CN200944383Y - 高压断路器动触头位置伺服控制装置 - Google Patents

Abstract

一种高压断路器动触头位置伺服控制装置，包括电源单元、控制单元、驱动单元及反馈单元，其控制对象包括断路器动触头和操动机构，电源单元分别与控制单元、驱动单元相连，控制对象分别与驱动单元、反馈单元相连，驱动单元又与控制单元相连。本实用新型可用于各种高压断路器的操动系统中，通过伺服控制使高压断路器动触头始终都能严格按照理想的特性曲线运动，从而能够补偿由断路器间的差异和断路器系统内注入的变化所引起的操动特性的改变。有利于提高断路器关合、开断能力，以及断路器的机械、电气寿命和可靠性。此外，通过伺服控制可以让机构产生反向操动力来取代传统操动机构的缓冲装置的作用，达到简化机构的目的。

Description

高压断路器动触头位置伺服控制装置

技术领域

本实用新型涉及一种高压断路器动触头位置伺服控制装置，用于控制与高压开关设备相配合使用的永磁机构或电动机操动机构及高压断路器动触头位置。

背景技术

传统的操动机构主要是由连杆、锁扣以及能量供应系统等几部分组成，环节多、累计运动公差大且响应缓慢、可控性差、效率低。响应时间一般要几十毫秒。另外这些操动机构的动作时间分散性也比较大，对于交流控制信号甚至大于10ms，即使采用直流操作，动作时间的分散性也在毫秒级。上述操动机构只能实现断路器动作要求，不能实现对操动过程的调节和控制，因此在这种操动机构中高压断路器的动触头运动特性难以达到理想的水平。

实用新型内容

针对现有高压开关操动技术中存在的问题，本实用新型提出一种基于微计算机控制、电力电子驱动的高压断路器动触头位置伺服控制装置，实现其动触头移动位置、速度可控可调，响应速度快，合闸特性好的效果。

本实用新型装置包括电源单元、控制单元、驱动单元及反馈单元，其控制对象包括高压断路器动触头和操动机构，电源单元分别与控制单元、驱动单元相连，控制对象分别与驱动单元、反馈单元相连，驱动单元又与控制单元相连。其中电源单元是由充电回路和电容器组或是蓄电池；控制单元是以DSP、单片机或其他具有高速计算能力的微处理器为核心的控制模块，来完成整个系统的控制，该模块还包括隔离驱动电路、信号转换电路，隔离驱动电路接于DSP的输出端，信号转换电路接于DSP的输入端；驱动单元是由绝缘栅双极晶体管(IGBT)或场效应晶体管(MOSFET)元件组成的桥式电路；反馈单元是由高精度的传感器构成；操动机构为电机机构或永磁机构。电源单元分别与控制单元的控制模块、驱动单元的桥式电路相连，控制单元中控制模块通过信号转换电路与反馈单元连接，通过隔离驱动电路与驱动单元的桥式电路连接，驱动单元的桥式电路再与操动机构连接，反馈单元的传感器置于高压断路器动触头位置。

控制单元发出控制信号给驱动单元，使调节电源单元输出合适的电能从而对控制对象进行控制，反馈单元将检测的动触头实际的位置、速度信号反馈回控制单元，控制单元通过采集、处理并与存储器内的理想特性曲线(即用户给定的较合理的特性曲线)进行比较，得出进一步的控制信号对操动机构进行控制。这样，反馈信号不断的进入控制单元，控制单元不断的发出使断路器动触头接近理想曲线的控制指令。通过对操动全过程控制，使机构都能严格按照预定的方式进行运动，从而保持尽可能小的偏差，获得接近于理想的断路器分、合闸速度行程特性曲线。

