第一缓冲电阻R1的另一端并与第一吸收电容C1的一端串联，第十三续流二极管D13的阴极并联在第三缓冲电阻R3的另一端并与第三吸收电容C3的一端串联，所述第十五续流二极管D15的阴极并联在第五缓冲电阻R5的另一端并联与第五吸收电容C5的另一端并联；
所述并联储能电容器组C0的负极电连接到第二开关管V2的发射极、第六续流二极管D6的阳极、第二吸收电容C2的一端、第四开关管V4的发射极、第八续流二极管D8的阳极、第四吸收电容C4的一端、第六续流二极管V6的发射极、第十续流二极管D10的阳极和第六吸收电容C6的一端，所述第二吸收电容C2的另一端串联第二缓冲电阻R2的一端，且第十二续流二极管D12并联第二缓冲电阻R2，所述第十二续流二极管D12的阴极与第二吸收电容C2相连，所述第四吸收电容C4的一端的另一端串联第第四缓冲电阻R4的一端，且第十四续流二极管D14并联第四缓冲电阻R4，所述第十四续流二极管D14的阴极与第四吸收电容C4相连，所述第六吸收电容C6的另一端串联第六缓冲电阻R6的一端，且第十六续流二极管D16并联第六缓冲电阻R6，所述第十六续流二极管D16的阴极与第四吸收电容C6相连；
所述第一开关管V1的发射极电连接到第五续流二极管D5的阳极、第一吸收电容C1的另一端、第二开关管V2的集电极、第六续流二极管D6的阴极、第二缓冲电阻R2的另一端、第十二续流二极管D12的阳极和永磁无刷直流电机三相绕组的A相；
所述第三开关管V3的发射极电连接到第七续流二极管D7的阳极、第三吸收电容C3的另一端、第四开关管V4的集电极、第八续流二极管D8的阴极、第四缓冲电阻R4的另一端、第十四续流二极管D14的阳极和永磁无刷直流电机三相绕组的B相；
所述第五开关管V5的发射极连接到第九续流二极管D9的阳极、第五吸收电容C5的另一端、第六开关管V6的集电极、第十续流二极管D10的阴极、第六缓冲电阻R6的另一端、第十六续流二极管D16的阳极和永磁无刷直流电机三相绕组的C相。
所述隔离驱动单元采用六单元的IGBT驱动板DA962D7，所述隔离驱动单元的GND引脚接地，隔离驱动单元的VCC引脚电连接低压直流电源单元的+15V引脚，所述隔离驱动单元的Vi1～6引脚分别电连接主处理器单元中DSP处理器的PWM1～6引脚，且隔离驱动单元的Output1～6引脚分别电连接逆变单元中开关管V1～V6的基极。
所述一种同步控制的高压断路器电机操动机构的控制方法，所述方法包括：
步骤1、市电通过调压器和整流储能单元进行整流和储能，同时，市电通过低压直流电源单元给主处理器单元提供低压直流电压；
步骤2、市电通过过零点检测单元实时监测电网电压、电流的过零点并反馈给主处理器单元；
步骤3、主处理器单元发出PWM信号并经隔离驱动单元控制IGBT驱动板的导通；
步骤4、当IGBT驱动板导通后，通过逆变单元吸收残余电荷，并对储能电容进行放电；
步骤5、逆变单元控制永磁无刷直流电机开始转动，所述断路器关合或开断的信号在O时刻发出，主处理器单元通过采集电网电压或电流信号，确定目标相位时刻tm，其中目标相位计算所用时间为Tf，之后发出控制命令信号，经过延迟时间Td后触发传动机构动作，再经过断路器合闸时间Tc或分闸时间To后使动静触头在目标相位时刻接触或分离，在永磁无刷直流电机运行的同时，霍尔电流传感器对绕组电流进行采集检测，霍尔位置传感器对电机转动位置进行采集检测，角位移传感器对电机的转动角度进行采集检测，旋转编码器对电机的转动速度进行采集检测，将采集检测的多信号反馈给主处理器单元，用来实时调节永磁无刷直流电机的转速并控制开关管的导通与关闭，所述断路器在分闸时会产生电弧，所述电弧燃烧时间为Tarc，最终完成断路器的相控合闸或分闸操作。
所述整流储能单元采用第一整流二极管D1、第二整流二极管D2、第三整流二极管D3和第四整流电极管D4进行整流，采用并联储能电容器组C0进行储能。
