CN1241012A - 具有同步控制系统和驱动器的电子开关设备 - Google Patents

具有同步控制系统和驱动器的电子开关设备 Download PDF

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Abstract

在配电系统中,采用基于微处理器的闭环反馈运动控制设计可以更精确地完成开关设备操作与AC电压或电流波形同步。采用基于微处理器的闭环反馈设计,在开关操作过程中能够实时监视和优化开关设备触点位置和速度,保证更为准确的开关操作。闭环反馈设计补偿了例如环境温度、AC电压波形波动和开关设备物理状态变化带来的影响。在开关操作过程中或在开关操作之后,闭环位置反馈设计都能优化不同的传递函数参数,进一步保证开关操作更为准确地与AC电压或电流波形同步。

Description

具有同步控制系统和驱动器的电子开关设备
本发明涉及U.S.专利申请，申请号为08/945,384，申请日为1997年10月27日；该申请要求的优先权的国际专利申请序列号No.PCT/US96/07114，申请日是1996年5月15日；它是申请号为08/440,783、申请日为1995年5月15日的U.S.专利申请的增补申请。
本发明涉及控制电子开关设备的方法和装置。本发明尤其涉及连续自动地优化开关设备性能的方法和装置。
在配电系统中，通常采用开关设备来保护系统免受非正常状态的影响。非正常状态包括，例如，电力线故障状态或不规则的负载状态。一般来说，开关设备在本领域中是众所周知的。
对于不同的应用有不同类型的开关设备。故障断路器是开关设备的一种类型。一旦检测到故障状态，用故障断路器自动断开电力线。自动重合闸是开关设备的另一种类型。与故障断流器不同，自动重合闸响应故障状态，根据一组时间-电流曲线多次快速跳闸断开然后再次闭合电力线。然后，在预定次数的跳闸/再次闭合操作之后，如果故障状态还不清楚的话，自动重合闸将切断电力线。断路器是开关设备的第三种类型。断路器与自动开关相类似，但是，它们一般只能完成断开-闭合-断开顺序，并且它们的中断额定值大大高于自动重合闸。电容器开关是开关设备的第四种类型。电容器开关用于为电容器组通电或断电。当负载导致线电流滞后于线电压时，电容器组用于调节为大负载(例如工业负载)供电的线电流。一旦起动，电容器组将线电流推回到线电压的相位，从而增加功率因数(即发送到负载的功率值)。电容器开关一次一般完成一个断开和一个闭合。
由于开关设备触点进入彼此相互接近(即在闭合操作期间)或当触点第一次分开时(即在断开操作期间)，在触点之间产生一定数量的电弧。电弧导致触点表面出现过多的热量，从而导致触点以非常快的速率磨损。电弧也能使系统元件生锈或破坏系统元件，如电力变压器；因此是非常不希望出现电弧的。
通常，不管开关设备的类型，所有的开关设备都试图使电弧达到最小。一些开关设备的设计试图通过尽可能快速地驱动开关设备触点分开(即在断开操作期间)或合在一起(即在闭合操作期间)来完成这一目标。这种方法的理论基础是如果使触点彼此密切接近所花费的时间量最小，电弧也最小。实际上，这种策略是有缺陷的，特别是在闭合操作期间，因为当它们随着触点相对速度的增加彼此进入物理接触时，触点倾向于回弹。触点回弹又导致不期望的瞬态电压和电流的产生。
使电弧最小和使产生的瞬态过程最小的一个更为有效的方法是使开关设备操作的起动同步化，以便触点的实际闭合或断开分别发生在触点两端的AC电压或电流为零伏特或零安培的时候。例如，在图1中，触点的闭合最好是发生在AC电压波形100通过电压过零点如点A的时候。通常，最好在开关设备触点两端电压为零时闭合而在电流为零时断开以使弧形时间最小。一般的电弧中断是在零电流处。对于电容器开关应用来说，电容器负载电流超前电压90电角度。因此，无须监视电流波形并且可以认为在零电压处电流达到峰值，在零电流处电压达到峰值。对于用于其它应用的真同步操作来说，电压波形和电流波形都需要受到监视。
目前采用这种方法的开关设备设计一般是通过预先定义时间t1的值，其中t1等于假定的AC电压波形周期T减去时间t2的值，其中t2又大约为完成开关设备操作所需的时间值。例如，在图1中，如果AC电压波形工作于60Hz，AC波形100的周期T为16.66msec。如果预定时间t2为11.66msecs，则t1为5msecs。因此，如果采用这种方法的开关设备收到起动闭合操作的命令，开关设备就检测下一个电压过零点，例如图1中的过零点B，然后等待t1msecs，对应于图1中的点C，以起动开关操作。同样地，如果接收到断开命令，开关设备则检测下一个电流过零点并确定与上述用于闭合操作的定时序列类似的适当的断开点。确定断开点使得在下一个电流过零点建立充分的触点断开气隙从而中断电流流动和承受电源系统恢复电压以阻止逆弧或重燃弧。从现在开始，叙述将集中于同步电压开关。但是，本领域的技术人员应理解的是，开关也可能与断开电流波形同步。