本实用新型的控制系统，得到分、和闸指令后，控制单元就会不断的以中断的形式调用位置伺服控制程序来调整动触头的位置，该伺服控制程序包括以下步骤：

1)中断入口；

2)现场保护；

3)动触头位置读取；

4)与理想曲线比较；

5)确定控制单元下一步的输出值；

6)确定占空比；

7)更新PWM寄存器；

8)现场恢复；

9)返回。

本实用新型可用于各种高压断路器的操动系统(永磁机构、电机机构的控制系统)中，克服了传统操动机构操动过程不可控的缺点。通过伺服控制使高压断路器动触头始终都能严格按照理想的特性曲线运动，从而能够补偿由断路器间的差异和断路器系统内注入的变化(如：触头和机构磨损及外部环境因素)所引起的操动特性的改变。本实用新型有利于提高断路器关合、开断能力，以及断路器的机械、电气寿命和可靠性。此外，通过伺服控制可以让机构产生反向操动力来取代传统操动机构的缓冲装置的作用，达到简化机构的目的。

附图说明

图1为本实用新型装置结构示意图；

图2是图1中操动机构是单稳态永磁操动机构的电路原理图；

图3是图2的控制方法伺服控制程序流程图；

图4是图1中操动机构为双稳态永磁操动机构的电路原理图；

图5是图4的控制方法伺服控制程序流程图；

图6是图1中操动机构为电机操动机构的电路原理图；

图7是图6的控制方法伺服控制程序流程图；

图8是图6中的电平转换电路原理图；本图中只给出了连接其中一个霍尔传感器时的电路，另一个的连接电路与其相同，只是最终的信号要接到DSP的ADCIN01口；

图9为电容电压监测及其充放电控制电路原理图；

图10为某一10kV真空断路器的理想行程曲线；

图中1.电源单元，2.控制单元，3.驱动单元，4.控制对象，5.反馈单元，6.断路器动触头，7.操动机构，IOPE3即为DSP的一个端子，图9中的端子a、b与驱动单元中的a、b连接在同一点。

具体实施方式：

下面结合附图对本实用新型进行详细说明：

实施例1：本实用新型的装置结构如图1所示，包括电源单元1、控制单元2、驱动单元3及反馈单元5，其控制对象4包括断路器动触头6和操动机构7，电源单元1分别与控制单元2、驱动单元3相连，控制对象4分别与驱动单元3、反馈单元5相连，驱动单元3又与控制单元2相连。

当操动机构7为单稳态永磁操动机构时，本实用新型装置的硬件连接关系如图2所示。电源单元1是由充电回路和电容器组组成，其电容器组电压监测及其充放电控制电路原理如图9所示，图9中的输入端口IOPE3与控制单元2的主控制芯片TMS320LF2407输出端口IOPE3连接，直流电源输出a、b端子与图2中驱动单元的a、b连接在同一点；控制单元2是由TI公司的TMS320LF2407A系列DSP作为主控制芯片的控制模块，该模块还包括隔离驱动电路芯片LR2130、信号转换芯片LVCH245A和MC3486，隔离驱动电路芯片LR2130接于DSP的PWM输出端口，信号转换电路芯片LVCH245A和MC3486相接并接于DSP的捕获管脚和QEP管脚；驱动单元3由四个IGBT组成H桥型驱动电路，线圈通以正向电流IGBT1和IGBT4导通，通以反向电流时，IGBT2和IGBT3导通；反馈单元由光栅尺构成。电源单元1分别与控制单元2的控制模块DSP、驱动单元3的桥式电路相连，控制单元2中控制模块DSP通过信号转换电路LVCH245A和MC3486与反馈单元5的光栅尺连接，通过隔离驱动电路芯片LR2130与驱动单元3的H桥型驱动电路连接，驱动单元3的桥式电路再与操动机构连接，反馈单元5的传感器光栅尺置于高压断路器动触头6位置。DSP对光栅尺反馈回来的电信号进行采样处理，与动触头理想位置曲线(如图10所示)进行对比分析，得出下一步的控制信号，通过控制输出合适占空比的PWM波来实现对永磁机构的线圈电流大小和方向的控制，从而使操动机构按照理想行程曲线位置特性进行动作。

本实施例的控制方法最终由嵌入DSP芯片的程序实现，控制系统得到分、和闸指令后，控制单元就会不断的以中断的形式调用位置伺服控制程序来调整动触头的位置，该伺服控制程序包括以下步骤：如图3所示：

