专利名称：能量互馈式双直线感应电机操动机构控制装置及控制方法
技术领域：
本发明属于电机操动机构技术领域。
背景技术：
断路器用直线感应电机操动机构主要是通过电机次级运动驱动连杆机构来带动 灭弧室的绝缘拉杆运动，实现断路器的分合闸操作。由于断路器正常工作电压在几十千伏 甚至更高的电压环境下，常规验证其操动机构性能是否满足断路器要求的实验只能在空载 条件下进行。而断路器负载时分合闸曲线与空载条件下的分合闸曲线有些差距，常规的试 验装置不能很好的验证直线感应电机操动机构设计的合理性和有效性。另外，常规的试验 装置没有能量反馈环节，造成能量的浪费。
发明内容
本发明提供一种能量互馈式双直线感应电机操动机构控制装置及控制方法，对能 量互馈式双直线感应电机操动机构试验装置进行了完善。本发明的技术方案如下
能量互馈式双直线感应电机操动机构控制装置，其特征在于所述装置包括电源单元、 控制单元、驱动单元、反馈单元、通信单元和控制对象；
电源单元由以不可控二极管三相桥式整流器为核心的整流电路及放电电路构成； 控制单元由以DSP芯片为核心的控制电路构成，包括DSP最小系统和信号转换电路； 驱动单元由智能IPM模块、驱动保护电路和电源单元放电驱动电路构成； 反馈单元是由速度位置检测电路、电流检测电路和电压检测电路构成； 通信单元由CAN总线和上位机构成； 控制对象为双直线感应电机操动机构；
电源单元分别与控制对象、控制单元、驱动单元及反馈单元相连，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，控制单元与通信单元相连。所述控制单元与上位机通过CAN总线连接。所述双直线感应电机包括两个初级定子和一个次级定子。能量互馈式双直线感应电机操动机构控制装置的控制方法，其特征在于所述控 制方法的步骤为
步骤一、DSP初始化； 步骤二、初始化寄存器和变量； 步骤三、初始化中断向量； 步骤四、开中断；
步骤五、判断是否有通用定时器下溢中断产生；如果是，进入步骤六，如果否，返回步骤
一；
步骤六、计算电机速度和运动方向；步骤七、电流电压采样； 步骤八、速度的模糊PID调节； 步骤九、电流的PID调节； 步骤十、产生PWM波； 步骤i^一、中断退出。为了完善能量互馈式双直线感应电机操动机构试验装置，本发明提供一种能量 互馈式双直线感应电机操动机构控制系统，一方面以DSP为核心设计硬件电路，采用先进 的控制算法对双直线感应电机动作进行控制；另一方面通过CAN总线技术实现控制装置与 上位机的通信，将系统运行数据在上位机上显示出来。本系统采用速度给定，让双直线感应 电机的动作曲线严格跟随给定曲线。其调速方法采用变频调速方式，其优点是将计算出的 电机速度曲线与给定曲线对比，并根据系统对电源的电压和频率需要，连续不断的进行控 制调节，即在实时计算基础上，满足控制系统的性能要求。在控制策略上本发明采用模糊 PID控制，由于所要控制的电机工作于起动和制动状态，而传统的电机控制理论及方法都 是应用于电机处在恒定负载且稳定运行的状态下，故本发明在研究模糊控制及常规PID控 制理论的基础上通过改变模糊控制规则和模糊推理合成规则构建新的模糊PID算法应用 到瞬态电机控制中。
图1为能量互馈式双直线感应电机结构示意图； 图2为能量互馈式双直线感应电机试验装置控制系统结构框图； 图3为控制系统主程序流程图； 图4为电源单元电路图； 图5为IPM驱动保护电路图； 图6为电流传感器连接图； 图7为光栅尺与DSP连接电路； 图8为CAN总线和TMS320F28335硬件连接图； 图9为CAN模块的初始化流程图； 图10为产生PWM信号流程图； 图11为模糊PID算法流程图； 图12为断路器合的速度曲线； 图13为分闸动触头的速度曲线。
具体实施例方式