遗憾的是，这种可替换的方法并不总是产生准确的结果。首先，AC电压波形100很少以准确的60Hz传播。实际上，它一般在60Hz上下轻微波动。因此，AC电压波形100的周期T会波动。因此，在点C起动开关操作并不总能保证同步断开或闭合操作(即操作与电压过零点同步)。其次，例如周围温度这样的条件能够影响机械的动摩擦并改变触点完成开关操作所花费的实际时间值。因此，t2所表示的时间值可以随温度而波动。这样，再次说明，在点C起动开关操作不可能始终如一地导致同步断开或闭合操作。第三，在开关设备的寿命期间，触点在开关操作过程中必须行进的距离通常增加。这是由普通的触点磨损和机械元件的磨损造成的。随着触点行进距离的增加，作为函数t1、t2和T在点C起动起动开关设备而导致同步开关操作变得越来越不可能。
在电容器开关的特殊例子中，使电弧放电达到最小和使瞬态过程的产生达到最小是非常重要的。这是由于在使开关操作与AC电压波形上的电压过零点同步的过程中，即使是很小的不准确也可能导致引起上千安培和上千伏的电弧放电和/或瞬态过程。因此，对于开关设备的设计尤其是电容器开关的设计来说，非常需要提供更为准确的点波(point-on-wave)开关操作控制以更好地保证零电压开关操作从而使瞬态过程影响达到最小。
通过采用基于微处理器的闭环反馈运动控制设计，本发明提供了精确的点波(point-on-wave)开关性能。通过采用基于微处理器的闭环反馈设计，本发明能够在开关操作过程中监视和优化开关设备触点运动(即位置和速度)，从而保证更准确的开关操作。而且，闭环反馈设计固有地补偿了例如环境温度、AC电压波形波动和开关设备物理状态变化这种情况带来的影响。此外，本发明无论在开关操作过程中还是在开关操作之后都能够优化不同的运动控制参数，从而既更好地保证了当前操作也更好地保证了未来操作更为准确地与AC电压或电流波形同步。
因此，本发明的一个目的是在开关操作过程中使电弧放电和瞬态过程达到最小。
本发明的另一目的是提供准确、始终如一的点波(point-on-wave)开关。
本发明的另一目的是基于当前开关操作性能实时不断地优化运动控制系统，以保证更为准确的点波(point-on-wave)开关。
本发明的再一目的是基于过去的开关操作性能周期性地优化运动控制系统，以保证更为准确的点波(point-on-wave)开关操作。
根据本发明的一个方面，通过闭环反馈控制系统来实现这些以及其它目的。系统包括微处理器；电流发生装置，连接到所述微处理器，用于为移动电子开关设备中至少两个开关设备触点中的其中一个提供调节驱动器所需的驱动电流；以及位置反馈装置，连接到至少两个触点中的其中一个，用于为微处理器提供触点位置信息。所述微处理器又包括用于实时控制所述电流发生装置的装置，在开关操作过程中，作为初始触点位置和由所述位置反馈装置所提供的当前触点位置的函数，使得至少一个触点根据预定的运动曲线从初始触点位置移到最终触点位置，以便提供AC波形同步开关。
根据本发明的另一方面，通过电容器开关来实现这些或其它目的。电容器开关包括：包含至少一个可动触点的电流断续器以及连接到至少一个可动触点的驱动器。电容器开关还包括闭环反馈运动控制电路，该电路包括：微处理器；脉宽调制(PWM)电路，有效连接到所述微处理器，其中所述PWM电路产生用于所述驱动器的驱动电流，所述驱动器在开关操作过程中需要驱动至少一个可动触点从初始触点位置到最终触点位置；光耦合到至少一个触点的位置传感器；解码器，其中所述解码器从所述位置传感器接收且解码触点位置数据并将解码后的触点位置数据送入所述微处理器；其中所述微处理器包括在开关操作过程中实时控制基于初始触点位置、当前的触点位置反馈信号和当前的触点速度反馈信号的触点位置和速度的闭环反馈装置，使得开关操作与电容器开关两端的AC电压波形同步化。
根据本发明的另一个方面，通过用于在开关操作过程中控制电子开关设备中至少一个触点的闭环反馈方法来实现这些和其它目的。所述方法包括以下步骤：产生移动至少一个触点所需的驱动电流；在开关操作过程中实时地产生触点位置反馈数据；在开关操作过程中，作为初始触点位置和实时触点位置反馈数据的函数，实时控制调节至少一个触点运动所需的驱动电流的产生，使得至少一个触点根据预定运动曲线从初始触点位置移到最终触点位置，以便提供AC电压或电流波形同步开关。
以下参考附图来解释本发明，在附图中：
图1是AC电压或电流波形的曲线图；
图2是电容器开关的示意图；
图3是断流器的剖面图；
图4是运动控制电路的示意图；
图5是根据本发明一个实施例的闭环反馈过程；
图6是根据本发明另一实施例的闭环反馈过程；
图7是AC电压波形曲线图；
图8A-8C是示范性的运动曲线；
图9是复杂的示范性的运动曲线；以及
图10A-10C是执行开关操作控制算法的特定方法。
为了更好地理解本发明，可以参考以下结合附图所做的详细描述，其中图示并描述了本发明的最佳示范性实施例。全部附图中附图标记是一致的。
图2是电容器开关的示范性示意图，可以理解为该示意图与其它类型的开关设备是一致的。如图2所示，电容器开关包括多个部件，这些部件有音圈驱动器8，线圈绕组10，闩锁装置16，操纵杆6，电流断续器4，运动控制电路12和位置反馈装置14。其它可以利用的快速驱动器是直线电机和液压机构。