步骤一、中断入口；

步骤二、现场保护；

步骤三、动触头位置读取；

控制单元2读取光栅尺反馈回来动触头6的位置信号，此时位置信号是由电信号表示的，设此时读取的实际位置信号是y(t)；

步骤四、与理想曲线比较；

用读取的位置信号y(t)与理想曲线进行比较，比较结果得到的偏差信号为：

                     e(t)＝r(t)-y(t)

r(t)为理想曲线对应的位置信号为；

y(t)为实际位置信号。

步骤五、确定控制单元下一步输出值；

利用PI调节器的原理确定此次反馈后控制单元的输出u(t)：

$u\left(t\right)=K_P[e\left(t\right)+\frac{1}{T_I}{\∫}_0^{t}e\left(t\right)\mathrm{dt}]+u_0$

式中  K_P--比例系数；

      T_I--积分常数；

      u₀--开始进行PI控制时的原始初值。

为了适应数字控制，需要把上式离散化处理，得到控制单元的下一步输出值u_k如下：

$u_k=K_P{e}_k+T{K}_I\underset{J=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{e}_J+u_0---\left(1\right)$

式中  k--采样序号，k＝0，1，2，…；

      u_k--第k次采样时刻的输出值；

      e_k--第k次采样时刻经的输入偏差值；

      K_I--积分系数，K_I＝K_P/T_I

用此方法确定输出值比较复杂，可进一步简化为，

              u_k＝u_k-1+K_P(e_k-e_k-1)+TK_Ie_k           (2)

并且为了避免产生较大偏差时调节时间过长，采用积分分离法在积分部分加个系数C，如下式：

              u_k＝u_k-1+K_P(e_k-e_k-1)+CTK_Ie_k          (3)

$C=\left\{\begin{array}{c}1,\left|e_k\right|\≤{\mathrm{\δ}}_0\\ 0,\left|e_k\right|\≥{\mathrm{\δ}}_0\end{array}\right.$

步骤六、确定占空比

控制单元下一步控制信号u_k得到之后，根据u_k的值确定PWM输出的占空比，首先确定线圈的通电方向，|e_k|≤δ₀时，说明理想曲线与实际曲线的偏差较小，利用PI调节器的功能改变电流大小来使输出趋向理想曲线；δ≥e_k＞δ₀我们认为偏差不是很大，利用比例环节改变电流大小迅速缩小偏差；但是如果e_k≥δ＞δ₀时，我们认为偏差很大了，利用改变电流方向的方法来控制速度、位置，此种情况一般是在分闸结束前，其输出值还是按照上式(3)确定，

取一定值为u_max，确定占空比α_k：

${\mathrm{\α}}_k=\left\{\begin{array}{c}{u}_k/u_{\max },u_k\≤u_{\max }\\ 1,u_k>u_{\max }\end{array}\right.$

步骤七、将确定的新占空比更新到PWM寄存器；

步骤八、现场恢复；

步骤九、返回，即返回至第一步，继续等待中断。

实施例2：本实用新型的装置结构如图1所示，包括电源单元1、控制单元2、驱动单元3及反馈单元5，其控制对象4包括断路器动触头6和操动机构7，电源单元1分别与控制单元2、驱动单元3相连，控制对象4分别与驱动单元3、反馈单元5相连，驱动单元3又与控制单元2相连。

当操动机构7为双稳态永磁操动机构时，其电路原理如图4所示。电源单元1是由充电回路和电容器组组成，其电容器组电压监测及其充放电控制电路原理如图9所示，图9中的输入端口IOPE3与控制单元2的主控制芯片TMS320LF2407输出端口IOPE3连接，直流电源输出a、b端子与图2中驱动单元的a、b连接在同一点；控制单元2由TI公司的TMS320LF2407A系列DSP作为控制芯片的控制模块，该模块还包括隔离驱动电路芯片LR2130、信号转换芯片LVCH245A和MC3486，隔离驱动电路芯片LR2130接于DSP的PWM输出管脚，信号转换电路芯片LVCH245A和MC3486相接并接于DSP的捕获管脚和QEP管脚；驱动单元3由八个IGBT组成两组H型驱动电路，分别可以使合闸线圈、分闸线圈通以正向或反向电流，合闸线圈通正向电流时IGBT1和IGBT4导通，通以反向电流时，IGBT2和IGBT3导通；或者分闸线圈通正向电流时IGBT5和IGBT8导通，通以反向电流时，IGBT6和IGBT7导通。反馈单元5由高精度的位置传感器光栅尺构成。电源单元1分别与控制单元2的控制模块DSP、驱动单元3的桥式电路相连，控制单元2中控制模块DSP通过信号转换电路LVCH245A和MC3486与反馈单元5的光栅尺连接，通过隔离驱动电路芯片LR2130与驱动单元3的H桥型驱动电路连接，驱动单元3的桥式电路再与操动机构连接，反馈单元5的传感器光栅尺置于高压断路器动触头6位置。DSP对光栅尺反馈回来的信号进行采样处理，与动触头理想位置曲线进行对比分析，得出下一步的控制信号，通过控制输出PWM实现对永磁机构的线圈电流大小和方向的控制，从而使机构按照理想行程曲线进行动作。

