高压断路器线圈激磁直流电机机构的控制装置及控制方法
【专利摘要】高压断路器线圈激磁直流电机机构的控制装置及控制方法，属于电器自动化控制【技术领域】。控制装置：包括电容器调压单元和激磁线圈调磁单元；所述电容器调压单元包括电源模块、整流桥、储能电容器、电容电压检测电路、电容充电控制单元、三相桥式IGBT整流电路、电流传感器、线圈电流检测电路、旋转编码器、分合闸捕获电路及第二电力电子控制单元；所述激磁线圈调磁单元包括两相桥式IGBT整流电路、电流传感器、线圈电流检测电路及第一电力电子控制单元；控制方法：采用模糊PID控制算法进行速度闭环控制，通过调节通过电机激磁线圈的电流进行调磁，通过调节通过电机三相电枢绕组的电流进行调压，从而控制电机按参考速度曲线进行速度输出。
【专利说明】高压断路器线圈激磁直流电机机构的控制装置及控制方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电器自动化控制【技术领域】，特别是涉及一种高压断路器线圈激磁直流电机机构的控制装置及控制方法，主要应用于高压断路器无刷线圈激磁直流电机操动机构。
【背景技术】
[0002]电机操动机构作为断路器的动力机构，具有结构简单、电磁力较大、调节灵活的特点，这为实现断路器操作的快速性和可控性奠定了设计基础。永磁无刷直流电机(PMBLDCM)更是以其高效率、小体积和易控制、显著的长寿命和可靠性等特点在调速领域呈现出了显著优势，但是PMBLDCM转子永磁体存在固有的缺陷如使电机成本上升、永磁磁通无法控制导致有限的恒功率范围和有限的调速范围、永磁体可被大的反向磁动势和高温退磁、转子磁轭与永磁体之间装配的机械强度导致的高速性能下降等，限制了其在高压断路器操动机构的应用范围。
【发明内容】
[0003]针对现有技术存在的问题，本发明提供一种高压断路器线圈激磁直流电机机构的控制装置及控制方法。该控制装置及控制方法能够实现高压断路器无刷线圈激磁直流电机操动机构调磁、调速与调压之间的动态最优化控制。
[0004]为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案，一种高压断路器线圈激磁直流电机机构的控制装置，包括电容器调压单元和激磁线圈调磁单元；所述电容器调压单元包括电源模块、整流桥、储能电容器、电容电压检测电路、电容充电控制单元、三相桥式IGBT整流电路、电流传感器、线圈电流检测电路、旋转编码器、电机速度检测电路、位置传感器、位置捕获电路、中央处理器、分合闸捕获电路及第二电力电子控制单元；所述激磁线圈调磁单元包括两相桥式IGBT整流电路、电流传感器、线圈电流检测电路及第一电力电子控制单元;
[0005]所述分合闸捕获电路的信号输出端与中央处理器的输入端相连接，所述位置传感器的信号输出端与位置捕获电路的输入端相连接，位置捕获电路的输出端与中央处理器的输入端相连接；所述旋转编码器的信号输出端与电机速度检测电路的输入端相连接，电机速度检测电路的输出端与中央处理器的输入端相连接；所述电流传感器的信号输出端与线圈电流检测电路的输入端相连接，线圈电流检测电路的输出端与中央处理器的输入端相连接；所述储能电容器的一路输出端与电容电压检测电路的输入端相连接，电容电压检测电路的输出端与中央处理器的输入端相连接，储能电容器的另一路输出端与三相桥式IGBT整流电路的一路输入端相连接；三相桥式IGBT整流电路的另一路输入端与第二电力电子控制单元的输出端相连接，第二电力电子控制单元的输入端与中央处理器的输出端相连接，三相桥式IGBT整流电路的输出端与电机三相电枢绕组相连接；所述中央处理器的输出端与电容充电控制单元的输入端相连接，电容充电控制单元的输出端与储能电容器的一路输入端相连接，储能电容器的另一路输入端与整流桥的一路输出端相连接，整流桥的另一路输出端与两相桥式IGBT整流电路的一路输入端相连接，两相桥式IGBT整流电路的另一路输入端与第一电力电子控制单元的输出端相连接，第一电力电子控制单元的输入端与中央处理器的输出端相连接；所述整流桥的输入端与电网相连接，两相桥式IGBT整流电路的输出端与电机的激磁线圈相连接，所述电源模块为其它器件提供工作电压。