一般来说，图2所示电容器开关操作如下。音圈驱动器8为直接驱动有限运动装置，利用线圈绕组10产生的磁场与磁结构气隙中的磁场相作用产生力，力与流过线圈绕组10的电流成正比，施加在连接到音圈驱动器8的操纵杆6上。操纵杆6上的作用力使操纵杆6沿其轴运动，是向前还是向后运动取决于流过线圈绕组10的电流方向以形成与断开或闭合操作相关的力。根据开关操作是断开或闭合操作，操纵杆6的运动又导致一对位于电流断续器4中的开关设备触点71、72连接在一起或拉开。
如图3所示，开关设备触点71、72基本保持在电流断续器4中。根据最佳实施例，开关设备触点71连接到操纵杆6上。因此，触点71作为操纵杆6运动的函数沿轴向运动。相反，开关设备触点72是固定的。如图2所示，当触点71、72在闭合操作期间连接在一起时，AC电路2是闭合的。当触点71、72在断开操作期间分开时，AC电路2是断开的。
图3是电流断续器4的横截面。电流断续器4包括真空瓶，在其中放置开关设备触点71、72。真空瓶具有外壳和用于开关设备触点71、72的真空环境。真空瓶通常为细长的管状真空陶瓷套管73构造，最好由铝形成。尽管最佳实施例使用了真空模件，本领域的技术人员可以理解的是：也可以使用包含如SF6、油、空气等电介质的断路器。
流过线圈绕组10的电流由运动控制电路12控制。运动控制电路12连接到位置反馈装置14。位置反馈装置14在每一开关操作过程中为运动控制电路12提供实时触点位置反馈信息，运动控制电路12能够微分以获得实时触点速度反馈信息。运动控制电路12利用实时位置和速度反馈信息根据闭环反馈原理实现同步开关操作，这将在以下详细描述。
运动控制电路12也连接到闩锁装置16。当运动控制电路12发出指示时，闩锁装置16将操纵杆6保持在其当前位置。闩锁装置16可以是倾斜的弹簧、球塞、电磁式闩锁、双稳态弹簧、弹簧过套索钉(overtoggle)或任何已知的等价闩锁。但闩锁装置16必须提供足够的压力以使开关设备触点电阻最小，提供足够的触点压力以便在额定的货币电流(monetary currents)期间使触点保持在一起，并且必须显示出大于触点压力的破坏力(break force)。
图4更为详细地示出了运动控制电路12。如图所示，运动控制电路12包括AC波形分析电路41、电容器开关控制接口43、电源45、脉宽调制单元(PWM)47，解码器48和微处理器49。
电源45为运动控制电路12提供多个电压电平。首先，它提供为PWM单元47中的放大器供电的电压电平+HV。PWM单元47中的放大器又通过MOSFET桥(图4中未示出)向音圈驱动器8供电。电源45也提供多个控制电压，例如用于小功率设备的15VDC和5VDC。
AC电压波形分析电路41提供和AC电压波形上电压过零点有关的定时信息。AC电压波形分析电路41从引入到电源的AC电压输入得到该信息。在最佳实施例中，AC电压波形分析电路41在每个电压过零点出现的同时产生脉冲。每个脉冲发送到微处理器49，其中以下所描述的开关操作控制算法用每个脉冲产生不同的中断信号。中断信号对于确保同步开关操作来说是至关重要的。下面也将对这些中断信号作详细论述。在最佳实施例中，AC电压波形分析电路41可以包括波形分析器，锁相环路和零电压检测电路。
开关操作执行指示电容器开关断开或闭合的命令信号通常是由电容器组控制系统(未示出)产生的。但可以理解的是，可以手动产生开关操作执行命令。通过工业标准电容器开关控制接口43，开关操作执行命令在光隔离的输入线上送入微处理器49。电容器开关控制接口43通常是5针连接器，第一针是断开命令信号，第二针是闭合命令信号，第三针接地，第四和第五针是两线120VAC电源输入。
PWM单元47位于微处理器49和音圈绕组10之间。在开关操作过程中，PWM单元47连续不断地从微处理器49接收数字电流控制信号。作为响应，PWM单元47产生流过音圈绕组10的电流。流过音圈绕组的电流与磁结构气隙中的磁场相作用，在音圈10的情况下，又控制从音圈驱动器8产生力的磁场强度。以这种方式，在每个开关操作过程中，微处理器49控制开关设备触点71、72的相对位置和速度。在最佳实施例中，PWM单元47包括数模转换器50和双极性电源放大器51。
当然，微处理器49是运动控制电路12的心脏。尤其是，微处理器49利用从电容器开关控制接口43、AC波形分析电路41和位置反馈装置14接收到的信息来执行开关操作控制算法。微处理器49用开关操作控制算法通过确保AC电压波形同步来优化开关操作性能。
为了闭合运动控制反馈回路，必须将开关设备触点位置信息反馈到微处理器12。这是位置反馈装置14的功能。位置反馈装置14包括编码器44和解码器48。尽管利用任何数量的线性设备例如线性电位计、LVDT、线性转速计等可以实现编码器，但这些设备是易于产生噪音的。因此，在本发明中使用了光正交编码器。
位置反馈装置14实际执行两个主要功能。第一，位置反馈装置14在开关操作过程中不断地采样可动触点71的位置，例如每隔250μsecs采样一次。然后通过光编码器44将信息送入解码器48对位置信息进行编码。解码器48然后对位置数据进行数字化处理并将其送入微处理器49。微处理器49，更准确地说，由微处理器49执行的开关操作控制算法在开关操作过程中利用信息不断优化开关设备触点71、72的相对位置和速度。第二，位置反馈装置14向开关操作控制算法提供与在先前开关操作过程中可动触点71的总行程距离有关的信息。开关操作控制算法利用该信息在每个开关操作开始时建立初始触点位置。