本实施例的控制方法最终由嵌入DSP芯片的程序实现，控制系统得到分、和闸指令后，控制单元就会不断的以中断的形式调用位置伺服控制程序来调整动触头的位置，该伺服控制程序包括以下步骤，如图5所示：

步骤一、中断入口；

步骤二、现场保护；

步骤三、动触头位置读取；

控制单元2读取光栅尺反馈回来动触头6的位置信号，此时位置信号是由电信号表示的，设此时读取的实际位置信号是y(t)；

步骤四、与理想曲线比较；

用读取的位置信号y(t)与理想曲线进行比较，比较结果得到的偏差信号为：

                     e(t)＝r(t)-y(t)

r(t)为理想曲线对应的位置信号为；

y(t)为实际位置信号。

步骤五、确定控制单元下一步输出值；

利用PI调节器的原理确定此次反馈后控制单元的输出u(t)：

$u\left(t\right)=K_P[e\left(t\right)+\frac{1}{T_I}{\∫}_0^{t}e\left(t\right)\mathrm{dt}]+u_0$

式中  K_P--比例系数；

      T_I--积分常数；

      u₀--开始进行PI控制时的原始初值。

为了适应数字控制，需要把上式离散化处理，得到控制单元的下一步输出值u_k如下：

$u_k=K_P{e}_k+T{K}_I\underset{J=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{e}_J+u_0---\left(1\right)$

式中  k--采样序号，k＝0，1，2，…；

      u_k--第k次采样时刻的输出值；

      e_k--第k次采样时刻的输入偏差值；

      K_I--积分系数，K_I＝K_P/T_I，

用此方法确定输出值比较复杂，可进一步简化为，

         u_k＝u_k-1+K_P(e_k-e_k-1)+TK_Ie_k        (2)

并且为了避免产生较大偏差时调节时间过长，采用积分分离法在积分部分加个系数C，如下式：

           u_k＝u_k-1+K_P(e_k-e_k-1)+CTK_Ie_k        (3)

$C=\left\{\begin{array}{c}1,\left|e_k\right|\≤{\mathrm{\δ}}_0\\ 0,\left|e_k\right|\≥{\mathrm{\δ}}_0\end{array}\right.$

步骤六、确定占空比

控制单元下一步控制信号u_k得到之后，根据u_k的值确定PWM输出的占空比，首先确定线圈的通电方向，|e_k|≤δ₀时，说明理想曲线与实际曲线的偏差较小，利用PI调节器的功能改变电流大小来使输出趋向理想曲线；δ≥e_k＞δ₀我们认为偏差不是很大，利用比例环节改变电流大小迅速缩小偏差；但是如果e_k≥δ＞δ₀时，我们认为偏差很大了，利用改变通电线圈的方法来控制速度、位置，此种情况一般是在分闸结束前，其输出值还是按照上式(3)确定，

取一定值为u_max，确定占空比α_k：

${\mathrm{\α}}_k=\left\{\begin{array}{c}{u}_k/u_{\max },u_k\≤u_{\max }\\ 1,u_k>u_{\max }\end{array}\right.$