[0006]采用所述高压断路器线圈激磁直流电机机构的控制装置的控制方法，包括如下步骤:
[0007]步骤一:电网通过整流桥对储能电容器充电，并对两相桥式IGBT整流电路供电；
[0008]步骤二:中央处理器通过电容电压检测电路获得储能电容器的电压值；
[0009]步骤三:判断步骤二中获得的储能电容器的电压值是否达到电压设定值；若是，则通过电容充电控制单元切断储能电容器的充电电路，执行步骤四；若否，转去执行步骤-* ;
[0010]步骤四:中央处理器通过位置传感器和位置捕获电路获得电机转轴所处的位置，确定电机三相电枢绕组所需导通的相序，执行分闸或合闸操作；
[0011 ] 步骤五:旋转编码器检测电机的转速值V，并通过电机速度检测电路将电机的转速值V上传给中央处理器；电流传感器检测电机三相电枢绕组和激磁线圈的电流值i,并通过线圈电流检测电路将电流值i上传给中央处理器；
[0012]步骤六:将步骤五中得到的电机的转速值V和电流值i与参考转速设定值和电流设定值进行比较，得到偏差值与偏差率；
[0013]步骤七:将速 度偏差值与偏差率作为模糊PID控制器的输入，进行模糊PID计算，得到需调节给定速度Δν ；
[0014]步骤八:确定电流调节给定值i%其中:T=Δ i+i，Δ i=KΔ v,式中，i*为电流调节给定值，i为步骤五中得到的电流值，Ai为电流误差值，Λ V为步骤七中得到的需调节给定速度，K为电流调节系数；
[0015]步骤九:比较电流调节给定值1-与最大电压下所对应的电流值Imax的大小，若i*〈Imax，则进行调压转去执行步骤十；若i*>imax，则进行调磁转去执行步骤十一；
[0016]步骤十:确定调压所需的PWM占空比，并通过第二电力电子控制单元控制三相桥式IGBT整流电路，从而调节通过电机三相电枢绕组的电流，并返回执行步骤五；
[0017]步骤^^一:确定调磁所需的PWM占空比，并通过第一电力电子控制单元控制两相桥式IGBT整流电路，从而调节通过电机激磁线圈的电流，并返回执行步骤九；
[0018]步骤十二:结束。
[0019]采用本发明的高压断路器无刷线圈激磁直流电机操动机构，包括无刷线圈激磁直流电机、传动机构、高压断路器及电机伺服控制器，所述传动机构由转轴、拐臂及拉杆组成；
[0020]所述无刷线圈激磁直流电机，包括机壳，在机壳内设置有电机主轴和两组定、转子凸极装置，两组定、转子凸极装置平行排列且完全对称于电机主轴的中间垂直平面；所述定、转子凸极装置由定子铁心和转子铁心组成，所述电机主轴与机壳同轴设置，所述定子铁心固定在机壳的内侧壁上，转子铁心固定在电机主轴上，所述定子铁心与转子铁心之间留有气隙；在所述两组定、转子凸极装置之间的电机主轴上固定设置有卷筒，在卷筒内缠绕有激磁线圈；在所述定子铁心上设置有槽，在槽内缠绕有电枢绕组，所述机壳和电机主轴采用导磁材料；[0021]所述无刷线圈激磁直流电机的电机主轴通过法兰盘与传动机构的转轴固定连接，传动机构的拐臂的一端与转轴相铰接，另一端与传动机构的拉杆的一端相铰接，拉杆的另一端与高压断路器的动触头固定连接；
[0022]本发明还设置有位置信号传感器、角位移传感器、电流传感器和扭矩传感器；所述位置信号传感器安装在机壳上，角位移传感器安装在电机主轴上，扭矩传感器安装在电机主轴与法兰盘之间，所述电流传感器分别与三相电枢绕组和激磁线圈相连接。
[0023]所述电机主轴通过端盖设置在机壳内，在电机主轴与端盖之间设置有轴承。
[0024]所述电枢绕组采用单层集中整距的排布方式。
[0025]本发明的有益效果:
[0026]本发明采用模糊PID控制算法进行速度闭环控制，通过调节通过电机激磁线圈的电流进行调磁，通过调节通过电机三相电枢绕组的电流进行调压，从而控制电机按参考速度曲线进行速度输出，使高压断路器及特高压断路器的动触头运动特性处于受控状态，提高了控制系统的鲁棒性及控制精度；克服了传统永磁无刷直流电机恒功率运行区间小的缺点，使断路器动作速度可调范围扩大，通过本发明可对电机和高压断路器动触头的运动进行实时控制，保证了高压断路器动触头的运动对参考最优速度的良好跟踪性。
[0027]采用本发明的控制装置及控制方法的无刷线圈激磁直流电机，采用通电激磁线圈代替永磁直流电机中的永磁体进行励磁，定子铁心和转子铁心采用凸极式结构；通过调节激磁线圈增减气隙磁通密度，获得宽范围气隙磁通和调速范围，无电刷或导电滑环且无永磁体退磁风险，不仅产生与提供有刷直流系列电机特性的磁场电流近似成正比的电磁转矩，而且可产生与提供开关磁阻电机特性的相电流近似成正比的磁阻转矩，实现速度调节范围大、适应高温高机械碰撞的工作环境，能够满足126kV以上及超高压等级断路器的峰值分闸速度和负载转矩特性要求。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]图1为采用本发明的控制装置及控制方法的高压断路器无刷线圈激磁直流电机操动机构的结构示意图；
[0029]图2为采用本发明的控制装置及控制方法的无刷线圈激磁直流电机的结构示意图；
[0030]图3为图2的A-A剖视图；
[0031]图4为采用本发明的控制装置及控制方法的无刷线圈激磁直流电机的磁通路径示意图；
[0032]图5为本发明的高压断路器线圈激磁直流电机机构的控制装置的电路原理框图；
[0033]图6为本发明的控制装置的一个实施例的电源模块的电路原理图；
[0034]图7为本发明的控制装置的一个实施例的电容电压检测电路的电路原理图；
[0035]图8为本发明的控制装置的一个实施例的电容充电控制单元的电路原理图；
[0036]图9为本发明的控制装置的一个实施例的三相桥式IGBT整流电路的电路原理图；
[0037]图10为本发明的控制装置的一个实施例的两相桥式IGBT整流电路的电路原理图；[0038]图11为本发明的控制装置的一个实施例的电流传感器的电路连接图；
[0039]图12为本发明的控制装置的一个实施例的线圈电流检测电路的电路原理图；
[0040]图13为本发明的控制装置的一个实施例的电机速度检测电路的电路原理图；
[0041]图14为本发明的控制装置的一个实施例的位置传感器的接线图；
[0042]图15为本发明的控制装置的一个实施例的位置捕获电路的电路原理图；
[0043]图16为本发明的控制装置的一个实施例的分合闸捕获电路的电路原理图；
[0044]图17为本发明的控制装置的一个实施例的中央处理器的接线引脚图；
[0045]图18为本发明的控制装置的一个实施例的电力电子控制单元的电路原理图；
[0046]图19为本发明的控制方法的程序流程图；
[0047]图中，1-角位移传感器，2-位置信号传感器，3-槽，4-扭矩传感器，5-法兰盘，6-转轴，7-拐臂，8-拉杆，9-高压断路器，10-无刷线圈激磁直流电机，11-三相电，12-电机伺服控制器，13-电机主轴，14-定子铁心，15-转子铁心，16-卷筒,17-激磁线圈，18-端盖，19-机壳，20-电枢绕组，21-定、转子凸极装置。
【具体实施方式】
[0048]下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
[0049]如图5所示，一种高压断路器线圈激磁直流电机机构的控制装置，包括电容器调压单元和激磁线圈调磁单元；所述电容器调压单元包括电源模块、整流桥、储能电容器、电容电压检测电路、电容充电控制单元、三相桥式IGBT整流电路、电流传感器、线圈电流检测电路、旋转编码器、电机速度检测电路、位置传感器、位置捕获电路、中央处理器、分合闸捕获电路及第二电力电子控制单元；所述激磁线圈调磁单元包括两相桥式IGBT整流电路、电流传感器、线圈电流检测电路及第一电力电子控制单元；