微处理器49所执行的开关操作控制算法完成必要的基本操作以提供AC电压波形同步开关，也称为点波开关。开关操作控制算法是以软件的形式实现的。软件可以存储于微处理器49上的存储驻留中或者存储在单独的存储设备中。
通常，开关操作控制算法通过如下步骤确保AC电压波形同步开关：I)在接到开关操作执行命令后，基于从AC电压波形分析电路41接收的数据，建立最优开关操作起动时间；ii)监视用于开关操作执行命令(即断开或闭合命令)的电容器开关控制接口43；iii)建立初始触点位置；iv)在最优开关操作起动时间起动开关操作；以及v)根据预编程运动曲线驱动触点71、72从初始触点位置到终端触点位置。现在对这些功能做更为详细的描述。
首先，开关操作控制算法决定何时起动开关操作，随后开关操作执行命令，以实现AC电压波形同步开关。为了完成这些，开关操作控制算法依靠定时脉冲序列形式的过零电压定时信息，其中每个定时脉冲响应电压过零点(例如图1中点B)的出现。如上所述，脉冲是由AC电压波形分析电路41产生的。
更准确地说，开关操作控制算法利用定时脉冲产生至少两种不同类型的中断信号。所述至少两种中断信号中的第一个是电压过零中断信号VINT。在微处理器49每次从AC电压波形分析电路41接收定时脉冲时产生VINT中断信号。因此，在AC波形通过电压过零点的每一时刻同时产生VINT中断信号。因此，如果AC电压波形以精确的60周期/秒振荡的，则每8.33毫秒产生VINT中断信号。
由开关操作控制算法产生的第二种类型中断信号是时间间隔TINT中断信号。根据本发明的最佳实施例，在AC电压波形的每半个周期期间产生响应相等长度的32个时间间隔的32个TINT信号。通过计数自最后的VINT中断信号以来产生的每个TINT中断信号，开关操作控制算法能够精确确定AC电压波形的路径。而且，如果开关操作控制算法能够确定自最后的VINT中断信号以来(即自最后的电压过零点以来)已经产生了多少TINT中断信号，那么开关操作控制算法就能够确定在下一个VINT中断信号之前(即下一个过零点之前)将产生多少另外的TINT中断信号。
根据本发明的最佳实施例，开关操作控制算法确定作为完成开关操作所需的TINT时间间隔数量的函数的最优开关操作起动时间。然后基于开关操作过程中可动触点71行进的距离和可动触点71的行进速度确定完成开关操作所需的TINT时间间隔数量，其中在整个开关操作过程中可动触点71的速度由理想运动曲线来确定。
图7示出了示范性的AC电压波形700，其中AC电压波形700的每半个周期被分成32个等距离TINT时间间隔。例如，如果需要40个TINT时间间隔来完成开关操作，开关操作控制算法就知晓在AC电压波形700上必须不迟于点B起动开关操作，如果开关操作控制算法将在点A实现AC电压波形同步开关，其中24TINT时间间隔分隔点D和点B，40TINT时间间隔分隔点B和点A。因此，如果开关操作控制算法在点C收到开关操作执行命令，其中16TINT时间间隔分隔点D和点C，开关操作控制算法则知晓在点B起动开关操作之前必须等待直到准确收到8个另外的TINT中断信号。
为了在连续的基础上确保最优的开关性能，开关操作控制算法必须能够调整完成开关操作所需时间数量的任何变化(即TINT时间间隔数量的任何变化)。在先前的例子中，规定完成开关操作需要40个TINT时间间隔。超过了电容器开关的寿命，完成AC电压波形同步开关操作所需的TINT时间间隔数量是不可能改变的，如果确实改变了，变化不会非常大。但是，本发明跟踪每个开关操作的性能，在做这些的过程中确定开关操作是否以及何时变为异步。例如，如果开关操作一直超过预定的电压过零点，开关操作控制算法能够自己调节使得在早于适当的TINT时间间隔数量之前(例如在图7中的点B1而不是点B)开始起动开关操作。例如，如果开关操作一直未达预定的电压过零点，开关操作控制算法能够自己调节使得在迟于适当的TINT时间间隔数量之前(例如在图7中的点B2而不是点B)开始起动开关操作。
在图7所示例子中，如果开关操作控制算法在点C1而不是点C收到开关操作执行命令，开关操作控制算法知道在点A没有足够的时间周期来完成AC电压同步开关。因此，开关操作控制算法会继续跟踪TINT中断信号并在收到下一个VINT中断信号(即与下一个电压过零点有关的VINT中断信号，在图7中对应点E)以后起动开关操作24TINT中断信号，从而在点A(图7中未示出)之后的电压过零点完成AC电压波形同步开关。
在每一开关操作开始处，开关操作控制算法建立初始触点位置。如以上所解释的，初始触点位置表示在本次开关操作过程中可动触点71所期望行进的距离。根据本发明的最佳实施例，开关操作控制算法建立初始触点位置作为在先前的开关操作过程中可动触点71行进的实际距离。当然，开关操作控制算法通过位置反馈装置14来获得可动触点71行进的实际距离。