有益效果：本发明通过采用信号采集单元与过零点检测单元的配合，实时检测电网电压与电流的相位，精确控制断路器的分合闸相位，并通过主处理器单元发出控制命令，使永磁无刷直流电机与传动机构相连并带动断路器的动触头运动，实现断路器在电压过零时合闸，电流过零时分闸，保证了目标相位的精准度，有效地减小操作的过电压和涌流，减小过电压和电弧能量对灭弧室的烧蚀，延长开关使用寿命。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中的同步控制的高压断路器电机操动机构的结构框图；
图2为本发明具体实施方式中的同步控制的高压断路器电机操动机构的电路连接图；
图3为本发明中低压直流电源单元的接线图；
图4为本发明中整流储能单元的电路图；
图5为本发明中主处理器单元的电路图；
图6为本发明中逆变单元的电路图；
图7为本发明中隔离驱动单元的电路图；
图8为本发明中转子位置检测单元的电路图；
图9为本发明中电机转速测量单元的电路图；
图10为本发明中电机转速测量单元中旋转编码器的电信号输出波形图；
图11为本发明中电机三相绕组电流检测单元的电路图；
图12为本发明中角位移检测单元的电路图；
图13为本发明中过零点检测单元的电路图；
图14为本发明中同步控制操作的时序图。
图中：1、调压器，2、低压直流电源单元，3、整流储能单元，4、电压检测单元，5、过零检测单元，6、主处理器单元，7、隔离驱动单元，8、逆变单元，9、永磁无刷直流电机，10、信号采集单元，1001、霍尔电流传感器，1002、霍尔位置传感器，1003、角位移传感器，1004、旋转编码器，11、传动机构，12、断路器，13、光栅盘，14、感光元件,15、霍尔元件，16、电机绕组，17、磁芯。
具体实施方式
下面将结合发明实施例中的附图，对发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，
如图1所示，本发明提供了一种同步控制的高压断路器电机操动机构，所述同步控制的高压断路器电机操动机构包括调压器1、低压直流电源单元2、整流储能单元3、电压检测单元4、过零点检测单元5、主处理器单元6、隔离驱动单元7、逆变单元8、永磁无刷直流电机9、信号采集单元10、传动机构11和断路器12；
如图2所示，所述调压器1、低压直流电源单元2和过零点检测单元5电源输入端均连接市电，所述调压器1的输出端电连接整流储能单元3的输入端，所述整流储能单元3的输出端分别电连接电压检测单元4和逆变单元8的第一输入端，所述电压检测单元4和过零点检测单元5的输出端分别电连接主处理器单元6的第一输入端和第二输入端，所述主处理器单元6的输出端电连接隔离驱动单元7的输入端，所述隔离驱动单元7的输出端电连接逆变单元8的第二输入端，所述逆变单元8的输出端电连接永磁无刷直流电机9的三相绕组，所述永磁无刷直流电机9的输出端电连接信号采集单元10的输入端，所述永磁无刷直流电机9固定连接传动机构11，所述信号采集单元10的输出端电连接主处理器单元6的第三输入端，所述传动机构11连接断路器12触头端；
如图3所示，所述低压直流电源单元2的±12V引脚分别电连接信号采集单元10的正负极和过零点检测单元5的正负极，低压直流电源单元2的+3.3V引脚电连接主处理器单元6的VCC引脚，所述低压直流电源单元2的+15V引脚电连接隔离驱动单元7的VCC引脚，且电压检测单元4的正极电连接低压直流电源单元2的+15V或+12V引脚，电压检测单元4的负极接地；
所述信号采集单元10包括霍尔电流传感器1001、霍尔位置传感器1002、角位移传感器1003和旋转编码器1004，所述霍尔电流传感器1001用来采集永磁无刷直流电机9的三相绕组电流，所述霍尔位置传感器1002用来采集永磁无刷直流电机9的转子位置，所述角位移传感器1003用来采集永磁无刷直流电机9的转动角度，所述旋转编码器1004用来采集永磁无刷直流电机9的转速，所述旋转编码器1004和角位移传感器1003的输出端作为信号采集单元10的输出端电连接主处理器单元6的第三输入端，所述霍尔电流传感器1001固定安装在永磁无刷直流电机9的三相线圈内，所述霍尔位置传感器1002固定安装在永磁无刷直流电机9的顶端部，所述角位移传感器1003和旋转编码器1004均固定安装在永磁无刷直流电机9主轴同轴位置，且角位移传感器1003的外壁套接有旋转编码器1004，所述永磁无刷直流电机9的转子主轴固定连接传动机构11。