本发明中的控制装置工作原理为DSP通过处理反馈信号获得双直线感应电机位置信 号，确定试验装置下一步动作信息，然后调出给定速度曲线发出驱动信号，通过驱动IPM模 块驱动第一直线感应电机动作，第一直线感应电机带动联轴的第二直线感应电机动作。DSP 实时检测双直线感应电机反馈信息，并按给定曲线进行调节，使试验装置实现对圆筒直线 感应电机驱动断路器动作进行模拟；同时，DSP将系统的运行状态信息通过CAN总线传送到 上位机上，通过开发的CAN通信界面显示出来。下面结合附图对本发明进行具体说明
图1为本发明所述能量互馈式双直线感应电机结构示意图，如图所示，双直线感应电机是由普通直线感应电机的一个初级变成两个初级定子1、次级定子2不变演变来的。该 装置通过第一直线感应电机(第一初级)动作带动联轴的第二直线感应电机(第二初级)一 起运行模拟圆筒直线感应电机驱动断路器动作。第一直线感应电机(模拟圆筒直线感应电 机)处于电动状态，第二直线感应电机(模拟断路器)处于发电状态，发出的三相交流电经逆 变器回馈到直流侧供给第一直线感应电机使用或回馈到电网，使得能量得到循环利用。通 过调整第二直线感应电机的转差频率，改变发电机推力的大小，从而达到模拟断路器在负 载变化时分合间操作的目的。本发明针对能量互馈式双直线感应电机试验装置的要求设计 了相应的控制系统。图2为能量互馈式双直线感应电机试验装置控制系统结构框图，如图所示，系统 硬件电路设计是基于DSP的控制系统，包括电源单元、控制单元、驱动单元、反馈单元及通
信单元。控制对象为双直线感应电机操动机构。电源单元是由以不可控二极管三相桥式整流器为核心的整流电路及放电电路构 成，该单元具有滤波电容可以输出稳定平滑的直流电，将直流电与IPM模块的两端相连为 功率器件提供直流电压。控制单元由以DSP芯片为核心的控制电路构成，也是整个控制系统的核心，该控 制电路包括DSP最小系统和信号转换电路，DSP芯片用来完成模糊PID控制算法、PWM信号 产生、系统相关量的检测与处理等。驱动单元是由电源单元放电驱动电路、智能功率模块IPM及其驱动保护电路构 成，该单元实现电源单元保护及将直流电转变成电压和频率可变的交流电的功能。反馈单元是由速度位置检测电路、电流检测电路和电压检测电路构成。反馈单元 检测控制系统的运行信息并反馈给主控芯片DSP，为控制算法的计算及上位机显示提供数 据。通信单元由CAN总线和上位机构成，该单元是基于CAN总线技术实现控制装置与 上位机之间的通信，CAN总线将系统的运行信息，传递给上位机并在开发的CAN通讯界面上 将系统运行信息显示出来。电源单元分别与控制对象、控制单元、驱动单元及反馈单元相连，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，控制单元与通信单元相连，控制单 元与通信单元之间通过仿真器连接，仿真器用于将调试好的软件程序烧录到DSP芯片中。本发明所述控制装置的控制方法最终由嵌入DSP芯片的程序来实现。控制系统得 到动作指令后，控制单元就会不断的以中断的形式调用速度伺服控制程序并通过模糊PID 控制方法和PID控制方法实时调整双直线感应电机操动机构的速度、电流，使装置快速稳 定的跟随给定的速度曲线。本发明的控制系统软件包括速度闭环模糊PID控制算法、电流闭环PID控制算法 及CAN通讯程序。通过在DSP芯片上实现控制算法控制双直线感应电机试验装置运动，编 写相应的CAN通讯程序实现控制装置与上位机的通讯，并将控制系统的信息反映到开发的 通讯界面上。控制系统软件流程进行功能划分，分为以下几个功能模块
1.初始化模块；
2.CAN通信模块；3.电压采样模块；
4.电流采样模块；
5.位置、速度采样模块；
6.速度的模糊PID调节模块；
7.电流的PID调节模块；
8.PWM信号输出模块；