以上也解释了在电容器开关的寿命过程中可动触点71必须行进以完成开关操作的距离由于触点磨损、机械磨损以及温度效应可以逐渐。但可以理解的是，从一个开关操作到下一个开关操作，希望任何增加都是小量的。因此，通过将初始触点位置设为等于前一个开关操作过程中可动触点71所行进的距离，开关操作控制算法解释了出现超过电容器开关寿命的增量变化，又允许开关操作控制算法不断地优化开关操作性能。
例如，如果可动触点71在前一个开关操作过程中行进了100个单位的总距离，在本次开关操作的开始处，开关操作控制算法就将初始触点位置设为100个单位。正如以下将更为详细描述的，开关操作控制算法实际上将初始触点位置当作位置误差，该误差在预定的电压过零点必须精确地减小为零。
一旦开关操作已经起动，开关操作控制算法就不断地调节流入音圈绕组10的电流量。这又控制驱动可动触点71从其初始位置到其终止位置的力值。在最佳实施例中，如图6所示，开关操作控制算法通过执行闭环位置反馈过程来调节电流。
根据图6所示的闭环位置反馈过程，与初始触点位置(60)相关的值加载到所示过程中。如上所述，初始触点位置表示可动触点71在本次开关操作过程中所期望行进的距离，它等于前一次开关操作过程中可动触点71所行进的距离。在本次开关操作过程中，与初始触点位置(60)相关的值不断地与通过位置反馈装置14反馈到开关操作控制算法的触点位置反馈项(62)进行实时比较。该比较产生位置误差(64)。位置误差(64)表示可动触点71仍必须行进以完成开关操作的距离。因此，正是位置误差(64)，开关操作控制算法试图将其在预定的电压过零点精确地驱动到零。然后将位置误差(64)乘以定标常数P，再与速度误差项(68)相比较。开关操作控制算法通过对触点位置反馈项(62)求微分导出速度误差项(68)。第二次比较导致速度误差(70)。然后开关操作控制算法用速度误差(70)来增加到音圈绕组10的电流量或减小到音圈绕组10的电流量，增加或减小都是适当的，目的是跟随理想的运动曲线。与图6中所述过程相关的传递函数如下：
       (KP2)/(S2+KDS+KP2)                        (1)
图8A描绘了示范性的运动曲线。如上所述，运动曲线规定了可动触点71在开关操作的持续时间内应当行进以实现AC电压波形同步开关的速度。过程传递函数又规定了运动曲线，过程传递函数例如等式(1)。通过调整等式(1)中的传递函数值P和/或D，可以得到图8B和8C所示的示范性的运动曲线，代替图8A所示的运动曲线。
通过完成每个上述同样的函数，开关操作控制算法能够以多种方式优化开关操作性能。首先，开关操作控制算法通过位置反馈过程本身自然地优化了开关操作性能。这是因为在开关操作过程中位置和速度信息实时地(例如每隔250μsecs)反馈到开关操作控制算法中。开关操作控制算法然后利用该信息不断地校正(即增加或减小)控制用于可动触点71的力的电流量，从而保证AC电压波形同步开关。其次，如果出现过量的位置误差(例如，可动触点71没有足够快地加速一个非常大的值以达到运动曲线)，开关操作控制算法能够在开关操作过程中调整某些传递函数参数以保持AC电压波形同步开关。例如，如果位置误差信号非常大，开关操作控制算法适当地调整D的值。但是，如果速度误差非常大，开关操作控制算法调整P的值。第三，除了实时地调整传递函数参数，开关操作控制算法能存储来自前一个开关操作的性能数据(例如位置和速度值)，然后沿着理想运动曲线把前面的性能数据和相应的点相比较。然后用存储值和运动曲线值的差确定是否有必要进一步调整传递函数参数，即P和D的值或P和D的比值，目的是为随后的开关操作保证AC电压波形同步开关。
虽然图6所示的闭环位置反馈过程具有规定有些简单的斜方形运动曲线的传递函数时，例如图8A-8C所示的那样，但如果需要的话，可以采用闭环过程来规定更复杂的运动曲线。例如，在自动开关断开操作，有时有必要提供负值力以便断裂在驱动触点分开之前在触点之间形成的焊接，如图9中曲线图所示范的。因此，在可替换的实施例中，开关操作控制算法可以在开关操作过程期间参考查阅表以检索离散速度值。在做这些的过程中，实现复杂的运动曲线更可行，如图9所示的运动曲线。图5示出了示范性的闭环过程用于实现这一复杂运动曲线，其中图5所示过程既包括反馈又包括前馈路径。
在本发明的最佳实施例中，开关操作控制算法包括多个不同程序，利用标准的编程技巧以软件的形式实现。这些程序的示范性实施例如图10A-C的流程图所示。
首先，图10A示出了主起动和初始化程序1000。主起动和初始化程序1000从初始化多个系统变量开始，如步骤1005所示。然后根据步骤1010，程序起动VINT中断信号的产生。如以上所解释的，VINT中断信号是作为电压过零定时脉冲的函数产生的，该脉冲由AC电压波形分析电路41产生。