具体而言，如图4所示，所述整流储能单元3包括第一整流二极管D1、第二整流二极管D2、第三整流二极管D3、第四整流二极管D4和并联储能电容器组C0，所述调压器1的一个输出端电连接到第一整流二极管D1的阴极和第三整流二极管D3的阳极，且调压器1的另一个输出端电连接到第二整流二极管D2的阴极和第四整流二极管D4的阳极，所述并联储能电容器组C0的正极连接到第三整流二极管D3阴极和第四整流二极管D4阴极的连接处，且并联储能电容器组C0的负极连接到第一整流二极管D1阳极和第二整流二极管D2阳极的连接处，所述市电经过调压器1调压后，经整流单元进行整流，整流后的电压向并联储能电容器组C0充电，并以此作为永磁无刷直流电机9转动的能量，所述并联储能电容器组C0的正负极作为整流储能单元3的输出端分别电连接电压检测单元4的正负极和逆变单元8的正负极。
具体而言，如图5所示，所述主处理器单元6采用型号为TMS320F28335的DSP处理器，所述DSP处理器的ADCINA0引脚电连接电压检测单元4，所述DSP处理器的ADCINA1～3引脚电连接霍尔电流传感器1001的检测电路，所述DSP处理器的ADCINA4引脚电连接角位移传感器1004的检测电路，所述DSP处理器的ADCINA5引脚电连接过零点检测单元5的检测电路，DSP处理器的XCAP1～3引脚电连接位置霍尔位置传感器1002的检测电路，DSP处理器的XCAP4～5引脚电连接旋转编码器1004的速度检测电路，DSP处理器的PWM1～6引脚电连接隔离驱动单元7的电路，DSP处理器的VCC引脚电连接低压直流电源单元2的+3.3V引脚。
具体而言，如图6所示，所述逆变单元8包括第一开关管V1、第二开关管V2、第三开关管V3、第四开关管V4、第五开关管V5、第六开关管V6、第五续流二极管D5、第六续流二极管D6、第七续流二极管D7、第八续流二极管D8、第九续流二极管D9、第十续流二极管D10、第十一续流二极管D11、第十二续流二极管D12、第十三续流二极管D13、第十四续流二极管D14、第十五续流二极管D15、第十六续流二极管D16、第一缓冲电阻R1、第二缓冲电阻R2、第三缓冲电阻R3、第四缓冲电阻R4、第五缓冲电阻R5、第六缓冲电阻R6、第一吸收电容C1、第二吸收电容C2、第三吸收电容C3、第四吸收电容C4、第五吸收电容C5和第六吸收电容C6；
所述并联储能电容器组C0的正极电连接第一开关管V1的集电极、第五续流二极管D5的阴极、第一缓冲电阻R1的一端、第十一续流二极管D11的阳极、第三开关管V3的集电极、第七续流二极管D7的阴极、第三缓冲电阻R3的一端、第十三续流二极管D13的阳极、第五开关管V5的集电极、第九续流二极管D9的阴极、第五缓冲电阻R5的一端和第十五续流二极管D15的阳极，且第十一续流二极管D11的阴极并联在第一缓冲电阻R1的另一端并与第一吸收电容C1的一端串联，第十三续流二极管D13的阴极并联在第三缓冲电阻R3的另一端并与第三吸收电容C3的一端串联，所述第十五续流二极管D15的阴极并联在第五缓冲电阻R5的另一端并联与第五吸收电容C5的另一端并联；
所述并联储能电容器组C0的负极电连接到第二开关管V2的发射极、第六续流二极管D6的阳极、第二吸收电容C2的一端、第四开关管V4的发射极、第八续流二极管D8的阳极、第四吸收电容C4的一端、第六续流二极管V6的发射极、第十续流二极管D10的阳极和第六吸收电容C6的一端，所述第二吸收电容C2的另一端串联第二缓冲电阻R2的一端，且第十二续流二极管D12并联第二缓冲电阻R2，所述第十二续流二极管D12的阴极与第二吸收电容C2相连，所述第四吸收电容C4的一端的另一端串联第第四缓冲电阻R4的一端，且第十四续流二极管D14并联第四缓冲电阻R4，所述第十四续流二极管D14的阴极与第四吸收电容C4相连，所述第六吸收电容C6的另一端串联第六缓冲电阻R6的一端，且第十六续流二极管D16并联第六缓冲电阻R6，所述第十六续流二极管D16的阴极与第四吸收电容C6相连；
所述第一开关管V1的发射极电连接到第五续流二极管D5的阳极、第一吸收电容C1的另一端、第二开关管V2的集电极、第六续流二极管D6的阴极、第二缓冲电阻R2的另一端、第十二续流二极管D12的阳极和永磁无刷直流电机9三相绕组的A相；