步骤七、将确定的新占空比更新到PWM寄存器；

步骤八、现场恢复；

步骤九、返回。

实施例3：本实用新型的装置结构如图1所示，包括电源单元1、控制单元2、驱动单元3及反馈单元5，其控制对象4包括断路器动触头6和操动机构7，电源单元1分别与控制单元2、驱动单元3相连，控制对象4分别与驱动单元3、反馈单元5相连，驱动单元3又与控制单元2相连。

本例中操动机构7为电动机操动机构，其电机为三相永磁同步电动机，本实用新型装置的硬件连接关系如图6所示，电源单元1是由充电回路和电容器组组成，其电容电压监测及其充放电控制电路原理如图9所示，图9中的输入端口IOPE3与控制单元2的主控制芯片TMS320LF2407输出端口IOPE3连接，控制输出a、b端子与图2中驱动单元的a、b连接在同一点；控制单元2由TI公司的TMS320LF2407A系列DSP作为控制芯片，该模块还包括隔离驱动电路芯片LR2130、信号转换电路芯片LVCH245A和MC3486、电平转换电路，隔离驱动电路芯片LR2130接于DSP的输出端管脚，信号转换电路芯片LVCH245A和MC3486相接并接于DSP的输入端管脚；电平转换电路如图8所示，图8中霍尔传感器信号输入端与图6中的霍尔传感器连接，输出端与图6中的ADCIN00管脚连接，本图中只给出了连接其中一个时的电路，另一个的连接与其相同，只是最终的信号要接到DSP的ADCIN01口；驱动单元3由六个场效应晶体管(MOSFET)组成三相H桥型电路；反馈单元5由高精度的位置传感器光栅尺及两个霍尔传感器构成。电源单元1分别与控制单元2的控制模块DSP、驱动单元3的桥式电路相连，控制单元2中控制模块DSP通过信号转换电路LVCH245A和MC3486与反馈单元5的光栅尺连接，通过隔离驱动电路芯片LR2130与驱动单元3的H桥型驱动电路连接，通过电平转换电路与分别操动机构7中的两个霍尔传感器连接，驱动单元3的桥式电路再与操动机构7连接，反馈单元5的传感器光栅尺置于高压断路器动触头6位置。DSP对反馈单元反馈回来的信号进行采样处理。控制系统采用矢量控制算法来实现对高压断路器动触头6位置闭环的伺服控制。

本实施例的控制方法最终由嵌入DSP芯片的程序实现，控制系统得到分、合闸指令后，控制单元就会不断的以中断的形式调用位置伺服控制程序来调整动触头的位置，该伺服控制程序包括以下步骤，如图7所示：

步骤一、中断入口；

步骤二、现场保护；

步骤三、动触头位置读取；

在DSP内部0°～360°电角度对应16位二进制数的0x0000～0xFFFF，对应转子机械位置角寄存器计数值0～M，所以当寄存器读数为L时，确定实际转子电气位置角度为

$\mathrm{\θ}=\frac{L}{M+1}2\mathrm{\π}{p}_p$

p_p为电机极对数

步骤四、与理想曲线比较，如图10所示；

位置伺服系统给定的理想位置信号为θ^*，与实际信号比较形成误差信号

       Δθ＝θ^*-θ

步骤五、确定下一步输出值；

(1)位置调节：

步骤四中的位置误差信号经过位置调节器PI调节后，输出下一步转子转速给定信号ω^*；

ω^*的确定同实施例1中的步骤五中的式(3)；

确定实际转子转速信号，由实际转子位置信号经过微分得到

       ω＝dθ/dt

指令转子转速给定信号w^*与实际速度比较后形成速度误差信号

       Δω＝ω^*-ω

(2)速度调节：

速度误差信号作为速度调节器的输入，再经过速度调节器，方法同实施例1中的步骤五中的式(3)，调节输出的下一步交轴电流指令i_q ^*，并根据转子转速确定直轴电流指令值i_d ^*；

(3)电流Clarke变换：

霍尔传感器对永磁同步电机三相电流和直流母线电压进行检测，利用转子位置角信号进行Clarke变换，即把三相交流系统等效变换成为两相交流系统，得到实际的两相交流系统下的i_α与i_β；