[0050]所述分合闸捕获电路的信号输出端与中央处理器的输入端相连接，所述位置传感器的信号输出端与位置捕获电路的输入端相连接，位置捕获电路的输出端与中央处理器的输入端相连接；所述旋转编码器的信号输出端与电机速度检测电路的输入端相连接，电机速度检测电路的输出端与中央处理器的输入端相连接；所述电流传感器的信号输出端与线圈电流检测电路的输入端相连接，线圈电流检测电路的输出端与中央处理器的输入端相连接；所述储能电容器的一路输出端与电容电压检测电路的输入端相连接，电容电压检测电路的输出端与中央处理器的输入端相连接，储能电容器的另一路输出端与三相桥式IGBT整流电路的一路输入端相连接；三相桥式IGBT整流电路的另一路输入端与第二电力电子控制单元的输出端相连接，第二电力电子控制单元的输入端与中央处理器的输出端相连接，三相桥式IGBT整流电路的输出端与电机三相电枢绕组相连接；所述中央处理器的输出端与电容充电控制单元的输入端相连接，电容充电控制单元的输出端与储能电容器的一路输入端相连接，储能电容器的另一路输入端与整流桥的一路输出端相连接，整流桥的另一路输出端与两相桥式IGBT整流电路的一路输入端相连接，两相桥式IGBT整流电路的另一路输入端与第一电力电子控制单元的输出端相连接，第一电力电子控制单元的输入端与中央处理器的输出端相连接；所述整流桥的输入端与电网相连接，两相桥式IGBT整流电路的输出端与电机的激磁线圈相连接，所述电源模块为其它器件提供工作电压。
[0051]本发明选择的器件型号具体为:[0052]电源模块由AMS1117芯片及其外围硬件电路组成；电容电压检测模块由运算放大器0P07、线性光耦HCNR200和发光二极管等组成；电容充电控制模块由运算放大器0P07、线性光耦HCNR200和BNTDH39型号的IGBT等组成；三相桥式整流桥和两相桥式整流桥由型号为SKM600GB066D的IGBT组成；电流传感器采用CHF-400B型号；旋转编码器采用E6B2-CWZ1X1000P / R型旋转编码器；电机速度检测模块主要由一个总线收发器组成，总线收发器采用SN74LVCH245A作为电平转换器件；位置信号传感器采用的是由三个型号为T0-92UA霍尔元件组成的霍尔盘；电机的位置信号捕获和分合闸信号捕获电路均采用74HC14和74CBTD3384芯片组成；中央处理器以支持浮点运算的DSP28335为核心组成的，在加快数据处理的同时也提高了电机对控制信号的响应效率，为在毫秒级实现对动触头速度的控制提供了支持；电力电子控制模块采用的是基于M57962L的高速IGBT驱动电路，该电路的±15V电压由电源模块供给。
[0053]本发明的控制装置的具体电路连接关系如下:
[0054]如图6?图18所示，所述位置传感器信号输出端A、B、C连接位置捕获电路的输入端74HC14芯片的CAP4、CAP5、CAP6，位置捕获电路的输出端芯片74CBTD3384的DSCAP4、DSCAP5、DSCAP6与中央处理器的CAP1、CAP2、CAP3三引脚相连，实现对电机位置信号的采集；分合闸信号捕获电路接受遥控器所发出的信号，经过电平转换，其输出端芯片74CBTD3384 引脚 DSCAP4、DSCAP5、DSCAP6 与中央处理器的 CAP5、CAP6、CAP7 三引脚相连。