所述第三开关管V3的发射极电连接到第七续流二极管D7的阳极、第三吸收电容C3的另一端、第四开关管V4的集电极、第八续流二极管D8的阴极、第四缓冲电阻R4的另一端、第十四续流二极管D14的阳极和永磁无刷直流电机9三相绕组的B相；
所述第五开关管V5的发射极连接到第九续流二极管D9的阳极、第五吸收电容C5的另一端、第六开关管V6的集电极、第十续流二极管D10的阴极、第六缓冲电阻R6的另一端、第十六续流二极管D16的阳极和永磁无刷直流电机9三相绕组的C相。
具体而言，如图7所示，所述隔离驱动单元7采用六单元的IGBT驱动板DA962D6，并对主处理器单元6中的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，所述隔离驱动单元7的GND引脚接地，隔离驱动单元7的VCC引脚电连接低压直流电源单元2的+15V引脚，所述隔离驱动单元7的Vi1～6引脚分别电连接主处理器单元6中DSP处理器的PWM1～6引脚，且隔离驱动单元7的Output1～6引脚分别电连接逆变单元8中开关管V1～V6的基极，获得了良好的上升下降沿波，实现IGBT全桥电路的驱动。
具体而言，图8为用来采集永磁无刷直流电机9转子位置的霍尔位置传感器1002的检测电路，检测电路包括转子3个霍尔元件、磁钢、取反单元74HC14和电压转换单元74CBTD3384，所述霍尔元件输出端输出的霍尔信号分别电连接74HC14取反单元的1引脚、5引脚和10引脚，且74HC14取反单元的2引脚电连接74HC14取反单元的3引脚，74HC14取反单元的6引脚电连接74HC14取反单元的8引脚，74HC14取反单元的11引脚电连接74HC14取反单元的12引脚，74HC14取反单元的14引脚电连接低压直流电源单元2的+5V引脚，所述74HC14取反单元的4引脚电连接74CBTD3384电压转换单元的2引脚，74HC14取反单元的9引脚电连接74CBTD3384电压转换单元的5引脚，74HC14取反单元的13引脚电连接74CBTD3384电压转换单元的6引脚，74CBTD3384电压转换单元的3引脚电连接主处理器单元6中DSP处理器的XCAP2引脚，74CBTD3384电压转换单元的4引脚电连接主处理器单元6中DSP处理器的XCAP1引脚，74CBTD3384电压转换单元的7引脚连接到主处理器单元6中DSP处理器的XCAP3引脚。其中74HC14取反单元作为霍尔输出信号进行两次高低电平的反转，输出为+5V的高电平和0V的低电平，而74CBTD3384电压转换单元将74HC14取反单元输出的+5V的高电平转换为处理器单元6中DSP处理器可接受的+3.3V的高电平。
具体而言，图9为用来采集永磁无刷直流电机9转速的旋转编码器1003的电路图，其中旋转编码器1003选用欧姆龙公司E6B2—CWZ6C型号为2000P/R光电编码器的光电旋转编码器进行驱动电机转速的测量，旋转编码器1003由光栅盘13、感光元件14和光电检测电路组成，图10为旋转编码器1003的电信号输出波形图，所述波形图的输出端信号有A信号、B信号和Z信号，所述A信号和B信号为两组相位相差90°的脉冲信号，当旋转编码器1003顺时针旋转时，A信号超前于B信号，因此可以根据判断A信号和B信号相位来判断旋转编码器1003的旋转方向，同样，由于A信号和B信号相差90度，所以可通过比较A信号在前还是B信号在前来判别旋转编码器1003的正转与反转，所述Z信号为相脉冲为零位的参考信号，即通过零位脉冲，可获得旋转编码器1003的零位参考位，当旋转编码器1003每旋转一周，Z信号的脉冲信号状态改变一次，可以用于调整旋转编码器1003动作的起始状态。输出的信号连接到主处理器单元6的DSP处理器的XCAP4和XCAP5引脚。
具体而言，图11为用来采集永磁无刷直流电机9三相绕组电流的霍尔电流传感器1001的电路图，所述霍尔电流传感器1001的型号为CHF-400B，所述霍尔电流传感器1001是由霍尔元件15、电机绕组16、磁芯17和三项绕组电流检测电路组成