通过针对各个模块编写程序，来实现这些模块的功能，从而形成了能量互馈式双直线 感应电机控制装置的整体软件体系。DSP的主程序流程图如附图3所示，主程序用来完成各个外设的初始化，完成对变 量的赋值，设定时钟频率，使之工作在预设的环境中；接着初始化中断向量表，在该程序中 用到了通用定时器的下溢中断和捕获单元的捕获中断，接着使能通用定时器的下溢中断和 捕获单元的捕获中断，同时使所要用到的中断映射到对应的中断服务子程序中，即在一个 PWM周期会发生一次下溢中断和捕获中断，最后是开全局中断。在通用定时器的下溢中断中 程序完成电压、电流及位置、速度信息的检测，AD采样。在根据所检测到的数据进行计算， 最后将计算值送入到事件管理器比较单元的比较寄存器，进行比较匹配产生PWM信号，控 制功率模块产生驱动电压。图4为电源单元电路示意图。如图所示，桥式整流器加上了大容量电容器，以稳定 直流电压和滤波。直流侧设置了放电电路，当双直线感应电机试验装置发生故障时，可控制 放电功率管IGBT导通，把电容上的电能消耗在放电电阻R4上；直流侧串联限流电阻R1，其 作用是在控制装置运行前，使电容Cl、C2预先有一较小的充电电流，减小瞬间大电流充电 对电容器的冲击，保护整流器和电容器组。整个电源单元电路采用继电器控制，充电时给继 电器端口发送一个高电平，继电器开关动作使电容两端连接到整流桥上，给电容器充电；当 不需要充电时给继电器一个低电平，断开充电电路，在控制装置中继电器起到智能控制的 作用。图中K为继电器开关，R2为分压电阻，R3为电压检测电阻。图5为IPM驱动保护电路示意图。如图所示，IPM的栅极驱动电压直接影响其动 态和静态特性，故使用是要设计合理的驱动保护电路，本发明设计的驱动保护电路采用以 富士公司生产的IPM专用驱动芯片VLA517-01R为核心搭建的电路。稳压二极管Dl、D2保 证了驱动电压有较陡的前后沿，并把导通及关断电压钳位在+15V和-5V ；VLA517-01R具有 过流保护功能，当检测到过流时发光二极管D3变亮，同时关输出电压下降关断IPM模块。图6为电流传感器的连接图。如图所示，根据双直线感应电机试验装置控制原理 知电流检测的精度和实时性是整个模糊PID控制策略实现的关键，因此电流检测必须精度 高和反应速度快，显然普通的霍尔电流传感器难以满足要求，为此本发明采用CLSM-200LA 型高精度霍尔电流传感器。该传感器利用霍尔效应和磁平衡方法，输出与被测电流成正比 电流信号、反应时间小于0. 5us、线性度小于0. 1%可作为本发明装置中的电流反馈元件。根 据双直线电机电流及DSP对反馈信号的要求，选择20 Ω的采样电阻使输出电压小于3伏， 可以直接接到DSP芯片的AD管脚。图7为光栅尺与DSP连接电路图。如图所示，双直线感应电机位置信号的检测是 实现其精密控制的重要因素，本发明采用英国RENISHAW公司的RGHMX系列高精度光栅尺， 它的分辨率为IMffl。安装好的光栅尺在直线电机运动的情况下，输出与位置信息相关的三路脉冲信号包括用来检测电机运动的位置信息的两路正交编码脉冲信号A和B以及一路直线 运动过程中零点位置的参考信号Z。DSP通过捉参考信号Z信息来确定电机位置与零点间 的差值。正交编码脉冲信号A、B，分别被QEPI和QEPZ接收，根据A和B脉冲信号的相位差 是+90°还是一 90°来确定电机的运动方向，同时DSP的计数器对脉冲信号进行计数，通过 前后两次计数器中计数差值确定电机运动的距离，在DSP的速度计算子程序中可以得到电 机运动的速度信息。图8为CAN总线和TMS320F283!35硬件连接图。如图所示，由于TMS320M8335内 部集成了增强型eCAN通信模块，使得CAN总线通信电路的设计变得非常简单。将DSP的 CAN控制器的收发信号CANTX、CANRX经具有隔离功能的CAN收发器CTM8251连接到CAN物 理总线。总线末端连接120Ω电阻，用于传输线的阻抗匹配，提高总线的抗干扰能力。图9为CAN模块的初始化流程图。DSP使用CAN模块时，必须对其初始化，通过对 寄存器CANTI0C和CANRI0C的控制，设置CANTX和CANRX作为CAN通信接口引脚。图10为产生PWM信号流程图；利用DSP控制功率器件三个桥臂上的 IGBT不同开关状态来产生PWM信号。利用Park逆变换将旋转坐标系的电压信号