所述的旋转编码器的输出端连接电机速度检测电路的输入端芯片SN74LVCH254A的Al引脚，电机速度检测电路的输出端BI引脚连接中央处理器DSP的CAP4引脚；所述的电容器调压单元和激磁线圈调磁单元的电流传感器的输出端分别连接各自相对应的线圈电流检测电路的输入端，线圈电流检测电路的输出端连接中央处理器DSP的另两路输入端ADCINB0、ADCINBI ;所述的储能电容器的正极输出端连接电容电压检测电路的输入端O端，电容电压检测电路的输出端连接中央处理器DSP的输入端ADCINA0 ;所述的储能电容器的负极输出端连接电容充电控制电路的输入端I端，电容电压检测电路的另一路输入连接中央处理器DSP的输出端GP1053，电容电压检测电路的输出端连接BNTDH39型号IGBT的栅极；中央处理器DSP的六路输出端PWMl?PWM6连接电容器调压单元的第二电力电子控制模块的六路输入端，第二电力电子控制模块的输出端连接三相桥式IGBT整流电路的六路信号输入端；中央处理器DSP的另四路输出端PWM7?PWMlO连接激磁线圈调磁单元的第一电力电子控制模块的四路输入端，第一电力电子控制模块的输出端连接两相桥式IGBT整流电路的四路信号输入端；所述的整流桥的输入端接入电网，整流桥的正极输出端连接电容充电控制单元的IGBT的集电极，IGBT发射极连接储能电容器的正极，整流桥的负极输出端连接储能电容器的负极；六个IGBT组成三相桥式IGBT整流电路，其中全桥整流电路中每个上桥臂的IGBT的集电极相连后与电容器储能单元的正极相连，每个下桥臂的IGBT的发射极相连后与电容器储能单元的负极相连，为电机的旋转提供能量；四个IGBT组成两相桥式IGBT整流电路，其中全桥整流电路中每个上桥臂的IGBT的集电极相连后与电网的正极相连，每个下桥臂的IGBT的发射极相连后与电网的负极相连，为电机的激磁线圈提供能量；所述的三相桥式IGBT整流电路的输出端连接至无刷线圈激磁直流电机10的三相电枢绕组20的线圈；所述两相桥式IGBT整流电路的输出端连接无刷线圈激磁直流电机10的激磁线圈17。
[0055]如图19所示，采用所述高压断路器线圈激磁直流电机机构的控制装置的控制方法，包括如下步骤:
[0056]步骤一:电网通过整流桥对储能电容器充电，并对两相桥式IGBT整流电路供电；
[0057]步骤二:中央处理器通过电容电压检测电路获得储能电容器的电压值；
[0058]步骤三:判断步骤二中获得的储能电容器的电压值是否达到电压设定值；若是，则通过电容充电控制单元切断储能电容器的充电电路，执行步骤四；若否，转去执行步骤-* ;
[0059]步骤四:中央处理器通过位置传感器和位置捕获电路获得电机转轴所处的位置，确定电机三相电枢绕组所需导通的相序，执行分闸或合闸操作；
[0060]步骤五:旋转编码器检测电机的转速值V，并通过电机速度检测电路将电机的转速值V上传给中央处理器；电流传感器检测电机三相电枢绕组和激磁线圈的电流值i,并通过线圈电流检测电路将电流值i上传给中央处理器；
[0061]步骤六:将步骤五中得到的电机的转速值V和电流值i与参考转速设定值和电流设定值进行比较，得到偏差值与偏差率；
[0062]步骤七:将速度偏差值与偏差率作为模糊PID控制器的输入，进行模糊PID计算，得到需调节给定速度Δν ；
[0063]步骤八:确定电流调节给定值i%其中: =Δ i+i，Δ i=KΔ v,式中，i*为电流调节给定值，i为步骤五中得到的电流值，Ai为电流误差值，Λ V为步骤七中得到的需调节给定速度，K为电流调节系数；
[0064]步骤九:比较电流调节给定值 与最大电压下所对应的电流值Imax的大小，若i*〈Imax，则进行调压转去执行步骤十；若i*>Imax，则进行调磁转去执行步骤十一；
[0065]步骤十:确定调压所需的PWM占空比，并通过第二电力电子控制单元控制三相桥式IGBT整流电路，从而调节通过电机三相电枢绕组的电流，并返回执行步骤五；
[0066]调压所需的PWM占空比，根据下式确定:
【权利要求】