起动VINT中断信号后，根据决定步骤1015，主起动和初始化程序1000确定是否已经通过电容器开关控制接口43接收到开关操作执行命令。如果确定没有接收到开关操作执行命令，根据离开决定步骤1015的“NO”路径，主起动和初始化程序1000保持在回路中，从而继续检查开关操作执行命令的出现。但是，如果确定已经接收到开关操作执行命令，根据离开决定步骤1015的“YES”路径，进一步确定开关操作执行命令是否为OPEN开关命令，如决定步骤1020所示。如果开关操作执行命令是OPEN开关命令，根据离开决定步骤1015的“YES”路径，设置适当的开关操作状态标记来反映OPEN开关命令的出现。如果开关操作执行命令不是OPEN开关命令，根据离开决定步骤1020的“NO”路径，主起动和初始化程序1000根据决定步骤1030确定开关操作执行命令是否为CLOSE开关命令。如果开关操作执行命令是CLOSE开关命令，根据离开决定步骤1030的“YES”路径，设置适当的开关操作状态标记来反映CLOSE开关命令的出现。但是，如果确定既没有OPEN开关命令也没有CLOSE开关命令出现，主起动和初始化程序1000返回与决定步骤1015相关的决定回路，从而继续寻找开关操作执行命令。表示OPEN开关命令出现或CLOSE开关命令出现的开关操作状态标记分别在步骤1025或1035期间设置，为后来的时间间隔TINT程序所采用以调用运动控制程序，这将在以下更为详细地描述。
一旦起动VINT中断信号，根据步骤1010，微处理器49开始执行零电压中断程序1040，如图10B所示。根据步骤1045，一旦微处理器49从AC电压波形分析电路41接收到电压过零定时脉冲，零电压中断程序1040由产生VINT中断信号开始执行。然后将与VINT中断信号的产生相对应的时钟时间存储在系统变量TIME中。然后，根据步骤1050，零电压中断程序1040确定与变量TIMEINTERVAL有关的时间量，其中变量TIMEINTERVAL表示与TINT时间间隔有关的时间长度，TINT时间间隔分隔每个在当前AC电压波形的半个周期期间产生的32个TINT中断信号。在最佳实施例中，变量TIMEINTERVAL由变量TIME之间的差确定，变量TIME表示当前电压过零点出现的时间，变量OLDTIME表示前一电压过零点出现的时间。本领域的技术人员容易想到，变量TIME和变量OLDTIME之间的差反映了当前AC电压波形的半个周期。然后变量TIMEINTERVAL被32除，每个AC电压波形的半个周期被分成32个等间隔的时间间隔，在每个等间隔的时间间隔期间产生单个TINT中断信号，正如以上所解释的。然后根据步骤1055，零电压中断程序1040起动TINT中断信号的产生。这涉及加载内部计数器，以下称做定时时间间隔计数器，具有与变量TIMEINTERVAL有关的值。定时时间间隔计数器立刻开始从与变量TIMEINTERVAL有关的值递减。每次定时时间间隔计数器循环到零，就产生TINT中断信号。根据步骤1060，将值32加载到第二计数器，这里称为TINT计数器。每次产生TINT中断信号，TINT计数器就减1。TINT计数器的目的在对TINT中断程序的描述中变得更清楚。
TINT中断程序1070以及运动控制程序1071如图10C所述。当定时时间间隔计数器减到零时，产生TINT中断信号。这又导致TINT计数器减1，如步骤1072所示。通过递减TINT计数器，精确地跟踪了AC电压波形上的当前位置。
然后TINT中断程序1070检查运动控制状态标记以确定是否已经起动运动控制程序。首先，将运动控制程序状态标记复位，根据离开决定方块1074的“NO”路径，表明运动控制程序1071还没有被起动。然后TINT中断程序1070根据步骤1076检查前面提到的开关操作状态标记的状态，从而确定目前是OPEN开关命令还是CLOSE开关命令。如果完全的话，通过主起动和初始化程序1000、步骤1020-1035设置开关操作状态标记的状态，如图10A所示。
然后TINT中断程序1070根据决定步骤1078确定开关操作状态标记是否表示OPEN开关命令的出现以及是否是起动断开开关操作的适当时间(即AC电压波形上适当的定时时间间隔)。如果两种情况都遇到了，根据离开决定步骤1078的“YES”路径，起动用于OPEN开关操作的运动控制程序1071，如步骤1080所指示的。起动运动控制程序1071还涉及装载初始触点位置(即前一开关操作过程中触点行进的总距离)以及设置运动控制程序状态标记，指示出运动控制程序1071已经被起动。但是，如果与决定步骤1078有关的两种情况都没有遇到，根据离开决定步骤1078的“NO”路径，TINT中断程序1070根据决定步骤1081确定开关操作状态标记是否表示CLOSE开关命令的出现以及是否是起动闭合开关操作的适当时间(即AC电压波形上适当的定时时间间隔)。如果两种情况都遇到了，根据离开决定步骤1081的“YES”路径，起动用于CLOSE开关操作的运动控制程序1071，如步骤1082所指示的。如果与决定步骤1081有关的两种情况都没有遇到，根据离开决定步骤1081的“NO”路径，TINT中断程序1070根据决定步骤1084确定TINT计数器是否已经减到零。TINT计数器递减到零表示当前AC电压波形的半个周期结束的终点。因此TINT中断程序1071等待下一个电压过零点以及表示下一个AC电压波形半个周期开始的下一个VINT中断信号。但是，如果确定TuINT计数器不为零，根据离开决定步骤1084的“NO”路径，TINT中断程序1071为下一个TINT中断信号做准备，如步骤1086所示。