所述型号为CHF-400B的霍尔电流传感器1001的输入输出比例为100:1，即当绕组电流为100A时霍尔电流传感器1001的输出电压为1V，此电路最大可测量为400V的直流电压，为了满足永磁无刷直流电机9绕组电流的设计需求，使该霍尔电流传感器1001具有响应时间快、线性度小等特点，该霍尔电流传感器1001共有三个，分别用来测永磁无刷直流电机9的三相绕组电流，且霍尔电流传感器1001的输出端分别连接主处理器单元6中DSP处理器的ADCINA1～3。
具体而言，图12为用来采集永磁无刷直流电机9转动角度的角位移传感器1004的电路图，所述角位移传感器1004的型号是WDD35D4，且角位移传感器1004的1引脚电连接低压直流电源单元2的+5V引脚，且角位移传感器1004的3引脚接地。
具体而言，图13为过零点检测单元5的电路图，过零点检测单元5包括电阻R11、电流型电压互感器TV1013-1M、电容C7、电容C8、电阻R12、可调电阻R13、电阻R14、可调电阻R15、电阻R20、电阻R21和双运算放大器OP07，所述双运算放大器OP07包括第一运算放大器OP07和第二运算放大器OP07，所述电阻R11和电压互感器TV1013-1M的输入端串联，电阻R21并联到电压互感器TV1013-1M输出端的两端，所述电容C7的一端电连接电压互感器TV1013-1M输出端，且电容C7的另一端通过R12连接到第一运算放大器OP07的负极端，所述可调电阻R13的两端分别电连接第一运算放大器OP07的负引脚和第一运算放大器OP07的输出端，所述可调电阻R15的一端电连接第一运算放大器OP07的正引脚，且可调电阻R15的另一端电连接第二运算放大器OP07的负引脚，所述第一运算放大器OP07的输出端通过R14电连接第二运算放大器OP07的正引脚，且电容C8和电阻R20并联后的一端电连接第二运算放大器OP07的负引脚，电容C8和电阻R20并联后的另一端电连接第二运算放大器OP07的输出端，所述第二运算放大器OP07的输出端电连接主处理器单元6，将外部220V交流电源幅值按比例缩小到主处理器单元6中DSP处理器的接收电压范围0～3.3V内，输出信号连接到DSP的ADCINA5的引脚，信号频率仍为50Hz，所述过零点检测单元5是用来获取高质量电网过零信号，完成断路器相控开关操作，也是减小选相操作误差、保证目标相位精准度的关键。
具体而言，同步控制操作的时序图如图14所示，所述断路器12关合或开断的信号在0时刻发出，主处理器单元6通过采集电网电压或电流信号，确定目标相位时刻tm，其中目标相位计算所用时间为Tf，之后发出控制命令信号，经过延迟时间Td后触发传动机构11动作，再经过断路器12合闸时间Tc或分闸时间To后使动静触头在目标相位时刻接触或分离，所述断路器12在分闸时会产生电弧，所述电弧燃烧时间为Tarc，最终完成断路器12的相控合分闸操作。
本发明中的同步控制的高压断路器电机操动机构的控制方法包括：
步骤1、市电通过调压器1和整流储能单元3中的第一整流二极管D1、第二整流二极管D2、第三整流二极管D3和第四整流电极管D4进行整流，并通过整流储能单元3中的并联储能电容器组C0进行储能，同时，市电通过低压直流电源单元1给主处理器单元6提供低压直流电压；
步骤2、市电通过过零点检测单元5实时监测电网电压、电流的过零点并反馈给主处理器单元6；
步骤3、主处理器单元6发出PWM信号并经隔离驱动单元7控制IGBT驱动板的导通；
步骤4、当IGBT驱动板导通后，通过逆变单元8吸收残余电荷，并对储能电容进行放电；
步骤5、逆变单元8控制永磁无刷直流电机9开始转动，所述断路器12关合或开断的信号在O时刻发出，如图14所示，主处理器单元6通过采集电网电压或电流信号，确定目标相位时刻tm，其中目标相位计算所用时间为Tf，之后发出控制命令信号，经过延迟时间Td后触发传动机构11动作，再经过断路器12合闸时间Tc或分闸时间To后使动静触头在目标相位时刻接触或分离，在永磁无刷直流电机9运行的同时，霍尔电流传感器1001对绕组电流进行采集检测，霍尔位置传感器1002对电机转动位置进行采集检测，角位移传感器1003对电机的转动角度进行采集检测，旋转编码器1004对电机的转动速度进行采集检测，将采集检测的多信号反馈给主处理器单元6，用来实时调节永磁无刷直流电机9的转速并控制开关管的导通与关闭，所述断路器12在分闸时会产生电弧，所述电弧燃烧时间为Tarc，最终完成断路器的相控合闸或分闸操作。