Ud和Mig转化为静止平面坐标系下的两相正交电压Ma和，，需要注意的是此处进行
Park逆变换中的0是电角度，直线电机的极对数乘以机械角度可以计算出电角度，在本研
究中的直线电机的极对数为1，因此电角度和机械角度相等。不断更新比较寄存器的值，通 过空间矢量算法得到处在不同扇区的PWM波的占空比，计算出比较寄存器的值，最后就可 以输出相应的PWM波。图11为模糊PID算法流程图。如图所示，直线电机的运动速度可以通过检测到的 位置信号计算得到，由于光栅尺的分辨率是lMffl，每产生一个计数脉冲，电机会运动Mm，读 取通用定时器GPI的计数寄存器T2CNT的值可以知道当前位移量。在每次中断中就可以通 过得到的位移量计算出此时电机的运动速度。速度闭环采用模糊PID控制，它的两个输入 量分别是速度误差e和误差的变化率ec，其中从位移闭环输出的量即为速度的给定值，通 过光栅尺计算得到的速度是反馈量，计算出它们的误差作为模糊控制器的输入。通过DSP 芯片计算实时输入量，同时将它们作模糊化处理，根据输入的速度信号误差和误差变化率 得出此刻的模糊推理输出量，即得到ΔΚρ、ΔΚ 、ΔΚ(1、的值，然后加到上个周期的PID控制 参数Kp、Ki、Kd上，更新PID控制器的三个参数。图12为断路器合的速度曲线，图13为分闸动触头的速度曲线，其中横轴t代表时 间，纵轴V代表速度。
权利要求
1.能量互馈式双直线感应电机操动机构控制装置，其特征在于所述装置包括电源单 元、控制单元、驱动单元、反馈单元、通信单元和控制对象；电源单元由以不可控二极管三相桥式整流器为核心的整流电路及放电电路构成； 控制单元由以DSP芯片为核心的控制电路构成，包括DSP最小系统和信号转换电路； 驱动单元由智能IPM模块、驱动保护电路和电源单元放电驱动电路构成； 反馈单元是由速度位置检测电路、电流检测电路和电压检测电路构成； 通信单元由CAN总线和上位机构成； 控制对象为双直线感应电机操动机构；电源单元分别与控制对象、控制单元、驱动单元及反馈单元相连，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，控制单元与通信单元相连。
2.根据权利要求1所述能量互馈式双直线感应电机操动机构控制装置，其特征在于 所述控制单元与上位机通过CAN总线连接。
3.根据权利要求1所述能量互馈式双直线感应电机操动机构控制装置，其特征在于 所述双直线感应电机包括两个初级定子和一个次级定子。
4.如权利要求1所述能量互馈式双直线感应电机操动机构控制装置的控制方法，其特 征在于所述控制方法的步骤为步骤一、DSP初始化； 步骤二、初始化寄存器和变量； 步骤三、初始化中断向量； 步骤四、开中断；步骤五、判断是否有通用定时器下溢中断产生；如果是，进入步骤六，如果否，返回步骤一；步骤六、计算电机速度和运动方向； 步骤七、电流电压采样； 步骤八、速度的模糊PID调节； 步骤九、电流的PID调节； 步骤十、产生PWM波； 步骤i^一、中断退出。
全文摘要
能量互馈式双直线感应电机操动机构控制装置及控制方法，所述装置包括电源单元、控制单元、驱动单元、反馈单元、通信单元和控制对象；电源单元分别与控制对象、控制单元、驱动单元及反馈单元相连，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，控制单元与通信单元相连。控制方法为DSP初始化；初始化寄存器和变量；初始化中断向量；开中断；判断是否有通用定时器下溢中断产生；如果是，进入步骤六，如果否，返回步骤一；计算电机速度和运动方向；电流电压采样；速度的模糊PID调节；电流的PID调节；产生PWM波；中断退出。本发明的控制装置，对能量互馈式双直线感应电机操动机构试验装置进行了完善。
文档编号H02P5/74GK102064752SQ20101055653
公开日2011年5月18日 申请日期2010年11月24日 优先权日2010年11月24日
发明者刘爱民, 张红奎, 李永祥, 杨光 申请人:沈阳工业大学