一旦已经起动运动控制程序1071，根据步骤1080或步骤1082，运动控制程序1071根据步骤1088继续从反馈装置14读取当前的反馈位置误差和速度。最初，反馈速度为零且反馈位置误差在其最大值(即与步骤1080或步骤1082期间装载的初始触点位置误差是相等的)。此后，随着触点71在开关操作过程中运动，反馈位置误差和速度就变化了。
接着，运动控制程序1071根据确定步骤1090确定位置误差是否小于预定的最小值。这一步骤的目的是确定开关操作是否基本完成。如果确定位置误差小于预定的最小值，根据离开决定步骤1090的“YES”路径，运动控制程序1071终止反馈过程，根据步骤1091重新设置不同的状态标记并放弃控制回到TINT中断程序1070，其中TINT中断程序1070等待下一个电压过零点和下一个VINT中断信号的产生。
如果确定位置误差不小于预定的最小值，根据离开决定方块1090的“NO”路径，运动控制程序1071继续计算电流控制信号，如步骤1092所示。正如以上所解释的，电流控制信号是作为反馈位置误差、速度和传递函数的函数来计算的。当然，电流控制信号控制流过音圈绕组10的电流量以及加在音圈驱动器上以使触点71运动的力。然后TINT中断程序1070为下一个TINT中断信号做准备，该过程自我重复直到到达电压过零点的同时完成开关操作。
本发明的描述参考了多个示范性的实施例。但是，对本领域的技术人员来说显然可以在不违背本发明主题的情况下用不同于上述示范性实施例的特定形式来体现本发明。本说明书中所述示范性实施例仅是说明性的而非限制性的。本发明的范围由权利要求而不是上述描述给出，所有落在权利要求范围内的变形以及等价替换都处于权利要求的保护范围之内。

Claims (37)

1.用于电子开关设备的闭环反馈控制系统，包括：
微处理器；
电流发生装置，有效连接到所述微处理器，用于为移动电子开关设备中至少两个开关设备触点中的其中一个提供调节驱动器所需的驱动电流；以及
位置反馈装置，有效连接到至少两个触点中的其中一个，用于为微处理器提供触点位置信息，
其中，所述微处理器包括用于实时控制所述电流发生装置的装置，在开关操作过程中，作为初始触点位置和由所述位置反馈装置所提供的当前触点位置的函数，使得至少一个触点根据预定的运动曲线从初始触点位置移到最终触点位置，以便提供AC波形同步开关。
2.根据权利要求1的闭环反馈控制系统，其中，所述用于控制所述电流发生装置的装置包括：
在开关操作过程中将开关操作性能数据与预定的运动曲线相比较的装置；
在开关操作过程中基于开关操作性能数据和预定运动曲线的比较，通过调整与闭环反馈控制系统相关的传递函数来修改至少一个触点的运动曲线的装置。
3.根据权利要求1的闭环反馈控制系统，其中，所述微处理器还包括：
存储来自一个或多个先前开关操作的过去开关操作性能数据的装置；
将过去开关操作性能数据与理想性能曲线相比较的装置；以及
基于过去的开关操作性能数据和理想运动曲线的比较，通过调整与闭环反馈控制系统相关的传递函数来修改预定运动曲线的装置。
4.根据权利要求1的闭环反馈控制系统，其中，所述控制所述电流发生装置的装置包括：
作为与AC波形相关的定时信息的函数起动开关操作的装置。
5.根据权利要求4的闭环反馈控制系统，其中，所述控制所述电流发生装置的装置还包括：
存储来自一个或多个先前开关操作的过去开关操作性能数据的装置；
作为过去开关操作性能数据的函数调整所述开关操作起动装置的装置。
6.根据权利要求5的闭环反馈控制系统，其中，过去开关操作性能数据包括AC波形同步化的量度。
7.根据权利要求4的闭环反馈控制系统，其中，定时信息包括一个或多个脉冲，每一脉冲作为AC波形上相应过零点的结果而同时产生，以及其中相邻脉冲之间的时间周期相当于AC波形的半个周期。
8.根据权利要求7的闭环反馈控制系统，其中，所述控制电流发生装置的装置还包括：
作为一个或多个脉冲中的每一个的结果而同时产生的产生过零点中断信号的装置；
在每个过零点中断信号之间的周期期间产生预定数量的定时时间间隔中断信号的装置，其中所述起动开关操作的装置与预定的定时时间间隔中断信号之一同时起动。
9.根据权利要求4的闭环反馈控制系统，其中，定时信息包括作为两个开关设备触点两端过零电压微分的结果而同时产生的定时脉冲。
10.根据权利要求1的闭环反馈控制系统，其中，所述位置反馈装置包括：
基于前一开关操作过程中至少一个触点行进总距离为所述电流发生控制装置提供初始触点位置的装置。
11.根据权利要求1的闭环反馈控制系统，其中，用于移动两个开关设备触点中至少其中之一的驱动器与音圈相关联。
12.根据权利要求1的闭环反馈控制系统，其中，用于移动两个开关设备触点中至少其中之一的驱动器与直线电动机相关联。
13.根据权利要求1的闭环反馈控制系统，其中，用于移动两个开关设备触点中至少其中之一的驱动器与液压单元相关联。
14.电容器开关，包括：
包含至少一个可动触点的断流器；
连接到至少一个可动触点的驱动器；
闭环反馈运动控制电路包括：
微处理器，
脉宽调制(PWM)电路，有效连接到所述微处理器，其中所述PWM电路产生用于所述驱动器的驱动电流，所述驱动器在开关操作过程中需要驱动至少一个可动触点从初始触点位置到最终触点位置，
光耦合到至少一个触点的位置传感器，