工作原理：本发明通过市电经调压器1、流器桥给并联储能电容器组C0储能，同时通过低压直流电源单元1给主处理器单元6提供低压直流电压。当给出断路器12分、合闸操作命令时，通过过零点检测单元5实时检测电网电压、电流的过零点并反馈给主处理器单元6，精确控制断路器12的分合闸相位，主处理器单元6中的DSP处理器发出两路PWM信号经隔离驱动单元7控制IGBT的导通，储能电容进行放电，永磁无数直流电机9开始转动。在运行时，霍尔电流传感器1001对绕组电流进行采集检测、霍尔位置传感器1002对电机转动位置进行采集检测、角位移传感器1003对电机的转动角度进行采集检测和旋转编码器1004对电机的转动速度进行采集检测，将采集检测的信号反馈给主处理器单元6，用来实时调节永磁无刷直流电机9的转速并控制开关管的导通与关闭。

Claims (8)

1.一种同步控制的高压断路器电机操动机构，其特征在于：所述同步控制的高压断路器电机操动机构包括调压器(1)、低压直流电源单元(2)、整流储能单元(3)、电压检测单元(4)、过零点检测单元(5)、主处理器单元(6)、隔离驱动单元(7)、逆变单元(8)、永磁无刷直流电机(9)、信号采集单元(10)、传动机构(11)和断路器(12)；
所述调压器(1)、低压直流电源单元(2)和过零点检测单元(5)的电源输入端均连接市电，所述调压器(1)的输出端电连接整流储能单元(3)的输入端，所述整流储能单元(3)的输出端分别电连接电压检测单元(4)和逆变单元(8)第一输入端，所述电压检测单元(4)和过零点检测单元(5)的输出端分别电连接主处理器单元(6)的第一输入端和第二输入端，所述主处理器单元(6)的输出端电连接隔离驱动单元(7)的输入端，所述隔离驱动单元(7)的输出端电连接逆变单元(8)的第二输入端，所述逆变单元(8)的输出端电连接永磁无刷直流电机(9)的三相绕组，所述永磁无刷直流电机(9)的输出端电连接信号采集单元(10)的输入端，所述永磁无刷直流电机(9)的固定连接传动机构(11)，所述信号采集单元(10)的输出端电连接主处理器单元(6)的第三输入端，所述传动机构(11)连接断路器(12)触头端；
所述低压直流电源单元(2)的±12V引脚分别电连接信号采集单元(10)的正负极和过零点检测单元(5)的正负极，低压直流电源单元(2)的+3.3V引脚电连接主处理器单元(6)的VCC引脚，所述低压直流电源单元(2)的+15V引脚电连接隔离驱动单元(7)的VCC引脚，且电压检测单元(4)的正极电连接低压直流电源单元(2)的+15V或+12V引脚，电压检测单元(4)的负极接地；
所述信号采集单元(10)包括霍尔电流传感器(1001)、霍尔位置传感器(1002)、角位移传感器(1003)和旋转编码器(1004)，所述旋转编码器(1004)和角位移传感器(1003)的输出端作为信号采集单元(10)的输出端电连接主处理器单元(6)的第三输入端，所述霍尔电流传感器(1001)固定安装在永磁无刷直流电机(9)的三相线圈内，所述霍尔位置传感器(1002)固定安装在永磁无刷直流电机(9)的顶部，所述角位移传感器(1003)和旋转编码器(1004)均固定安装在永磁无刷直流电机(9)主轴同轴位置，且角位移传感器(1003)的外壁套接有旋转编码器(1004)，所述永磁无刷直流电机(9)的转子主轴固定连接传动机构(11)。
2.根据权利要求1所述的一种同步控制的高压断路器电机操动机构，其特征在于，所述整流储能单元(3)包括第一整流二极管D1、第二整流二极管D2、第三整流二极管D3、第四整流二极管D4和并联储能电容器组C0，所述调压器(1)的一个输出端电连接到第一整流二极管D1的阴极和第三整流二极管D3的阳极，且调压器(1)的另一个输出端电连接到第二整流二极管D2的阴极和第四整流二极管D4的阳极，所述并联储能电容器组C0的正极连接到第三整流二极管D3阴极和第四整流二极管D4阴极的连接处，且并联储能电容器组C0的负极连接到第一整流二极管D1阳极和第二整流二极管D2阳极的连接处，所述并联储能电容器组C0的正负极作为整流储能单元(3)的输出端分别电连接电压检测单元(4)的正负极和逆变单元(8)的正负极。