(4)电流Park变换：

对i_α与i_β进行Park变换，Park变换把两相交流系统等效转换为旋转的直流系统，得出实际的i_q、i_d；

(5)直、交轴电流调节

直轴与交轴的指令电流i_q ^*和i_d ^*，实际电流i_q和i_d比较，经PI调节器调节，同实施例1中的步骤五中的式(3)，分别得到直轴与交轴的电压指令信号u_d ^*和u_q ^*；

(6)Park逆变换：

经过对直轴与交轴的电压指令信号u_d ^*和u_q ^*的Park逆变换，得到定子静止两相交流坐标系统中的电压指令信号u_α ^*和u_β ^*；

(7)确定参数X、Y、Z：

矢量调制过程中引入用于确定电压空间矢量作用时间的3个通用变量X、Y和Z，它们的确定方法如下式所示：

$X=\frac{\sqrt{3}T}{U_{\mathrm{dc}}}{u}_{\mathrm{\β}}^{\·}$

$Y=\frac{\sqrt{3}T}{U_{\mathrm{dc}}}{u}_{\mathrm{\β}}^{\·}+\frac{3T}{2U_{\mathrm{dc}}}{u}_{\mathrm{\α}}^{\·}$

$Z=\frac{\sqrt{3}T}{U_{\mathrm{dc}}}{u}_{\mathrm{\β}}^{\·}-\frac{3T}{2U_{\mathrm{dc}}}{u}_{\mathrm{\α}}^{\·}$

(8)确定扇区编号：

根据指定空间电压矢量可确定其相位角θ，从而确定扇区编号，

$i=\left[\frac{3}{\mathrm{\π}}\mathrm{\θ}\right]+1$

其中：[ ]表示取不超过括号内数的整数；

(9)确定导通时间：

根据不同的扇区编号i的值，确定作用在此扇区的两个工作电压矢量的在半个周期导通时间T₁、T₂如下表1所示：

表1  不同编号下对应的工作电压导通时间

扇区编号i	T1	T2
			1	-Z	X
2	Y	Z
			3	X	-Y
4	Z	-X
			5	-Y	-Z
6	-X	Y

步骤六、确定PWM占空比

半个PWM周期为：T＝T₁+T₂+T₀+T₇

T₀、T₇为零电压矢量在半周期内对应的工作时间，通过改变它们可以改变PWM的周期，因此：PWM占空比的确定如下：

${\mathrm{\α}}_{1k}=\frac{T_1}{T},{\mathrm{\α}}_{2k}=\frac{T_2}{T},{\mathrm{\α}}_{0k}=\frac{T_0}{T},{\mathrm{\α}}_{7k}=\frac{T_7}{T}$

步骤七、将确定的占空比更新到PWM；

步骤八、恢复现场；

步骤九、返回。

以上各例中的电源单元1均可以是蓄电池，其它电路连接关系不变；控制单元2也可以是其他具有高速计算能力的微处理器为核心的控制模块，只要是完成本实用新型的处理功能就可以，例如单片机。

Claims (2)

1、一种高压断路器动触头位置伺服控制装置，其特征在于包括电源单元、控制单元、驱动单元及反馈单元，其控制对象包括断路器动触头和操动机构，电源单元分别与控制单元、驱动单元相连，控制对象分别与驱动单元、反馈单元相连，驱动单元又与控制单元相连。

2、根据权利要求1所述的高压断路器动触头位置伺服控制装置，其特征在于所述电源单元为由充电回路和电容器组组成或蓄电池；控制单元是以DSP、单片机或具有高速计算能力的微处理器为核心的控制模块，该模块还包括隔离驱动电路、信号转换电路，隔离驱动电路接于DSP的PWM输出端，信号转换电路接于DSP的捕获管脚和QEP管脚；驱动单元是由绝缘栅双极晶体管(IGBT)或场效应晶体管(MOSFET)元件组成的桥式电路；反馈单元是由高精度的传感器构成；操动机构为电机机构或永磁机构；电源单元分别与控制单元的控制模块、驱动单元的桥式电路相连，控制单元中控制模块通过信号转换电路与反馈单元连接，通过隔离驱动电路与驱动单元的桥式电路连接，驱动单元的桥式电路再与操动机构连接，反馈单元的传感器置于高压断路器动触头位置。

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