解码器，其中所述解码器从所述位置传感器接收且解码触点位置数据并将解码后的触点位置数据送入所述微处理器，
其中所述微处理器包括在开关操作过程中实时控制基于初始触点位置、当前的触点位置反馈信号和当前的触点速度反馈信号的触点位置和速度的闭环反馈装置，使得开关操作与电容器开关两端的AC电压波形同步化。
15.根据权利要求14的电容器开关，其中所述PWM电路包括：
数模转换器；以及
功率放大器。
16.根据权利要求14的电容器开关，其中所述位置传感器是光学正交编码器。
17.根据权利要求14的电容器开关，其中所述控制触点位置和速度的闭环反馈装置包括：
从触点位置反馈信号导出触点速度反馈信号的装置；
将触点速度反馈信号与预定的运动曲线相比较的装置；以及
作为触点速度反馈信号和预定的运动曲线之间的比较的函数来调整所述PWM电路所产生的电流的装置。
18.根据权利要求14的电容器开关，其中所述微处理器还包括：
存储与一个或多个先前开关操作相关的速度反馈数据的装置；
将来自一个或多个先前开关操作的速度反馈数据与预定的运动曲线相比较的装置；以及
基于来自一个或多个先前开关操作的速度反馈数据和预定运动曲线之间的比较，通过调整与所述闭环反馈运动控制电路相关的传递函数来修改预定的运动曲线的装置。
19.根据权利要求14的电容器开关，还包括：
AC电压波形分析电路；以及
电容器开关控制接口。
20.根据权利要求19的电容器开关，其中所述微处理器还包括：
接收来自所述AC电压波形分析电路的定时信息的装置；
接收来自所述电容器开关控制接口的开关操作执行命令的装置；以及
起动作为定时信息和开关操作执行命令的函数开关操作的装置。
21.根据权利要求20的电容器电路，其中所述微处理器还包括：
存储来自一个或多个先前开关操作的开关操作性能数据的装置；
基于来自一个或多个先前开关操作的开关操作性能数据调整开关操作起动装置的装置，其中来自一个或多个先前开关操作的开关操作性能数据包括AC电压波形同步化的量度。
22.根据权利要求20的电容器开关，其中定时信息包括多个定时脉冲，以及其中每个定时脉冲作为AC电压波形上电压过零点的函数而由AC电压波形分析电路同时产生。
23.根据权利要求22的电容器开关，其中定时信息包括电压过零中断信号，每个信号作为相应定时脉冲的结果而由所述微处理器同时产生。
24.根据权利要求23的电容器开关，其中定时信息包括在相邻零电压中断信号之间的时间期间由微处理器在等间隔的时间间隔所产生的多个定时时间间隔中断信号。
25.根据权利要求20的电容器开关，其中定时信息包括与电容器开关触点两端过零电压微分相关的定时脉冲。
26.根据权利要求14的电容器开关，其中所述驱动器与音圈相关联。
27.根据权利要求14的电容器开关，其中，所述驱动器与直线电动机相关联。
28.根据权利要求14的电容器开关，其中，所述驱动器与液压单元相关联。
29.用于在开关操作过程中控制电子开关设备中至少一个触点的闭环反馈方法，所述方法包括的步骤有：
产生移动至少一个触点所需的驱动电流；
在开关操作过程中实时地产生触点位置反馈数据；
在开关操作过程中，作为初始触点位置和实时触点位置反馈数据的函数，实时控制调节至少一个触点运动所需的驱动电流的产生，使得至少一个触点根据预定运动曲线从初始触点位置移到最终触点位置，以便提供AC电压或电流波形同步开关。
30.根据权利要求29的方法，其中所述控制在开关操作过程中实时调节至少一个触点的运动所需驱动电流的产生的步骤包括以下步骤：
从实时触点位置反馈数据导出实时触点速度反馈数据；
将实时触点速度反馈数据与预定的运动曲线相比较；以及
作为触点速度反馈数据和预定的运动曲线之间的比较的函数调整至少一个触点的运动所需的驱动电流。
31.根据权利要求29的方法，还包括以下步骤：
存储与一个或多个先前开关操作相关的触点速度反馈数据；
将来自一个或多个先前开关操作的触点速度反馈数据与预定的运动曲线相比较；以及
基于来自一个或多个先前开关操作的触点速度反馈数据与预定的运动曲线的比较修改预定运动运动曲线。
32.根据权利要求29的方法，还包括以下步骤：
起动作为定时信息和开关操作执行命令的函数的开关操作，其中定时信息与AC电压波形分析电路有关。
33.根据权利要求32的方法，还包括以下步骤：
存储来自一个或多个先前开关操作的开关操作性能数据；
基于来自一个或多个先前开关操作的开关操作性能数据调整开关操作起动，其中来自一个或多个开关操作的开关操作性能数据包括AC电压或电流波形同步化的量度。
34.根据权利要求32的方法，其中定时信息包括定时脉冲，每个定时脉冲分别与AC电压或电流波形上的电压过零点或电流过零点有关。
35.根据权利要求34的方法，其中定时信息包括电压过零或电流过零中断信号，每个信号作为相应定时脉冲的结果而同时产生。
36.根据权利要求35的方法，其中定时信息包括多个定时时间间隔中断信号，每个信号与相邻电压过零或电流过零中断信号之间的多个等间隔定时间隔中的其中一个有关。
37.根据权利要求32的方法，其中定时信息包括与开关设备触点两端的零电压微分有关的定时信息。
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