3.根据权利要求2所述的一种同步控制的高压断路器电机操动机构，其特征在于，所述过零点检测单元(5)包括电阻R11、电流型电压互感器TV1013-1M、电容C7、电容C8、电阻R12、可调电阻R13、电阻R14、可调电阻R15、电阻R20、电阻R21和双运算放大器OP07，所述双运算放大器OP07包括第一运算放大器OP07和第二运算放大器OP07，所述电阻R11和电压互感器TV1013-1M的输入端串联，电阻R21并联到电压互感器TV1013-1M输出端的两端，所述电容C7的一端电连接电压互感器TV1013-1M输出端，且电容C7的另一端通过R12连接到第一运算放大器OP07的负极端，所述可调电阻R13的两端分别电连接第一运算放大器OP07的负引脚和第一运算放大器OP07的输出端，所述可调电阻R15的一端电连接第一运算放大器OP07的正引脚，且可调电阻R15的另一端电连接第二运算放大器OP07的负引脚，所述第一运算放大器OP07的输出端通过R14电连接第二运算放大器OP07的正引脚，且电容C8和电阻R20并联后的一端电连接第二运算放大器OP07的负引脚，电容C8和电阻R20并联后的另一端电连接第二运算放大器OP07的输出端，所述第二运算放大器OP07的输出端电连接主处理器单元(6)。
4.根据权利要求3所述的一种同步控制的高压断路器电机操动机构，其特征在于，所述主处理器单元(6)采用型号为TMS320F28335的DSP处理器，所述DSP处理器的ADCINA0引脚电连接电压检测单元(4)，所述DSP处理器的ADCINA1～3引脚电连接霍尔电流传感器(1001)的检测电路，所述DSP处理器的ADCINA4引脚电连接角位移传感器(1003)的检测电路，所述DSP处理器的ADCINA5引脚电连接过零点检测单元(5)的检测电路，DSP处理器的XCAP1～3引脚电连接位置霍尔位置传感器(1002)的检测电路，DSP处理器的XCAP4～5引脚电连接旋转编码器(1004)的速度检测电路，DSP处理器的PWM1～6引脚电连接隔离驱动单元(7)的电路，DSP处理器的VCC引脚电连接低压直流电源单元(2)的+3.3V引脚。
5.根据权利要求4所述的一种同步控制的高压断路器电机操动机构，其特征在于，所述逆变单元(8)包括第一开关管V1、第二开关管V2、第三开关管V3、第四开关管V4、第五开关管V5、第六开关管V6、第五续流二极管D5、第六续流二极管D6、第七续流二极管D7、第八续流二极管D8、第九续流二极管D9、第十续流二极管D10、第十一续流二极管D11、第十二续流二极管D12、第十三续流二极管D13、第十四续流二极管D14、第十五续流二极管D15、第十六续流二极管D16、第一缓冲电阻R1、第二缓冲电阻R2、第三缓冲电阻R3、第四缓冲电阻R4、第五缓冲电阻R5、第六缓冲电阻R6、第一吸收电容C1、第二吸收电容C2、第三吸收电容C3、第四吸收电容C4、第五吸收电容C5和第六吸收电容C6；
所述并联储能电容器组C0的正极电连接第一开关管V1的集电极、第五续流二极管D5的阴极、第一缓冲电阻R1的一端、第十一续流二极管D11的阳极、第三开关管V3的集电极、第七续流二极管D7的阴极、第三缓冲电阻R3的一端、第十三续流二极管D13的阳极、第五开关管V5的集电极、第九续流二极管D9的阴极、第五缓冲电阻R5的一端和第十五续流二极管D15的阳极，且第十一续流二极管D11的阴极并联在第一缓冲电阻R1的另一端并与第一吸收电容C1的一端串联，第十三续流二极管D13的阴极并联在第三缓冲电阻R3的另一端并与第三吸收电容C3的一端串联，所述第十五续流二极管D15的阴极并联在第五缓冲电阻R5的另一端并联与第五吸收电容C5的另一端并联；