1.一种高压断路器线圈激磁直流电机机构的控制装置，其特征在于包括电容器调压单元和激磁线圈调磁单元；所述电容器调压单元包括电源模块、整流桥、储能电容器、电容电压检测电路、电容充电控制单元、三相桥式IGBT整流电路、电流传感器、线圈电流检测电路、旋转编码器、电机速度检测电路、位置传感器、位置捕获电路、中央处理器、分合闸捕获电路及第二电力电子控制单元；所述激磁线圈调磁单元包括两相桥式IGBT整流电路、电流传感器、线圈电流检测电路及第一电力电子控制单元； 所述分合闸捕获电路的信号输出端与中央处理器的输入端相连接，所述位置传感器的信号输出端与位置捕获电路的输入端相连接，位置捕获电路的输出端与中央处理器的输入端相连接；所述旋转编码器的信号输出端与电机速度检测电路的输入端相连接，电机速度检测电路的输出端与中央处理器的输入端相连接；所述电流传感器的信号输出端与线圈电流检测电路的输入端相连接，线圈电流检测电路的输出端与中央处理器的输入端相连接；所述储能电容器的一路输出端与电容电压检测电路的输入端相连接，电容电压检测电路的输出端与中央处理器的输入端相连接，储能电容器的另一路输出端与三相桥式IGBT整流电路的一路输入端相连接；三相桥式IGBT整流电路的另一路输入端与第二电力电子控制单元的输出端相连接，第二电力电子控制单元的输入端与中央处理器的输出端相连接，三相桥式IGBT整流电路的输出端与电机三相电枢绕组相连接；所述中央处理器的输出端与电容充电控制单元的输入端相连接，电容充电控制单元的输出端与储能电容器的一路输入端相连接，储能电容器的另一路输入端与整流桥的一路输出端相连接，整流桥的另一路输出端与两相桥式IGBT整流电路的一路输入端相连接，两相桥式IGBT整流电路的另一路输入端与第一电力电子控制单元的输出端相连接，第一电力电子控制单元的输入端与中央处理器的输出端相连接；所述整流桥的输入端与电网相连接，两相桥式IGBT整流电路的输出端与电机的激磁线圈相连接，所述电源模块为其它器件提供工作电压。
2.采用权利要求1所述的高压断路器线圈激磁直流电机机构的控制装置的控制方法，其特征在于，包括如下步骤: 步骤一:电网通过整流桥对储能电容器充电,并对两相桥式IGBT整流电路供电； 步骤二:中央处理器通过电容电压检测电路获得储能电容器的电压值； 步骤三:判断步骤二中获得的储能电容器的电压值是否达到电压设定值；若是，则通过电容充电控制单元切断储能电容器的充电电路，执行步骤四；若否，转去执行步骤二 ；步骤四:中央处理器通过位置传感器和位置捕获电路获得电机转轴所处的位置，确定电机三相电枢绕组所需导通的相序，执行分闸或合闸操作； 步骤五:旋转编码器检测电机的转速值V，并通过电机速度检测电路将电机的转速值V上传给中央处理器；电流传感器检测电机三相电枢绕组和激磁线圈的电流值i,并通过线圈电流检测电路将电流值i上传给中央处理器； 步骤六:将步骤五中得到的电机的转速值V和电流值i与参考转速设定值和电流设定值进行比较，得到偏差值与偏差率； 步骤七:将速度偏差值与偏差率作为模糊PID控制器的输入，进行模糊PID计算，得到需调节给定速度Δν ； 步骤八:确定电流调节给定值?Λ其中:;[*=△ i+i, Δ?=ΚΔν，式中，i*为电流调节给定值，i为步骤五中得到的电流值，Ai为电流误差值，Λ V为步骤七中得到的需调节给定速度，K为电流调节系数； 步骤九:比较电流调节给定值i*与最大电压下所对应的电流值Imax的大小，若r〈Imax，则进行调压转去执行步骤十；若i*>Imax，则进行调磁转去执行步骤十一； 步骤十:确定调压所需的PWM占空比，并通过第二电力电子控制单元控制三相桥式IGBT整流电路，从而调节通过电机三相电枢绕组的电流，并返回执行步骤五； 步骤十一:确定调磁所需的PWM占空比，并通过第一电力电子控制单元控制两相桥式IGBT整流电路，从而调节 通过电机激磁线圈的电流，并返回执行步骤九； 步骤十二:结束。
【文档编号】H02P6/08GK103580561SQ201310582175
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2013年11月18日 优先权日:2013年11月18日
【发明者】刘爱民, 吴志恒, 史可鉴, 杨艳辉, 吕志荣 申请人:沈阳工业大学