所述并联储能电容器组C0的负极电连接到第二开关管V2的发射极、第六续流二极管D6的阳极、第二吸收电容C2的一端、第四开关管V4的发射极、第八续流二极管D8的阳极、第四吸收电容C4的一端、第六续流二极管V6的发射极、第十续流二极管D10的阳极和第六吸收电容C6的一端，所述第二吸收电容C2的另一端串联第二缓冲电阻R2的一端，且第十二续流二极管D12并联第二缓冲电阻R2，所述第十二续流二极管D12的阴极与第二吸收电容C2相连，所述第四吸收电容C4的一端的另一端串联第四缓冲电阻R4的一端，且第十四续流二极管D14并联第四缓冲电阻R4，所述第十四续流二极管D14的阴极与第四吸收电容C4相连，所述第六吸收电容C6的另一端串联第六缓冲电阻R6的一端，且第十六续流二极管D16并联第六缓冲电阻R6，所述第十六续流二极管D16的阴极与第四吸收电容C6相连；
所述第一开关管V1的发射极电连接到第五续流二极管D5的阳极、第一吸收电容C1的另一端、第二开关管V2的集电极、第六续流二极管D6的阴极、第二缓冲电阻R2的另一端、第十二续流二极管D12的阳极和永磁无刷直流电机(9)三相绕组的A相；
所述第三开关管V3的发射极电连接到第七续流二极管D7的阳极、第三吸收电容C3的另一端、第四开关管V4的集电极、第八续流二极管D8的阴极、第四缓冲电阻R4的另一端、第十四续流二极管D14的阳极和永磁无刷直流电机(9)三相绕组的B相；
所述第五开关管V5的发射极连接到第九续流二极管D9的阳极、第五吸收电容C5的另一端、第六开关管V6的集电极、第十续流二极管D10的阴极、第六缓冲电阻R6的另一端、第十六续流二极管D16的阳极和永磁无刷直流电机(9)三相绕组的C相。
6.根据权利要求5所述的一种同步控制的高压断路器电机操动机构，其特征在于，所述隔离驱动单元(7)采用六单元的IGBT驱动板DA962D7，所述隔离驱动单元(7)的GND引脚接地，隔离驱动单元(7)的VCC引脚电连接低压直流电源单元(2)的+15V引脚，所述隔离驱动单元(7)的Vi1～6引脚分别电连接主处理器单元(6)中DSP处理器的PWM1～6引脚，且隔离驱动单元(7)的Output1～6引脚分别电连接逆变单元(8)中开关管V1～V6的基极。
7.权利要求1所述的一种同步控制的高压断路器电机操动机构的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：
步骤1、市电通过调压器(1)和整流储能单元(3)进行整流和储能，同时，市电通过低压直流电源单元(2)给主处理器单元(6)提供低压直流电压；
步骤2、市电通过过零点检测单元(5)实时监测电网电压、电流的过零点并反馈给主处理器单元(6)；
步骤3、主处理器单元(6)发出PWM信号并经隔离驱动单元(7)控制IGBT驱动板的导通；
步骤4、当IGBT驱动板导通后，通过逆变单元(8)吸收残余电荷，并对储能电容进行放电；
步骤5、逆变单元(8)控制永磁无刷直流电机(9)开始转动，所述断路器(12)关合或开断的信号在O时刻发出，主处理器单元(6)通过采集电网电压或电流信号，确定目标相位时刻tm，其中目标相位计算所用时间为Tf，之后发出控制命令信号，经过延迟时间Td后触发传动机构(11)动作，再经过断路器(12)合闸时间Tc或分闸时间To后使动静触头在目标相位时刻接触或分离，在永磁无刷直流电机(9)运行的同时，霍尔电流传感器(1001)对绕组电流进行采集检测，霍尔位置传感器(1002)对电机转动位置进行采集检测，角位移传感器(1003)对电机的转动角度进行采集检测，旋转编码器(1004)对电机的转动速度进行采集检测，将采集检测的多信号反馈给主处理器单元(6)，用来实时调节永磁无刷直流电机(9)的转速并控制开关管的导通与关闭，所述断路器(12)在分闸时会产生电弧，所述电弧燃烧时间为Tarc，最终完成断路器的相控合闸或分闸操作。
8.根据权利要求7所述的一种同步控制的高压断路器电机操动机构的控制方法，其特征在于，所述整流储能单元(3)中采用第一整流二极管D1、第二整流二极管D2、第三整流二极管D3和第四整流电极管D4进行整流，采用并联储能电容器组C0进行储能。
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